2 Theoretische Grundlagen

Sir Ronald Ross hat 1897 gezeigt, daß Malariaerreger über Moskitos der Gattung Anopheles übertragen werden (Ross, 1923). Dabei gelang es ihm, den Anteil des Parasitenzyklus, der in der Überträgermücke stattfindet, zu identifizieren und damit die Grundlage für die Beschreibung des gesamten Parasitenzyklus zu schaffen. Durch den Stich der weiblichen Mücke, die Blut für die Entwicklung ihrer Eier benötigt, gelangen im Median 15 bis 25 der für den Wirt infektiösen Parasitenstadien (Sporozoiten) in die Blutbahn, von wo aus sie innerhalb der ersten 15-45 min in Leberzellen eindringen. Innerhalb einer Woche entwickeln sich in einem infizierten Hepatozyten bis zu 30000 Merozoiten, die nach Ruptur der Zelle freigesetzt werden, in die Blutbahn gelangen und dann rasch Erythrozyten befallen. Über Vermehrungsstadien (Trophozoiten und Schizonten) werden erythrozytäre Merozoiten gebildet, die nach Zerstörung der Zelle erneut Erythrozyten infizieren. Aus einer Subpopula­tion der Parasiten entstehen nach mehreren Vermehrungszyklen sexuelle Stadien (männliche und weibliche Gametozyten), die dann von den Überträgermücken aufgenommen werden können. Innerhalb der Mücke findet eine Paarung der Gametozyten und eine weitere Entwicklung über Zygote und Oozysten zu Sporozoiten statt (Sherman, 1998). Mit der Injektion der Sporozoiten in die Blutbahn eines anderen Menschen schließt sich der Zyklus.

In einem hochendemischen Gebiet, in dem eine über das gesamte Jahr epidemiologisch stabile Malaria vorkommt, ist ein großer Teil der Bevölkerung mit P. falciparum infiziert. Während die meisten der Infizierten dabei ohne klinisch relevante Symptome bleiben, entwickelt ein Teil der Betroffenen eine Malaria mit einer milden klinischen Symptomatik; bei einem geringen Anteil der Infizierten verläuft die Erkrankung mit schweren Komplika­

tionen, von denen insbesondere Kinder betroffen sind (Greenwood, 1987). Die wichtigsten Komplikationen der Mala­ria bei Kindern sind eine schwere Anämie und eine zerebrale Manifestation. Daneben kann es zu weiteren schweren Schädigungen verschiedener Organe kommen. Infektionen durch die Plasmodienspezies P. vivax, P. ovale und P. malariae sind im äquatorialen Afrika seltener und verursachen meist keine oder nur milde klinische Erschei­nungen. In hochendemischen Gebieten sind große Teile der Bevölkerung - wiederum besonders Kinder - mit mehreren der humanpathogenen Plasmodienspezies infiziert.

Die Auseinandersetzung zwischen Wirt und Parasit ist von exogenen (z. B. Klima, Vektor­populationsdichte, Endemizität) und endogenen Fak­toren (Parasitenvariabilität, wirtsabhän­gigen genetischen Resistenzfaktoren, Immunstatus) abhängig. Diese Faktoren entscheiden über Morbidität und Mortalität der Erkrankung. In endemischen Malaria­gebieten entwickelt sich nach zahlreichen abortiven und/oder manifesten Erkrankungen bereits im Kindesalter eine sogenannte Semiimmunität, d.h. eine zunehmende Infektions­immunität und eine Krankheitsimmunität, die einen relativen Schutz vor schweren Kompli­kationen und letalen Verläufen verleiht. Unter den endogenen Faktoren spielen die genetischen Determinanten, die sowohl an angeborenen (nichtadaptiven) als auch an erworbenen (spezifischen) Resistenz- und Immunmechanismen beteiligt sind, eine besondere Rolle (Hill, 1998). Der genetische Polymorphismus in humanen Populationen beeinflußt die genetische Vielfalt in Plasmodienpopulationen; umgekehrt hat die genetische Variabilität der Parasiten einen Einfluß auf den genetischen Polymorphismus humaner Populationen. Diese evolu­tionäre Interaktion zwischen Parasit und Wirt ist durch ausgeprägte Selektion gekennzeichnet. Das Verständnis der Pathogenese der Malaria sowie der Entstehung bestimmter Krankheitsmanifestationen kann durch Studien über die Koevolution von Wirt und Parasit erweitert werden (Taylor, et al., 2000). Die Analyse der Interaktion verschiedener genetischer Resistenzfaktoren des Menschen mit bestimmten genetischen Faktoren des Parasiten P. falciparum ist Teil der hier zusammengefaßten Arbeiten.

In hochendemischen Gebieten Afrikas ist ein großer Teil der Bevölkerung ab einem bestimmten Alter asymptomatisch mit P. falciparum infiziert. Die Parasitenlast im Blut (Parasitämie) ist bei diesen asymptomatischen P.-falciparum-Infektionen meist sehr niedrig und dauert Wochen bis Monate an (Gilles, 1986). Bei der Diagnose von chronischen, asymptomatischen Infektionen ist die Sensitivität der üblicherweise eingesetzten mikroskopischen Untersuchung limitiert. Die Sensitivität der Bestimmung subklinischer Parasitämien wird durch den zusätzlichen Einsatz einer Spezies-spezifischen Polymerase-Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) erheblich gesteigert (Snounou, et al., 1993).

Ob submikroskopische Infektionen eine Bedeutung für den Gesundheitszustand eines Patienten haben, wird seit langem diskutiert (Greenwood, 1987). Für eine solche Bedeutung spricht die Erkenntnis, daß durch den Einsatz von Bettnetzen, die vor den nächtlichen Stichen des übertragenden Mückenvektors schützen, sowohl bei Erwachsenen als auch bei Kindern subklinische Infektionen verhindert und in der Folge die allgemeine Morbidität und Mortalität reduziert wird (Payne, et al., 1976). Eine chronische asymptomatische Infektion kann eine unspezifische Verschlechterung des Allgemeinzustandes oder eine Veränderung des Immunstatus zur Folge haben, die dann für den Verlauf einer symptomatischen Infektion bedeutsam werden können. Insbesondere wurde z. B. beobachtet, daß eine anhaltende niedrige oder submikroskopische Parasitämie zu einer Anämie führen kann (Abdalla, et al., 1980). Mögliche Pathogenitätsmechanismen sind eine Hemmung der Erythropoese und eine vermehrte Destruktion der Erythro­zyten, z. B. durch Aktivierung des Makrophagen-Monozyten-Systems und Hypersplenismus. Über eine verstärkte Zerstörung von nicht-parasitierten Erythrozyten für einen gewissen Zeitraum nach einer akuten Malariaepisode - wahrscheinlich durch Hypersplenismus - ist berichtet worden (Woodruff, et al., 1979). Immunologische Faktoren könnten auch bei der Pathogenese der Anämie während submikroskopischer Infektionen eine Rolle spielen (Greenwood, 1987). Inwieweit dabei andere Plasmodienspezies als P. falciparum involviert sind, ist bisher unklar (s. u.). Insbesondere bei Personen mit Ernährungsdefiziten kann eine zusätzliche Belastung durch

beschleunigten Abbau der Erythrozyten zu einer Verschlechterung hämatologischer Parameter führen. Unklar ist weiterhin, inwieweit rekurrierende, asymptomatische Plasmodieninfektionen zu einer Beeinflussung des Eisenmetabolismus führen.

Eine Bedeutung der asymptomatischen, submikroskopischen Parasitämie für andere Erkrankungen wird diskutiert, z. B. für die Inzidenz der hyperreaktiven Splenomegalie bei Malaria (HMS), das nephrotischen Syndrom bei einer Infektion mit P. malariae oder die Entstehung des Burkitt-Lymphoms (Greenwood, 1987). Ein immunmodulatorischer Einfluß durch wiederholte Infektionen mit unterschiedlichen Plasmodienstämmen ist auch bei niedrigen Parasitämien wahrscheinlich. So ist bei dauerhaft niedrigen Parasitämien eine erhöhte Prävalenz sekundärer Infektionen, z. B. mit Salmonella typhi, beschrieben worden (Mabey, et al., 1987).

2.2  Milde und schwere Malaria

Eine Infektion mit P. falciparum nimmt einen individuell unterschiedlichen Verlauf innerhalb eines Spektrums, das von einer asymptomatischen Infektion bis zu schwersten Komplikationen reicht (Marsh, 1999). Dieser Verlauf der P.-falciparum-Infektion ist bei Kindern und Erwachsenen sehr unterschiedlich und vor allem abhängig vom Immunstatus des Infizierten. Daher verläuft die Malaria bei erwachsenen Europäern, die von einer Reise wiederkehren, völlig anders als die Malaria bei Kindern aus Afrika. In Afrika sind Kinder im Alter über fünf Jahren trotz Infektion oft asymptomatisch. Kommt es zu einer klinischen Manifestation, handelt es sich in den meisten Fällen um eine relativ milde, unspezifische fieberhafte Erkrankung, die - insbesondere bei rasch einsetzender Therapie - schnell vorübergeht. Bei der Entwicklung einer klinisch relevanten Erkrankung kommt es zu grippeähnlichen Symp­tomen, Husten, zunehmender Anämie, Splenohepatomegalie, abdominalen Schmerzen, Erbrechen und milder Diarrhoe (Marsh, 1999).

Bei sehr jungen Kindern mit einer zu schwachen Immunität kann es zu schweren Komplikationen kommen. Die wichtigsten Komplikation der Malaria tropica bei Kindern aus hoch-

endemischen Gebieten Afrikas sind zerebrale Malaria und schwere Anämie. Um zerebrale Malaria handelt es sich, wenn Patienten einen schmerzhaften Stimulus nicht mehr lokalisieren können (Warrell, et al., 1982). Eine schwere Anämie ist gekennzeichnet durch einen Hämoglobinwert von unter 50 g/l oder einem Hämatokrit unter 15%. Weitere häufige Komplikationen bei Kindern sind Hypoglykämie (Glukose unter 40 mg/dl), Hyperparasitämie (≥ 20% bei semiimunen Kindern, ≥ 4% bei nicht-immunen Kindern) (Marsh, 1999).

Die WHO definiert eine schwere Malaria als Erkrankung mit einer Parasitämie (asexuelle Stadien) ohne Hinweis auf eine andere Krankheit mit mindestens zwei der folgenden klinischen Symptome: Sitz- oder Trinkschwäche (bei Kindern), Bewußtseinseintrübung, respiratorische Insuffizienz (Kußmaul-Atmung), Krämpfe, Kreislaufkollaps, pulmonale Ödeme (radiologisch gesichert), abnormale Blutungen, Ikterus, Hämoglobinurie, schwere Anämie (WHO, 2000).

2.3  Pathophysiologie der schweren Malaria

Insgesamt scheinen die Komplikationen bei Malaria das Resultat verschiedener patho­genetischer Prozesse zu sein: Zytokininduktion durch die Freisetzung von toxischen Para­sitenprodukten; verschlechterter Blutfluß durch Sequestration infizierter Erythrozyten; Hochregulierung der Expression von Adhäsionsmolekülen durch Zytokine oder die Adhäsion parasitierter Erythrozyten; Sekretion von Stickstoffmonoxid (NO) aus Endothelzellen und anderen Zellen (White, 1998). Zu einer schweren Malaria kommt es vermutlich dann, wenn eine Parasitensequestration und andere pathologische Prozesse durch eine überschießende Zytokinproduktion gefördert werden. Diese Prozesse werden durch die Konstellation von Wirtsgenotyp, Immunstatus und Parasitenstamm in unterschiedlichem Ausmaß beeinflußt. Es ist allerdings unklar, warum der Großteil der Kinder in einem für Malaria endemischen Gebiet keine oder wenige klinische Symptome zeigt und lediglich ein kleiner Teil eine schwere Symptomatik entwickelt und welche Faktoren im einzelnen den Verlauf der Malaria bestimmen.

Fieber und Zytokine. Es wurde lange vermutet, daß Plasmodien ein Toxin enthalten, das während der Schizontenruptur freigesetzt wird und das die für die Infektion charakteristischen Paroxysmen auslöst. Ein solches parasitäres Toxin wurde bisher nicht gefunden; allerdings bewirken die Parasiten die Freisetzung von Zytokinen, die ähnliche proinflammatorische Wirkungen wie Exotoxine haben können (Kwiatkowski and Greenwood, 1989b). Heute ist bekannt, daß Parasitenprodukte, Wirtszellmaterial, Hämozoin und Antikörperkomplexe Endothelzellen und Zellen des Makrophagen-Monozyten-Systems zur Sekretion von Zytokinen stimulieren. Schwere Malaria ist mit der Freisetzung von Gamma-Interferon [IFN-γ], Tumornekrosisfaktor [TNF] Interleukin 6 [IL-6] und IL-1β und somit vor allem mit einer Th1-gerichteten Zytokinsekretion assoziiert (Grau and De Kossodo, 1994).

Eine Folge der Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine bei Malaria ist Fieber. Zu den Zytokinen, bei denen ein Einfluß auf die thermosta­tische Regulation durch den Hypothalamus nachgewiesen wurde oder vermutet wird, gehören TNFα [Kap. 2.8.1], IL-1β, IL-1α, IL-6, IFN-α, LTα und das macrophage inflammatory protein-1 (Kwiatkowski and Perlmann, 1999). Diese inflammatorischen Zytokine haben allein durch ihre Fieber-provozierenden Wirkungen eine wichtige Funktion bei der anti­parasitären Abwehr (Brandts, et al., 1997). Allerdings sind deren Wirkungen auch für die Pathologie der Erkrankung von Bedeutung. Neben diesen Zytokinen mit direkt pyrogenen Eigenschaften gibt es andere, wie IFN-γ und IL-1, die durch Stimulierung pyrogener Mediatoren indirekt Fieber hervorrufen.

Zytoadhärenz und Rosettenbildung. Für die Pathogenese der zerebralen Malaria werden verschiedene Mechanismen verantwortlich gemacht: Intrazerebrale Mikrozirkulationsstörungen durch Gefäßokklusionen; Zirkulationsstörungen durch untereinander verklebte Erythrozyten ("sludging"); Ausbildung eines zerebralen Ödems durch Veränderungen der Gefäßpermeabilität; Immunologische Prozesse (WHO, 2000). Eine besondere Bedeutung bei der Mikrozirkulationsstörungen bei zerebraler Malaria hat die Sequestration von P.-falciparum-infizierten, aber auch von nicht-infizierten Erythrozyten, in peripheren Blutgefäßen (Berendt, et al., 1994;Wahlgren, et al., 1999). Infizierte Erythrozyten adhärieren an Endothelzellen (Zytoadhärenz) und nicht-infizierte Erythrozyten binden an infizierte (Rosetting). Durch

diese Mechanismen wird die Mikrozirkulation Gehirn - aber auch in Lunge, Leber und Plazenta - direkt beeinträchtigt und das Organ geschädigt. Verstärkte Adhäsion von parasitierten Erythrozyten an Endothelzellen wird insbeson­dere für die Pathogenese der zerebralen Malaria verantwortlich gemacht (Coppel, et al., 1998). Bei Patienten, die an zerebraler Malaria verstorben sind, finden sich erheblich mehr mit parasitierten Erythrozyten verstopfte Gefäße als bei Patienten, die an einer anderen Komplikation gestorben sind (MacPherson, et al., 1985). Durch die Mikrozirkulationsstörungen kommt es zur lokalen Hypoxie, Azidose und lokalen Sekretion von Zytokinen (z. B. TNFα, IFN-γ, IL-6, IL-10), Adhä­sionsmolekülen (z. B. intercellular adhesion molecule 1 [ICAM-1]) und anderen bioaktiven Molekülen (z. B. NO, Endothelin) (Wahlgren, et al., 1999).

Voraussetzung für die Zytoadhärenz der Erythrozyten ist die Expression von Neoanti­genen parasitären Ursprungs auf deren Zelloberfläche (Hommel and Semoff, 1988). Das wichtigste bisher bekannte Neoantigen ist das PfEMP-1 (Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1) (Baruch, et al., 1995), das im Bereich von elektronendichten submembranösen Strukturen, sogenannten "knobs", auf der Oberfläche von P.-falciparum-infizierten Erythrozyten gebunden ist. Im Bereich dieser Protrusionen kommt es zu Interaktionen der infizierten Zellen mit anderen Erythrozyten und Endothel­zellen (Aikawa, et al., 1983;Scholander, et al., 1998).

Auf den Endothelzellen der peripheren Gefäße werden Proteine exprimiert, die als Rezeptoren für die Neoantigene parasitierter Erythrozyten wirken. In verschiedenen Studien wurde gezeigt, daß insbesondere ICAM-1 bei der Adhäsion von parasitierten Erythrozyten an Endothelzellen beteiligt ist [Kap. 2.8.2] (Wahlgren, et al., 1999). Neben ICAM-1 sind die wichtig­sten bisher identifizierten Adhäsionsmoleküle CD36, CD31/PECAM-1 (platelet endothelial cell adhesion molecule-1), VCAM-1 (vascular cellular adhesion molecule-1), E-Selektin, CSA (circumsporozoite surface antigen) und Thrombospondin. Der hauptverantwortliche Ligand der parasitierten Erythrozyten ist das PfEMP-1, das mit einem Teil seiner konser­vierten Kopfstruktur an CD36 und ICAM-1 bindet (Wahlgren, et al., 1999).

Ein anderer Teil der PfEMP1-Kopfstruktur ist für das Rosetting mitverantwortlich, das die lokale Anhäufung von Erythrozyten begünstigt. "Rosetting" bezeichnet die Bildung von Zellverbänden aus parasitierten und nicht-infizierten Erythrozyten. Dieses Phänomen ist mit schwerer P.-falciparum-Malaria assoziiert (Carlson, et al., 1990;Kun, et al., 1998) und tritt vor allem bei sequestrierenden Parasiten während der Schizogonie auf (David, et al., 1988;Udomsangpetch, et al., 1989). Die funktionelle Bedeutung der Rosettenbildung ist nicht bekannt. Es wird spekuliert, daß durch die räumliche Nähe der nicht-infizierten Erythrozyten zu den infizierten Erythrozyten die Invasion der Merozoiten nach Schizontenruptur erleichtert wird (Wahlgren, et al., 1999).

Anämie. Eine schwere normozytäre Anämie ist eine häufige Komplikation bei schwerer Malaria. Sie betrifft vor allem Kinder im Alter zwischen dem zweiten und dritten Lebensjahr (Phillips and Pasvol, 1992;Weatherall, et al., 1983) und ist in Gegenden mit sehr hoher P.-falciparum-Transmission die dominierende Malariakomplikation. Die Pathogenese der Anämie bei Malaria ist komplex und multifaktoriell. Die wichtigsten pathogenetischen Faktoren sind die direkte Zerstörung der parasitierten Erythrozyten durch Schizontenruptur, eine erhöhte und verfrühte Zerstörung nicht-infizierter Erythrozyten durch Hypersplenismus und immunologische Prozesse sowie die verminderte Erythropoese durch Suppression des blutbildenden Knochenmarks (Abdalla, et al., 1980). Diese Mechanismen werden durch genetische Konstellationen wie Sichelzellanämie oder α-Thalassämie beeinflußt. Weitere Einflußfaktoren in malariaendemischen Regionen sind Eisen- oder Folsäuremangel sowie begleitende Infektionen (z. B. Hakenwurminfektion).

Infizierte Erythrozyten werden natürlicherweise bei der Schizontenruptur zerstört. Der Anteil der so zerstörten Erythrozyten kann aber aufgrund der oft niedrigen Parasitämien (< 1%) in den meisten Fällen die schwere Anämie nicht allein erklären (Looareesuwan, et al., 1987b). Eine besondere Rolle bei der Beseitigung von intakten parasitierten Erythrozyten wird der Milz zugeschrieben (Kwiatkowski and Perlmann, 1999). Im Körper können neu exprimierte oder veränderte körpereigene Antigene der Erythrozytenmembran von IgM-Antikörpern erkannt und die so markierten Zellen von Phagozyten in der Milz zerstört werden. Ein

Beispiel für eine solche antigenetische Veränderung ist die frühzeitige Exposition von Bande-3-Antigenen an der Membranoberfläche P.-falciparum-infizierter Erythrozyten (Sherman and Winograd, 1990). Ein solcher Mechanismus kann eine immungesteuerte Vernichtung von infizierten Erythrozyten erklären.

Die Bedeutung von Immunmechanismen bei der Zerstörung nicht-infizierter Zellen wird kontrovers diskutiert und Studien aus unterschiedlichen Regionen haben zu unterschiedlichen Ergebnissen geführt (Facer, et al., 1979;Merry, et al., 1986). Es muß aber eine immunabhängige Destruktion von nicht-infizierten Erythrozyten geben, da diese Zellen auch nach medikamentöser Parasiteneradikation zerstört werden. Eine Bindung von Komplementfaktoren (C3 und C4) und Immunglobulinen (IgG und IgA) an nicht-infizierte Erythrozyten wird in vitro beobachtet und die Bindung von IgG1 an rote Blutzellen war in einer Studie aus Gambia mit Anämie assoziiert (Facer, 1980).

Verschiedene Beobachtungen sprechen für eine Hemmung der Erythrozytenbildung durch eine Knochenmarkssuppression bei P.-falciparum-Malaria. Einerseits bleibt die reaktive Bildung von Retikulozyten, die normalerweise in der Folge einer Hämolyse stattfindet, bei einer Malaria-assoziierten Anämie aus oder ist nur schwach ausgeprägt (Woodruff, et al., 1979). Andererseits sind Knochenmarkszellen von Kindern mit Malaria pathologisch verändert (Abdalla, et al., 1980) und es kommt zu einer abnormalen Erythrozytenproliferation (Wickramasinghe, et al., 1982). Als Mediator einer Knochenmarkssuppression bei Malaria wird vor allem TNF verantwortlich gemacht (Kwiatkowski and Perlmann, 1999). TNF und andere proinflammatorische Zytokine inhibieren erythrozytäre Progenitorzellen in Knochenmarkskulturen (Roodman, et al., 1987). Eine Suppression der Erythropoese konnte auch im Tierversuch nachvollzogen werden (Johnson, et al., 1989).

Neben P. falciparum gibt es noch drei weitere humanpathogene Plasmodienarten, die in unterschiedlicher Häufigkeit und Verbreitung vorkommen: P. vivax, P. malariae und

P. ovale. In mehreren Untersuchungen wurde gezeigt, daß in endemischen Gebieten Mehrfachinfek­tionen mit verschiedenen Plasmodienspezies häufig sind (Richie, 1988). Mit hochsensitiven Detektionsmethoden wie der PCR wurde gezeigt, daß Mehrfachinfektionen weitaus häufiger sind als bisher vermutet wurde (Snounou, et al., 1993) und die einzelnen Spezies häufig in sub­mikroskopischen Mengen vorkommen (Snounou, et al., 1993).

Interaktionen zwischen verschiedenen Spezies. Die Frage, ob beim Menschen die Infektion mit einer Parasitenspezies den Verlauf einer Infektion mit einer anderen Spezies verändert, ist lange Zeit wenig beachtet worden. Bei einer Interaktion zwischen verschiedenen Spezies wäre prinzipiell eine gegenseitige Begünstigung oder Inhibition denkbar. Für beide Möglichkeiten gibt es experimentelle und epidemiologische Hinweise.

Für eine gegenseitige Begünstigung mehrerer Spezies spricht, daß eine latente P.-vivax-Infektion durch eine Infektion mit P. falciparum aktiviert wird (Hill, et al., 1943). Hierfür könnte eine Immunsuppression durch die vorhergehende Infektion verantwortlich sein (Richie, 1988). Auch im Tierexperiment wurde gezeigt, daß die Infektion mit einer Plasmodienspezies die Infektiosität einer anderen Spezies erhöhen kann (Collins, et al., 1975). Es ist vorstellbar, daß spezielle immunevasive Mechanismen, z. B. die Expression bestimmter Gene, eine Koexistenz der Spezies erleichtern (Richie, 1988). Eine weitere Erklärung für ein vermehrt gemeinsames Vorkommen verschiedener Plasmodienarten in einem Wirt wäre eine generell erhöhte Exposition solcher Personen in einem Gebiet.

Andere Beobachtungen sprechen für eine Suppres­sion einer simultanen In­fektion mit einer anderen Erregerart. In einer Studie in Thailand war nach Behandlung der Malaria tropica das Auftreten von P. vivax (wahrscheinlich im Sinne eines aktivierten Rück­falls) erhöht (Looareesuwan, et al., 1987a). Diese Situation kann als Beseitigung einer vorhe­rigen Suppression gedeutet werden. In einer neueren Studie aus Melanesien wurden Mischinfektionen mit P. falciparum und P. vivax seltener als statistisch erwartet gefunden (Maitland, et al., 1996).

Heterologe Kreuzimmunität. Ein möglicher Mechanismus, der zu einer gegenseitigen Hemmung verschiedener Parasitenspezies in einem gemeinsamen Wirt führen könnte,

wäre eine protektive Kreuzimmunität. Bei den humanpathogenen Parasitenspezies gibt es nur wenige Daten bezüglich einer protektiven Kreuzimmunität bei multiplen Infektionen. Diese beziehen sich fast ausschließlich auf eine Interaktion zwischen P. falciparum und P. vivax; über solche zwischen P. ovale/P. malariae und P. falciparum liegen kaum Berichte vor. Es wird kontrovers diskutiert, ob eine Kreuzimmunität zwischen verschiedenen Spezies bei Tieren existiert (zusammengefaßt in (Maitland, et al., 1997;Richie, 1988)).

Mehrere klinische und experimentelle Studien haben gezeigt, daß beim Menschen eine Immunität gegen eine bestimmte Malariaspezies keinen Schutz gegen eine der anderen Spezies vermittelt. Ein Teil dieser Erkenntnisse wurde in älteren Untersuchungen gewonnen, in denen bei Patienten mit Neurosyphilis Behandlungsversuche durch experimentelle simultane Inokulation von P. falciparum und P. vivax vorgenommen wurden (Yorke and McFie, 1924). Einige epidemiolo­gische Studien haben ebenfalls keine Kreuzimmunität zwischen diesen beiden Erregern nachweisen können (Jeffery, 1966).

Andererseits wurde gezeigt, daß es im Verlauf von Mehrfachinfektionen zur Prädominanz einer Spezies kommen kann (Richie, 1988). In Studien über induzierte Malaria wurde beobachtet, daß nach einer simultanen Inokulation mit P. falciparum und P. vivaxmeist P. falciparum den initialen klinischen Verlauf dominierte, wobei die P.-vivax-Malaria solange subklinisch blieb, bis die P.-falciparum-Parasitämie absank (Boyd and Kitchen, 1937). Hierfür könnte eine Kreuzreaktivität gemeinsamer Antigenepitope der Plasmodien verantwortlich sein. Eine prospektive Studie aus Sri Lanka hat Hinweise für eine Kreuzimmunität zwischen P. vivax und P. falciparum ergeben (Gunewardena, et al., 1994).

Es wurde argumentiert, daß Parasitenspezies, die den selben Wirt befallen, wahrscheinlich nicht identische immunogene Antigene produzieren, da der Wirt bei dem Erwerb einer protektiven Immunität gegen eine Art das Überleben der anderen ebenfalls beeinträchtigen würde (Richie, 1988). Daraus wurde gefolgert, daß die Parasiten zu einer Antigendivergenz tendieren müßten und Immunität daher Spezies-spezifisch sei. Diese Hypothese wurde weder in vitro noch in vivo bewiesen; die Überlegungen zeigen zumindest, daß eine - wie auch immer beschaffene - Interaktion zwischen verschiedenen Parasitenspezies in einem

gemeinsamen Wirt sehr wahrscheinlich ist. Für einen Mechanismus, der ein gemeinsames Auftreten verschiedener Spezies in einem Wirt erschwert, spricht die Beobachtung, daß in vielen endemischen Gebieten die Spezies saisonal versetzt auftreten (Maitland, et al., 1996;Molineaux, et al., 1980).

Andere Autoren halten es für wahrscheinlich, daß es unter verschiedenen Spezies gemeinsame Antigene gibt und daß Kreuzimmunität in einem gewissen Ausmaß existiert (Butcher, 1998). Das Vorkommen gemeinsamer antigener Epitope wird z. B. bei den tierpathogenen Parasiten P. cynomolgi bastianelli und P. cynomolgi cynomolgi angenommen (Maitland, et al., 1997). In vitro wurde allerdings gezeigt, daß es auch über andere Wege zu einer Interaktion zwischen Spezies kommen kann. Eine IgM-vermittelte Kreuzimmunität gegenüber einem Exotoxin wurde bei P. falciparum und P. vivax beobachtet (Bate, et al., 1992). Dieses Protein induziert die Ausschüttung von TNF (Kwiatkowski, et al., 1989a), das an der Pathogenese der schweren Malaria beteiligt ist (Grau, et al., 1989;Kwiatkowski, et al., 1990).

Nicht-spezifische Interaktionsmechanismen.Neben einer immunogenen Interaktion zwischen verschiedenen Spezies ist auch eine länger anhaltende, nicht-spezifische Inhibition von erythrozytären Stadien einer Spezies durch Leberstadien einer anderen Spezies vor­stellbar (Butcher, 1998). Eine nicht-spezifische Resistenz kann auch durch eine Milz­vergrößerung entstehen, die durch die Infektion mit einer Parasitenspezies verursacht wurde und die Vermehrung einer anderen Spezies behindert (Richie, 1988). Ein Beispiel für eine weitere von der Immunantwort unabhängige Interaktion ist eine durch eine chronische Infektion mit P. falciparum hervorgerufene Anämie, die zur Retikulozytose führt und dadurch die Umweltbedingungen für die Retikulozyten-spezialisierten Parasiten P. ovale und P. vivax verbessert. Tatsächlich wurde in einer Studie in Nigeria, deren Ergebnisse we­sentliche Teile der vorgelegten Arbeit darstellen, beobachtet, daß der Grad einer subklinischen Anämie mit der Komplexität der Infektion ansteigt (May, et al., 2000a). Dreifachinfektionen mit P. falciparum, P. ovale und P. malariae waren mit niedrigeren Hämoglobinwerten assoziiert als Doppelinfektionen und Einfachinfektionen.

Zusammenfassende Hypothese.Während einer Infektion mit Plasmodien scheinen sich Perioden effektiver und supprimierter Immunität abzuwechseln, so daß sowohl Begünstigung als auch Suppression von Mehrfachinfektionen alternierend vorkommen können. Zusätzlich wird die Interaktion zwischen verschiedenen Parasitenspezies durch Umweltfaktoren beeinflußt. Zu diesen gehören klimatische Bedingungen, Höhenlage, Ernährung, Arthropodenvektoren, Medikamenteneinsatz und Medikamentenresistenzen in einer bestimmten Region (Richie, 1988). Dieser Umstand könnte regionale Unterschiede der Prävalenz von Mischinfektionen erklären.

Eine hypothetische Erklärung für die Beobachtung, daß sowohl Begünstigung als auch Behinderung von Mehrfachinfektionen vorkommen kann, wurde von Molineaux geliefert (Molineaux, et al., 1980): Genetische Unterschiede der Wirtspopulation könnten zur Konzentration verschiedener Spezies in empfänglichen Wirten führen; gleichzeitig könnte eine gegenseitige Hemmung der Erreger ein Überwiegen einer Spezies begünstigen. Da genetische Resistenzfaktoren des Wirtes regional unterschiedlich verbreitet sind, könnte diese Hypothese auch geographische Unterschiede in dem Vorkommen von Mischinfektionen erklären.

Für die Durchführung von Malariakontrollprogrammen ist die Kenntnis von der Interaktion verschiedener Parasitenspezies untereinander und mit dem Wirt, insbesondere ihre Bedeutung für den Verlauf einer Malaria tropica, von Bedeutung. So könnte das Risiko schwerer Malariaverläufe durch Interventionen, die zu einer Reduktion einzelnen Spezies führen, provoziert werden (Maitland, et al., 1997).

In Gebieten, die für P. falciparum hochendemisch sind, haben Jugendliche und Erwachsene eine funktionelle, gegen die Krankheit schützende Immunität entwickelt, die aber die Parasiten nicht vollständig eliminiert. Für die Entwicklung und Beibehaltung dieser "antitoxischen" Immunität ist ein kontinuierlicher Kontakt mit dem Parasiten durch häufige,

sukzessive Infektionen erforderlich (Snow, et al., 1999). Die Immunität ist unvollständig und kann sich bei länger fehlendem Kontakt mit dem Erreger zurückbilden; diese Form der Immunität wird daher als Semiimmunität bezeichnet. Es ist nicht vollständig geklärt, durch welche Faktoren ein Schutz vor schwerer Malaria vermittelt wird. Protektion scheint Folge komplexer Vorgänge zu sein, bei denen zum einen die angeborene Immunität, bei der Natürliche Killerzellen (NK-Zellen) und Makrophagen eine besondere Rolle spielen, und zum anderen die erworbene Immunität, die durch Th1- und Th2-Lymphozyten reguliert wird, beteiligt sind.

Der Ausgang einer Infektion mit P. falciparum ist von verschiedenen Bedingungen des Wirtes und des Parasiten abhängig (Gupta, et al., 1994;Hill, et al., 1997). In-vitro-Studien und Tierexperimente haben gezeigt, daß auf Seiten des Wirtes angeborene und erworbene Mechanismen an einer Immunreaktion gegenüber dem Parasiten beteiligt sind (Greenwood, et al., 1991). Die Immunitätslage des Wirtes wird neben der genetischen Disposition unter anderem durch Alter, vorangegangene Infektionen und allgemeine körperliche Verfassung beeinflußt. Bisher ist nicht genau geklärt, welche Mechanismen darüber entscheiden, ob und wie schwer ein Infizierter mit ungenügender Immunität erkrankt (Greenwood, et al., 1991).

Die Semiimmunität gegen P. falciparum ist spezies- und stadienspezifisch. Die Entwicklung einer protektiven Immunität dauert viele Jahre und erfordert eine ständige Erregerexposition (Snow, et al., 1999). Je nach Parasitenstadium sind unterschiedliche Immunmechanismen beteiligt. In den ersten Minuten nach einer Infektion können Anti-Sporozoiten-Antikörper ein Eindringen der infektiösen Stadien in die Hepatozyten verhindern (Nardin and Zavala, 1998). Im weiteren Verlauf einer Infektion scheint eine Immunantwort gegen die Stadien, die sich kurz nach der Infektion im Hepatozyten entwickeln, von besonderer Bedeutung für den Schutz vor hohen Parasitämien zu sein (Good and Doolan, 1999). Nach Lyse der Hepatozyten kommt es zur Infektion der Erythrozyten und zur exponentiellen Vermehrung der Erreger mit Proliferationszyklen. Die Protektion gegen die erythrozytären Stadien ist vor allem Antikörper-abhängig, aber auch mit IFN-γ-Produktion und T-Zellproliferation assoziiert

(Good, et al., 1998;Miller, et al., 1998). Eine Immunität gegen Gametozyten ist für die Verbreitung der Erreger und Erhaltung der Endemizität der Malaria, nicht aber für den individuellen Gesundheitszustand von Bedeutung (Kaslow, 1998).

Die langsame Entwicklung der protektiven Immunität bei Malaria läßt darauf schließen, daß eine spezifische Immunität gegen viele natürlich vorkommende Parasitenantigenvarianten, die untereinander nicht kreuzreaktiv sind, aufgebaut werden muß (Saul, 1999;Snow, et al., 1999). So sind CD4-positive und CD8-positive T-Zellen, die Sporozoitenantigene und Blutstadien­antigene erkennen, in der Regel Varianten-spezifisch (Plebanski and Hill, 2000). Während sich eine protektive Immunität gegen Parasitenstadien mit der Dauer der Exposition aufbaut, gibt es Hinweise darauf, daß ein relativer Schutz gegen schwere Krankheitskomplikationen schon nach ein oder zwei Infektionen besteht (Gupta, et al., 1999). Der Erwerb einer Wirtsimmunität wird durch parasitäre Evasionsmechanismen supprimiert (Gilbert, et al., 1998;Plebanski, et al., 1999;Plebanski, et al., 1997a;Urban, et al., 1999). Diese Mechanismen behindern T-Zellantworten bei Infizierten generell und führen dazu, daß Blutstadien-spezifische T-Zellen bei natürlich exponierten Personen nicht regelmäßig gefunden werden.

Immunität gegen Leberstadien. Seit der Beobachtung, daß durch den Stich Plasmo­dien-haltiger, UV-bestrahlter Moskitos eine Protektion gegenüber einer erneuten Infektion erreicht werden kann (Mulligan, et al., 1941), ging man lange Zeit davon aus, daß dieser Schutz durch eine Immunität gegen Sporozoiten vermittelt wird. Inzwischen mehren sich die Hinweise, daß für diese Protektion eigentlich eine Immunität gegen hepatozytäre Stadien verantwortlich ist (Druilhe and Marchand, 1989). Die intrahepatozytären Parasitenstadien sind Ziel einer Reihe von zellulären und humoralen Immuneffektormechanismen. Im Tiermodell führt die Inokulation von bestrahlten Sporozoiten in der Leber zur Bildung von Granulomen, die Makrophagen, T-Zellen, Neutrophile und Eosinophile enthalten (Hoffman, et al., 1989). Die Funktionsweise der Abwehr von präerythrozytären Stadien ist unklar. Etwa die Hälfte der Sporozoiten erreichen Hepatozyten und durchlaufen eine Schizogonie, obwohl

Leberstadien sich durch eine starke Immunogenität auszeichnen und eine Reihe von Mechanismen bekannt sind, die Invasion und Entwicklung der Parasiten blockieren können.

Im Gegensatz zu erythrozytären Stadien kommen Leberstadien nur kurz und in niedriger Anzahl im Körper vor. Es wurde geschätzt, daß bei Infizierten Antigene von Erythro­zytenstadien um den Faktor 10¹⁰ bis 10¹² häufiger sind als solche von Leberstadien (Druilhe, et al., 1998). Trotzdem sind Leberstadienantigene im Vergleich zu Erythrozytenantigenen hoch immunogen. Die vier am besten untersuchten Antigene, die von hepato­zytären Stadien exprimiert werden, sind LSA-1 (liver stage-specific antigen 1) (Guerin-Marchand, et al., 1987), LSA-3, STARP (sporozoite threonine and asparagine-rich protein) (Fidock, et al., 1994a) und SALSA (sporozoite and liver stage antigen) (Bottius, et al., 1996b). Die Immunogenität dieser Antigene im Sinne einer B-Zellaktivierung wurde in mehreren Studien nachgewiesen (Bottius, et al., 1996b;Druilhe, et al., 1998;Druilhe, et al., 1986;Fidock, et al., 1994b;Pasquetto, et al., 1997). Die Höhe der Antikörpertiter ist prinzipiell von der Höhe der Transmission von Parasiten abhängig. Antikörper können direkt oder in Zusammen­wirken mit Kupffer- oder NK-Zellen oder auch im Rahmen einer antikörperabhängige zellvermittelte Zytotoxizität (antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC) wirken (Rénia, et al., 1990). Einerseits können Antikörper die Penetration von Hepatozyten verhindern (Hollingdale, et al., 1984); meist ist dieser Effekt allerdings nicht vollständig (Mellouk, et al., 1986). Andererseits kann die intrahepatozytäre Entwicklung gehemmt werden (Nudelman, et al., 1989;Pasquetto, et al., 1997).

Neben humoralen Mechanismen sind auch zelluläre Effektormechanismen bei der Immunabwehr von hepatozytären Stadien bedeutsam. Zur Induktion einer T-Zellantwort gegenüber Leberstadien ist die HLA-vermittelte (HLA, humane Leukozytenantigene) Präsentation von Parasitenantigenen gegenüber T-Zellrezeptoren (T cell receptor, TCR) notwendig. Humane Hepatozyten exprimieren sowohl HLA-Klasse-I- als auch -Klasse-II-Moleküle (Franco, et al., 1988). Nach Aktivierung der T-Zellen kommt es zu einer Kaskade von Immunreaktionen mit Sezernierung von Zytokinen, von denen das IFN-γ einen besonderen Stellenwert einnimmt (Luty, et al., 1999). Ein durch IFN-γ vermittelter Schutz

gegen Leberstadien wird durch CD4-positive T-Zellen, NK-Zellen und γδ-T-Zellen vermittelt (Plebanski and Hill, 2000). Allerdings exprimieren Hepatozyten normalerweise keine für eine T-Zellaktivierung notwendigen kostimulatorischen Moleküle (Croft, 1994). Hohe IL-10-Plasmaspiegel in der Leber erschweren zusätzlich die Wiedererkennung von Antigen durch T-Zellen in den Leberzellen (Le Moine, et al., 1999).

Die Rolle von CD4-positiven T-Zellen bei der Abwehr von hepatozytären Stadien ist nicht klar definiert. Im Tierversuch hat der Transfer von CD4-positiven T-Zellklonen und die Induktion von CD4-positiven T-Zellen durch Immunisierung mit definierten Leberstadium-spezifischen Peptiden gezeigt, daß diese Zellen eine sterile Immunität gegen Sporozoiten vermitteln können (Rénia, et al., 1993). Beim Menschen wurden zytotoxische CD4-positive T-Zellklone von Freiwilligen isoliert, die mit irradiierten Sporozoiten immunisiert waren (Moreno, et al., 1991). Es wird vermutet, daß diese Zellen parasitäre Leberstadien direkt durch einen IFN-γ-abhängigen Weg eliminieren können (Zevering, et al., 1994).

Gegen infizierte Hepatozyten können protektive CD8-positive zytotoxische T-Zellantworten generiert werden (Hoffman, et al., 1989). Im Gegensatz zu B-Zellantworten sind T-Zellantworten gegen Leberstadien in einem geringeren Maße von der Transmis­sionsstärke abhängig. Im allgemeinen werden in peripheren mononukleäre Blutzellen (peripheral blood mononuclear cells, PBMC) von natürlich exponierten Personen nur wenige Leberstadien-spezifische zytotoxische T-Zellen (cytotoxic T cells, CTL) gefunden (Plebanski, et al., 1997b). Dennoch wird in endemischen Gebieten eine hohe Prävalenz an positiven T-Zellantworten beobachtet (Bottius, et al., 1996b;Fidock, et al., 1994c). So sind für das LSA-1-Molekül starke, über CD8-positive T-Zellen vermittelte, lymphoproliferative und IFN-γ-Antworten in PBMC nachgewiesen worden (Connelly, et al., 1997).

Immunität gegen Blutstadien. An der Entwicklung einer Immunität gegen erythrozytäre Stadien sind unspezifische sowie spezifische zelluläre und humorale Mechanismen beteiligt (Mohan and Stevenson, 1998). Einen Hinweis auf die Existenz unspezifischer Immunmechanismen lieferte die Beobachtung, daß bei ungehinderter Parasitenvermehrung bei nicht-immunen Infizierten nach 7 bis 12 Tagen - also innerhalb der Zeit, in der sich normaler­

weise eine spezifische Immunität entwickelt- theoretisch alle Erythrozyten infiziert sein müßten; tatsächlich sind es durchschnittlich etwa 0,1 % (Druilhe and Perignon, 1994). An der unspezifischen Immunität gegen Plasmodien sind v. a. Makrophagen, NK-Zellen und Neutrophile beteiligt (Ferrante, et al., 1990;Orago and Facer, 1991). Durch Zellen des Makrophagen-Monozyten-Systems werden asexuelle Blutstadien, Merozoiten und Mikroaggregate phagozytiert (Sheagren, et al., 1970). Eine besondere Rolle spielt dabei die Milz als dasjenige Organ, in dem Makrophagen in engen Kontakt mit infizierten Erythrozyten kommen (Weiss, 1990). Neben direkter Phagozytose bekämpfen Blutmonozyten und Gewebsmakro­phagen die Parasiten einerseits durch die Produktion von reaktiven Sauerstoffmetaboliten, Lipid-Peroxiden, Stickstoffradikalen und lysosomalen Enzymen, andererseits durch die Expression von Komplement- und Fc-Rezeptoren (Ferrante, et al., 1990). Diese Effektorfunktionen von Makrophagen werden durch Zytokine wie IFN-γ und TNFα moduliert. Zusammen mit Anti-Plasmodium-Antikörpern agieren Monozyten auch im Rahmen einer Antikörper-abhängigen zellulären Inhibition, die eine wichtige Rolle bei der Entwicklung einer klinischen Immunität spielt (Bouharoun-Tayoun, et al., 1990).

Die Bedeutung humoraler Immunmechanismen bei der Abwehr von Erythrozytenstadien ist seit langem bekannt (Cohen, et al., 1961). Die Übertragung von gereinigtem hyperimmunen IgG von Westafrikanern auf Probanden aus Thailand hat zu einer Reduktion der Parasiten­last geführt, ohne jedoch zu einer sterilen Immunität zu führen (Sabchareon, et al., 1991). In-vitro-Untersuchungen haben unterschiedliche inhibitorische Wirkungen von IgG aus dem Blut von Probanden bestimmter geographischer Regionen auf Parasiten anderer Regionen gezeigt (McGregor and Wilson, 1988). Kontrovers wird diskutiert, welche Antikörper eine Protektion gegen Plasmodien vermitteln können und inwieweit die Höhe der Antikörperspiegel oder die Qualität der Antikörper ein Maß für eine Immunität oder einer vorherigen Exposition sind (Mohan and Stevenson, 1998).

Immunität gegen sexuelle Blutstadien umfaßt Antikörper-abhängige und Antikörper-unabhängige zelluläre Mechanismen (Cohen, et al., 1961). Obwohl gezeigt wurde, daß CD4-positive T-Zellen an Immunantworten beteiligt sind und eine zentrale Rolle bei der zellulären

Immunantwort gegen Plasmodien spielen (Troye-Blomberg, 1994), ist es schwierig, T-Zellproliferation und Zytokinantworten bei immunen Probanden nachzuweisen. Während in einigen Studien eine inverse Korrelation zwischen Lymphozytenaktivierung und niedriger Parasitenlast beobachtet wurde, war es in anderen Untersuchungen oft nicht möglich, bei Probanden aus endemischen Regionen eine Lymphoproliferation fest­zustellen (Ho and Webster, 1989;Riley, et al., 1991). Verantwortlich gemacht wurden hierfür eine Sequestration von T-Zellen im peripheren Gefäßbett, eine erhöhte Anzahl an CD8-positiven Suppressorzellen oder eine verminderte IL-2-Produktion (Cohen, et al., 1961). Es wird vermutet, daß CD4-positive T-Zellen für die Aufrechterhaltung einer erworbenen Immunität gegen Plasmodien essentiell und daher die Definition von T-Zellantigenen und -epitopen für die Entwicklung einer Malariavakzine von besonderer Bedeutung sind (Good and Miller, 1990). Effektormechanismen von CD4-positiven T-Zellen umfassen die Induktion von Memory-Zellen, eine direkte Zytotoxizität und die Produktion von Zytokinen. Die Sekretion von IFN-γ ist mit einer protektiven Immunität gegenüber erythrozytären Stadien assoziiert. Zum einen bewirkt die IFN-γ-Produktion durch Erythrozytenantigen-spezifische CD4-positive T-Zellen eine Protektion gegen Reinfektionen mit Plasmodien (Luty, et al., 1999). Zum anderen ist IFN-γ bei der Induktion von zytophilen IgG-Antikörpern gegen Blutstadien sowie der Entwicklung einer Antikörper-abhängigen zellulären Immunität beteiligt (Bouharoun-Tayoun, et al., 1995).

Epidemiologische Studien zeigen, daß genetische Einflußfaktoren des Wirtes bei der Manifestation der Plasmodieninfektion eine Rolle spielen. So ist bekannt, daß P. vivax - obwohl weltweit die zweithäufigste humanpathogene Parasitenspezies - in Westafrika nicht verbreitet ist, weil in dieser Region nur Duffy-Blutgruppe-negative Menschen leben und Erythrozyten dieser Personen gegen die Invasion von P. vivax resistent sind. Dieses Beispiel zeigt, daß monogene Varianten einen entscheidenden Effekt auf die Epidemiologie von Plasmodien haben können (Miller, et al., 1975). Ein weiteres Beispiel ist die

Beobachtung, daß das Risiko der P.-falciparum-Infektion und die Erkrankungshäufigkeit an Malaria und Schwere bei den Fulani kleiner ist als bei benachbarten Westafrikanischen Populationen (Modiano, et al., 1996). Diese epidemiologische Beobachtung wurde durch in-vitro-Untersuchungen unterstützt, bei denen gezeigt wurde, daß Antikörperspiegel gegen verschiedene Plasmodienantigene bei dem Stamm der Fulani höher waren als bei benachbarten Populationen, obwohl die epidemiologische Situation bei den untersuchten Bevölkerungsgruppen vergleichbar war (Riley, et al., 1992).

In Regionen, in denen die Bevölkerung über Generationen dem Risiko einer letal verlau­fenden Malaria ausgesetzt war, sind solche Genvarianten bedeutsam, die die Resistenz gegenüber der Erkrankung gestärkt haben. Fortbestand und Verbreitung dieser Varianten hängen davon ab, ob die Mortalität bei Malaria herabgesetzt wird. Eine Genmutation kann sich auch dann durchsetzen, wenn sie für den Träger auch Nachteile, z. B. im Sinne einer Prädisposition oder Manifestation einer anderen Erkrankung, zur Folge hat. Dies ist dann der Fall, wenn die biologische Fitneß, d. h. die Fähigkeit zu überleben und sich fortzupflanzen, unter den gegebenen Umweltbedingungen höher ist als die von den Individuen, die die betreffende Genvariation nicht aufweisen. Theoretisch können derartige Faktoren in jedem Stadium der Parasitenentwicklung wirksam werden. Bislang sind vorwiegend solche protektiven Mechanismen bekannt geworden, die mit Membran- und Stoffwechseleigenschaften der Erythrozyten in Zusammenhang stehen.

Ausgangspunkt der sogenannten "Malariahypothese" war die Beobachtung, daß bestimmte vererbbare Erythrozytendefekte in polymorphen Genfrequenzen nur in Regionen vorkommen, in denen Malaria endemisch ist oder war (Haldane, 1949). Da die Nachteile der homozygoten Ausprägung pathologisch relevanter Erythrozytenanomalien (Sichel­zellanämie, Ovalozytose, Thalassämie, Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel [G6PD-Mangel]) durch den Vorteil einer partiellen Protektion bei einer Plasmodieninfektion nicht ausgeglichen werden, wurde postuliert, daß die erhöhte biologische Fitneß bei heterozygoten Genträgern wirksam werden muß (balancierter Genpolymorphismus). Für das Sichelzellhämoglobin und die Ovalozytose wurde das Postulat der Malariahypothese

vielfach belegt (Allison, 1954;Flint, et al., 1986). Die Vermutung, daß auch der G6PD-Mangel mit einer relativen Resistenz gegen Malaria einhergehen könnte, wurde erstmals 1960 von Allison und Motulsky geäußert. Sie beschrieben eine hochsignifikante geographische Übereinstimmung zwischen der Prävalenz von Malaria tropica und dem G6PD-Mangel. Bezüglich der α-Thalassämie sind die bisherigen Ergebnisse uneinheitlich.

Unter den genetischen Faktoren, die eine Resistenz gegen schwere Verlaufsformen der Malaria tropica vermitteln, wurden auch bestimmte HLA-Genotypen beschrieben (Hill, et al., 1991;Hill, et al., 1992). Eine Zwillingsstudie aus Gambia hat einen Effekt von im Bereich des Haupthistokompatibilitätskomplexes (major histocompatibility complex, MHC) gelegenen Genen auf das Risiko von Fieber bei Malaria beschrieben (Jepson, et al., 1995;Jepson, et al., 1997). Die Assoziationen von HLA-Faktoren mit bestimmten Ausprägungsformen der Malaria tropica stellen - im Gegensatz zu den Erythrozytendefekten - Resistenzmechanismen im Rahmen einer spezifischen erworbenen Immunantwort dar. Eine Reihe anderer polymorpher Gene, die in die Entwicklung einer spezifischer Immunität involviert und damit von Bedeutung für den Verlauf einer Malaria sind, wurden ebenfalls identifiziert (Kwiatkowski, 2000). Zu diesen gehören u. a. IFN-γ, TNFα, IL-10, ICAM-1, iNOS [s. u.].

Neuere molekularbiologische und statistische Techniken ermöglichen durch Segregationsanalysen die Identifizierung von Kandidatengenen, die für die Pathophysiologie der Malaria bedeutsam sind (Abel, et al., 1992;Lander and Schork, 1994). Auf der Basis solcher Studien wurde unter anderem nachgewiesen, daß die Höhe einer P.-falciparum-Parasitämie mit Genvarianten des Chromosomenbereichs 5q31-q33 assoziiert ist (Garcia, et al., 1998;Rihet, et al., 1998). Eine neuere Studie aus Papua Neuguinea hat mit Segregationsanalysen gezeigt, daß Antikörperhöhe und Lymphozytenproliferation dem Einfluß Mendelscher Effekte unterworfen sind (Stirnadel, et al., 1999).

Die Antigene des Haupthistokompatibilitäts­komplexes wurden ursprünglich durch Transplantationsexperimente mit Inzuchtstämmen von Mäusen definiert. Auch beim Menschen spielen sie eine Rolle im Zusammenhang mit Organtransplantationen. Ihre physiologische Bedeutung liegt in der Antigenpräsentation und Vermittlung der spezifischen Immunantwort bei Infektionen und letztlich der Unterscheidung von "Selbst" und "Nicht-Selbst" bei einem einzelnen Individuum. Von jedem Elternteil stammt ein Haplotyp des MHC, dessen Genloci Proteine aus der Gruppe der menschlichen Leukozytenantigene kodieren.

HLA-Klasse-I-Moleküle präsentieren CD8-positiven Zellen Antigene, die innerhalb körpereigener Zellen produziert und prozessiert werden. Während der Prozessierung werden intrazytoplasmatische Proteine zu Peptiden mit spezifischer Länge (8-10 Aminosäuren) und charakteristischem C-Terminus degradiert. Diese Peptide werden durch bestimmte Proteine vom Zytosol in das Endoplasmatische Retikulum transportiert und binden dort an die HLA-Klasse-I-Moleküle. Der HLA-Peptidkomplex gelangt dann aktiv an die Zelloberfläche und wird dort CD8-positiven zytotoxischen T-Zellen präsentiert. Die Folge ist die klonale Expansion der erkennenden T-Zelle.

HLA-Klasse-II-Moleküle sind in die Immunabwehr von Antigenen involviert, die von spezialisierten, Antigen-präsentierenden Zellen (antigen presenting cells, APC) phagozytiert, prozessiert und präsentiert werden. Zu den APC gehören vor allem B-Lymphozyten, Makrophagen, dendritische Zellen, Gefäßendothelzellen, aktivierte T-Lymphozyten sowie verschiedene epitheliale und mesenchymale Zellen (Kappes and Strominger, 1988). Unter bestimmten Umständen können auch Zellen, die nicht zu den "professionellen" APC gerechnet werden, HLA-Klasse-II-Moleküle exprimieren. Im Zusammenhang mit Malaria ist besonders bedeutsam, daß Hepatozyten nach IFN-γ-Stimulation die Expression von HLA-Klasse-II-Molekülen induzieren (Franco, et al., 1988).

Im Rahmen der Prozessierung werden die aufgenommenen Proteine in Phagolysosomen zu Peptiden spezifischer Länge (13-24 Aminosäuren) verdaut. Nach der Fusion der Phagolysosomen mit HLA-Klasse-II-haltigen Vesikeln werden die HLA-Peptidkomplexe

aktiv an die Zelloberfläche transportiert und CD4-positiven T-Zellen präsentiert (Babbitt, et al., 1985). Die Bildung eines trimolekularen Komplexes aus HLA-Molekül, antigenem Peptid und TCR führt zu einer T-Helferzell-Aktivierung, die Voraussetzung für die Entwicklung einer spezifischen Immunantwort ist (Zinkernagel and Doherty, 1979). Aktivierte T-Zellen regulieren vor allem durch die Sekretion von Zytokinen und Vermittlung spezifischer Zelladhäsionen Wachstum und Differenzierung anderer Immunzellen, insbesondere die Antikörperpro­duktion von B-Lymphozyten (Abbas, et al., 1994). Der TCR kann allerdings keine gelösten Fremdpeptide erkennen, sondern nur solche, die von APC durch HLA-Moleküle präsentiert werden (sog. HLA-Restriktion) (Zinkernagel and Doherty, 1974). Proteine der HLA-Klasse II sind außerdem an der Selektion des T-Zell­repertoirs in der Thymusdrüse beteiligt (Kappler, et al., 1987).

Genomische Organisation des MHC.HLA-Moleküle sind Heterodimere, deren Hauptanteil von Genen kodiert wird, die auf Chromosom 6 im Bereich des Haupthisto­kompatibilitäts-Komplexes lokalisiert sind. Über 220 Gene, zum großen Teil mit immunologischen Funktionen, wurden bisher in mehreren lokalen Anhäufungen innerhalb des MHC gefunden (Aguado, et al., 1999). Die am besten charakterisierten Genloci werden in zwei Klassen eingeteilt, die sich in ihrem Aufbau unterscheiden: Eine Klasse-I-Region mit über 30 Loci am telomeren Ende des MHC und eine Klasse-II-Region mit ebenfalls mindestens 30 Loci am zentromeren Ende (Orr, et al., 1979). Beide Gruppen von Genen enthalten neben kodierenden Sequenzen eine Anzahl von Genfragmenten und Genen, die aufgrund von Mutationen keine funktionellen Proteine kodieren (Pseudogene) (Servenius, et al., 1984). Eine heterogene Ansammlung von über 35 Genen wird als MHC-Klasse-III-Komplex bezeichnet. Einige dieser Gene kodieren für Komplementfaktoren, das Hitzeschockprotein (Hsp 70), das Lymphotoxin (LT), das Lymphotoxin β (LT β) und die Tumornekrosisfaktoren. Ein Großteil der Gene des MHC kodiert Proteine, deren Funktion noch unbekannt ist. Insgesamt nimmt der MHC des Menschen ein DNA-Segment von über 3500 Kilobasenpaaren (kbp) ein (Aguado, et al., 1999).

Innerhalb der Klasse-II-Region sind bisher die sechs D-Familien DM, DN, DO, DP, DQ und DR beschrieben worden (Aguado, et al., 1999), die jeweils eine α- und eine oder mehrere β-Ketten kodieren. Dazwischen liegen Gene, die vor kurzem entdeckt wurden und deren Produkte in Peptidgenerierung und Antigenprozessierung von APC einbezogen sind. Am 5´-Ende der HLA-D-Gene liegen Nukleotidsequenzen, die an der Genregulation wie Initiierung, transskriptioneller Aktivierung und Modulation der Expression beteiligt sind. Das erste Exon kodiert die Führungs- und Signalsequenz, die den gerichteten Transport des entstehenden Proteins aus dem Endoplasmatischen Retikulum sicherstellt und später abgespalten wird. Die zweiten - in der vorliegenden Arbeit untersuchten - variablen Exons kodieren jeweils die Antigenbindungsregion. Am 3´-Ende des Locus liegen das Exon, das die externe Domäne kodiert und die Exons, welche die transmembrane und zytoplasmatische Region kodieren (Korman, et al., 1985).

Innerhalb des zweiten Exons unterscheidet man konservierte von hypervariablen Regionen. Die hypervariablen Regionen unterscheiden sich bei einzelnen Individuen durch Basenaustausche, die die verschiedenen Allele definieren und so den genetischen Polymorphismus des Locus bedingen.

Polymorphismus des MHC.Ein Hauptcharakteristikum des MHC ist die große Zahl von Allelen, die in natürlichen Populationen an einzelnen Loci vorkommen. Erstmals wurde der HLA-Polymorphismus in den 50er Jahren von Payne, Dausset und anderen bei HLA-A-Antigenen beschrieben (Dausset, 1954). Bei Vertebraten gehört der MHC zu den Genregionen mit dem stärksten Polymorphismus. Dieser genetische Polymorphismus macht durch die unterschiedliche Ausprägung der Genorte bei verschiedenen Individuen Assoziationsuntersuchungen dieses Bereiches möglich. Innerhalb des MHC sind bisher (Oktober 2000) 185 HLA-A, 381 HLA-B, 91 HLA-C, 5 HLA-E, 1 HLA-F und 14 HLA-G (Klasse-I-Allele) und 2 DRA1-, 317 DRB1-, 20 DQA1-, 45 DQB1-, 19 DPA1-, 89 DPB1-, 4 DMA-, 6 DMB-, 8 DOA- und 8 DOB-Allele (Klasse-II-Allele) identifiziert worden [http://www.anthonynolan.com/HIG/index.html]. Weitere monomorphe oder oligomorphe MHC-Loci sind bekannt.

Gene der β-Kette (DRB, DQB1, DPB1) weisen eine größere allelische Vielfalt auf als α-Ketten-Gene (DRA1, DQA1, DPA1).

Der Genpolymorphismus ist im allgemeinen bei Afrikanern weit ausgeprägter als bei Kaukasiern (Cannings and Cavalli-Sforza, 1973). Auch der Polymorphismus im Bereich des MHC ist bei afrikanischen Populationen besonders ausgeprägt (Hurley, 1993;May, et al., 1996;May, et al., 1998a;Meyer, et al., 1994;Meyer, et al., 1994;Schnittger, et al., 1996;Schnittger, et al., 1997). Hierfür wird besonders der Selektionsdruck von Infektionskrankheiten wie der Malaria mit einem schweren - oft tödlichen - Verlauf vor dem Reproduktionsalter verantwortlich gemacht (Haldane, 1949). Für eine Selektion von Genvarianten im MHC spricht die Beobachtung, daß nicht-synonyme Mutationen von MHC-Genen (Mutationen, die zu Aminosäureaustauschen führen), häufiger als synonyme Mutationen sind (Mutationen, die nicht zu Aminosäureaustauschen führen) (Hughes and Nei, 1988).

Die große Anzahl ähnlich strukturierter Loci des MHC scheint durch eine Reihe von Dup­likationen aus einem Vorläufergen infolge von Rekombinationen entstanden zu sein. Verschiedene Mechanismen haben an der Entstehung der allelischen Vielfalt der einzelnen Loci mitgewirkt. Mutationen, Rekombinationen, Inversionen und Genkonversionen sind für diesen Bereich beschrieben worden (Erlich and Gyllensten, 1991).

Auch für den Erhalt des MHC-Polymorphismus werden unterschiedliche Prozesse verantwortlich gemacht. Eine wichtige Rolle wird Mechanismen zugeschrieben, die als über­dominante Selektion und frequenzabhängige Selektion bezeichnet werden (Klein, 1986). Bei überdominanter Selektion vermutet man einen Vorteil heterozygoter Individuen (sog. heterozygote advantage), weil diese ein breiteres Spektrum an Antigenen binden und präsentieren können, und dadurch theoretisch eine größere Vielfalt an Infektionserregern abwehren können (Klein and Figueroa, 1986). Eine frequenzabhängige Selektion wird bei Individuen angenommen, die in der Population relativ selten vorkommende und daher wahrscheinlich in jüngerer Zeit entstandene Allele tragen. Diese Individuen werden dadurch bevorteilt, daß Infektionserreger nicht genügend Zeit hatten, sich ihrerseits dem erfolgreichen Abwehrmechanismus des Allelträgers anzupassen (Bodmer, 1972). Bei der

Maus wurde ein gerichtetes Paarungsverhalten beobachtet, das Inzucht und dadurch homozygote MHC-Kombinationen vermeidet (sog. reproduktive Selektion). Als Signalstoffe für die Erkennung verwandter Tiere wurden MHC-abhängige Geruchsstoffe verantwortlich gemacht (Yamazaki, et al., 1976).

Wie ein solch ausgeprägter Polymorphismus sich gerade in der MHC-Region im Gegensatz zu anderen Bereichen des Genoms entwickeln konnte, war lange Zeit umstritten. Bis vor kurzem wurde die Allelvielfalt als Folge einer erhöhten Mutationsrate und spezieller Rekombinationsmechanismen im Bereich des MHC, sowie eines erhöhten Selektionsdrucks dieser Gene gedeutet. Wie inzwischen bekannt ist, liegt die durchschnittliche Rekombina-tionshäufigkeit im gesamten MHC so hoch wie im übrigen menschlichen Genom.

Entstehung und Erhalt des Polymorphismus können vor allem aus zeitlichen Gründen kaum innerhalb einer Spezies vollzogen worden sein (Gyllensten and Erlich, 1989). Besondere Rekombinationsmechanismen, die zu einer schnelleren Bildung des Polymorphismus führen könnten, sind in diesem Bereich nie nachgewiesen worden. Daher wurde ein Modell entwickelt, nach dem der Allelpolymorphismus von einer Spezies auf die folgende Spezies weitergegeben wird. Nach dieser sogenannten "Transspezieshypothese" hat sich der Polymorphismus in mehreren Millionen Jahren durch natürliche Selektion und ohne besondere Mechanismen entwickeln können (Klein, 1987).

Struktur der HLA-Klasse-II-Moleküle.HLA-Klasse-II-Moleküle setzen sich aus einer ähnlich strukturierten α- (32 bis 34 kD) und β-Kette (29 bis 32 kD) zusammen und sind als heterodimere Glykoproteine an der Zellmembran nicht-konvalent gebunden (Kaufman, et al., 1984). Die beiden α- und β-Polypeptidketten liegen mit dem in Richtung des Carboxy-Endes der Aminosäuresequenz (C-terminal) gelegenen Anteil intrazellulär und mit den in Richtung des Amino-Endes (N-terminal) gelegenen zwei Dritteln extrazellulär (Giles and Capra, 1985). Röntgenkristallographische Analysen haben die dreidimensionale Struktur des HLA-Moleküls erstmals bei Klasse-I-Proteinen aufgedeckt (Bjorkman, et al., 1987). HLA-Klasse-II-Moleküle sind in ihrer Struktur den HLA-Klasse-I-Molekülen sehr ähnlich (Brown, et al., 1993).

Man kann eine Antigenbindungsregion (antigen binding site, ABS), eine Immunglobulin-ähnliche, eine transmembrane und eine zytoplasmatische Region unterscheiden, die den entsprechenden kodierenden Sequenzen der MHC-Klasse-II-Gene zuzuordnen sind. Aufgrund der großen Strukturhomologie der konstanten Domänen zu den Imunglobulinen werden Klasse-II-Moleküle zur Immunglobulin-Superfamilie gezählt (Travers, et al., 1984).

Der extrazelluläre Abschnitt der HLA-Klasse-II-Proteine wird in vier Segmente aus etwa 90 Aminosäuren unterteilt, die α1- und α2-Domäne bzw. β1- und β2-Domäne genannt werden. Die α1- und β1-Domänen bilden zusammen die N-terminal gelegene ABS, eine seitlich offene Furche aus einer achtsträngigen β-Faltblattstruktur als Basis und zwei antiparallelen α-Helices als seitliche Ränder (Brown, et al., 1993). Die Aminosäuresequenz in der ABS und die Struktur des gebundenen Peptids bestimmen in hohem Maße die Spezifität der gebundenen Antigene und somit die Antigenerkennung durch den TCR (Bjorkman and Parham, 1990). Die ABS wird von einer Genregion mit ausgeprägtem Polymorphismus kodiert, dem zweiten variablen Exon (α1- bzw. β1-Exon). Der genetische Polymorphismus des zweiten Exons beeinflußt so die chemisch-physikalische Oberfläche der Furche und damit Spezifität und Affinität von Peptidbindung und T-Zellerkennung.

Die übrigen Domänen der HLA-Klasse-II-Moleküle werden in eine Immunglobulin-ähnliche Region (α2- und β2-Domäne) mit geringfügigen Unterschieden des kodierenden α2- und β2-Locus, in eine hydrophile transmembrane Region und in eine hydrophile zytoplasma­tische Region eingeteilt.

Assoziationen von MHC-Klasse-II-Allelen mit Erkrankungen.In Assoziationsstudien wird die Häufigkeit polymorpher Marker bei Patienten mit deren Häufigkeit in einer Kontrollgruppe verglichen. Die signifikante Assoziation eines untersuchten Allels mit einer Er­krankung deutet entweder auf eine ursächliche Beteiligung dieses Gens oder auf eine Kopplung des Markerallels mit einem disponierenden Allel hin. Der Nachweis einer Assoziation bietet somit einen wertvollen Hinweis auf ein mögliches, für eine Krankheit disponierendes Gen.

In den 70er Jahren häuften sich die Berichte, daß MHC-Gene nicht nur für Transplantat­abstoßungen verantwortlich sind, sondern auch mit bestimmten Erkrankungen des Menschen assoziiert sind. Die meisten Assoziationen wurden bisher bei Autoimmunerkrankungen nachgewiesen (Heard, 1994;Klein, 1986).

Bedeutung von HLA-Varianten bei tropenmedizinischen Infektionen. Beziehungen zwischen bestimmten HLA-Varianten und klinischen Manifestationen von Infektionserkrankungen sind schwer zu bestimmen (Klein, 1991;Klein and O'Huigin, 1994).Dennoch wurden in den letzten Jahren Assoziationen zwischen Infektionserkrankungen, auch tropenmedizinischen Infektionen, und HLA-Genvarianten beschrieben.

So wurde bei Probanden, die mutmaßlich immun (engl. putatively immune) gegenüber Onchocerca volvulus, dem Erreger der besonders in Westafrika verbreiteten Flußblindheit (Gewebsfilariose), waren, häufiger der MHC-Klasse-II-Haplotyp DQA1*0501-DQB1*0301 nachgewiesen als bei Patienten mit manifester Infektion (Meyer, et al., 1996). Umgekehrt wurde der Haplotyp DQA1*0101-DQB1*0501 und, unabhängig, das Allel DQB1*0201 häufiger bei Patienten mit generalisierter Onchozerkose gefunden. Bei der gleichen Studiengruppe zeigte sich, daß Patienten, die nach einer Infektion mit O. volvulus manifest erkrankten, häufiger Träger der Aminosäure Methionin an Position 11 (Met-11) des HLA-Locus DPA1 waren (May, 1995;Meyer, et al., 1994). Alanin an Position 11 (Ala-11) war dagegen mit relativem Schutz vor der Erkrankung assoziiert.

Ähnlich wie bei der Flußblindheit hatten Probanden einer Studiengruppe aus Gabun mit einem Methionin an Position 11 des DPA1-Locus häufiger eine Blasenbilharziose nach einer Infektion durch den Trematoden Schistosoma haematobium (May, et al., 1998b). Im Gegensatz dazu waren Probanden mit einem Alanin an Position 11 seltener mit diesem Erreger infiziert. Zusätzlich hatten Ala-11-positive Personen seltener sonographisch faßbare Zeichen einer Blasenwandpathologie als Ala-11-negative Patienten. Zwei Jahre nach spezifischer antischistosomaler Therapie war die Reinfektionsrate bei DPA1*0301-positiven Individuen höher als bei den Probanden, die das DPA1*0301-Allel nicht trugen (May, et al., 1998b).

Ein Zusammenhang zwischen HLA-Genotypen und dem Verlauf humaner Parasiten- oder Tropeninfektionen wurde - abgesehen von den in dieser Arbeit zusammengefaßten Stu­dien - unter anderen untersucht bei: Lepra (Meyer, et al., 1998); Toxoplasmose (Mack, et al., 1999); Leishmaniose (Petzl-Erler, et al., 1991;Singh, et al., 1997); Amöbenruhr und -leberabszeß (Arellano, et al., 1991;Arellano, et al., 1987;Valdez, et al., 1999); Schistosomiasis (Secor, et al., 1996;Waine, et al., 1998); Onchozerkose (Murdoch, et al., 1997); lympha­tischer Filariasis (Mohamed, et al., 1992;Mohamed, et al., 1987;Romia, et al., 1988;Yazdanbakhsh, et al., 1995); Strongyloidiasis (Satoh, et al., 1999); Chagas-Erkrankung (Fernandez-Mestre, et al., 1998) und alveolärer Echinokokkose (Eiermann, et al., 1998;Gottstein and Bettens, 1994).

2.8.1  Tumornekrosisfaktor-Alpha

Fieber ist Teil der natürlichen Wirtsantwort bei Malaria und für die Abwehr der Parasiten vor allem zu Beginn der Infektion während des exponentiellen Wachstums der Parasiten bedeutsam (Brandts, et al., 1997;Gravenor and Kwiatkowski, 1998;Kwiatkowski and Greenwood, 1989b). Die pyrogenen Eigenschaften von TNFα im Zusammenhang mit Malaria wurden in vitro (Kwiatkowski and Greenwood, 1989b) und in vivo (Karunaweera, et al., 1992;Kwiatkowski, et al., 1993) nachgewiesen. Weitere antiparasitäre Effekte vermittelt TNFα durch die Stimulation von Neutrophilen und Makrophagen zur Produktion von Sauerstoffradikalen, die das Wachstum von P. falciparum in vitro hemmen (Wozencraft, et al., 1984).

Die bedeutende Rolle von TNFα in der Pathogenese der Malaria wurde in vielen Unter­suchungen demonstriert (Kern, et al., 1989;Kwiatkowski, et al., 1989a). Einerseits haben Studien gezeigt, daß eine adäquate TNFα-Konzentration im Plasma und eine hohe TNFα-Produktionskapazität einen positiven Einfluß auf den Verlauf einer Malaria haben (Kremsner, et al., 1995;Mordmüller, et al., 1997), andererseits sind inadäquat erhöhte TNFα-Spiegel mit

Malariakomplikationen wie zerebraler Malaria oder Anämie assoziiert (Grau, et al., 1989;Rockett, et al., 1992;Shaffer, et al., 1991).

Ein zur Wirkung von TNFα antagonistischer Effekt scheint bei Malaria durch das antiinflammatorische Zytokin IL-10 vermittelt zu werden. IL-10 reguliert die HLA-Klasse-II-Expression auf Antigen-präsentierenden Zellen herunter, inhibiert die NO-Produktion, vermindert T-Zellpriming und T-Zellproliferation und supprimiert die Produktion von Th1-Zytokinen wie IFN-γ, TNFα, GM-CSF (Granulozyten-Makrophagen-Kolonien-stimulierender Faktor) und LT (Lymphotoxin) durch T-Zellen (Plebanski and Hill, 2000). Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß ein niedriger Quotient aus den Plasmakonzentrationen des Th2-Zytokins IL-10 und des Th1-Zytokins TNFα mit einer schweren Anämie bei Malaria assoziiert ist (Kurtzhals, et al., 1998;Othoro, et al., 1999).

In der Promotorregion des TNFα-Gens sind eine Reihe von Einzelmutationen nachgewiesen worden, von denen offenbar einige die Expression des TNFα-Gens beeinflussen können (Knight, et al., 1999;Wilson, et al., 1997). In einer neueren Arbeit wurde mit Reportergenkonstrukten in verschiedenen humanen Zellinien nachgewiesen, daß bei dem Allel TNF^-308A die Genexpression nur in Anwesenheit der 3´-untranslatierten Region erhöht ist (Abraham and Kroeger, 1999). Ob Mutationen im Bereich des TNFα-Promotors das Verhältnis von IL-10- und TNFα-Plasmaspiegel beeinflussen können, ist bisher nicht untersucht worden, ist jedoch Teil der vorliegenden Arbeit. Assoziationen des Alleles TNF^-308A mit Infektionskrankheiten wie Leishmaniose, lepromatöser Lepra, Trachom und Meningokokkenseptikämie wurden beschrieben (Knight and Kwiatkowski, 1999).

2.8.2  Interzelluläres Adhäsionsmolekül 1

Parasitenmaterial, das über Glycosylphosphatidylinositol-Anker an die Wirtszellmembran gebunden ist, kann die Expression von Zytoadhärenzliganden in Endothelzellen hochregulieren (Schofield, et al., 1996). Zu diesen Liganden gehört auch das Interzelluläre Adhäsionsmolekül 1 (intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1), das die Bindung von infizierten Erythrozyten an Endothelien kleiner Gefäße vermittelt und deshalb in der

Pathophysiologie der Malaria eine besonders wichtige Rolle spielt [Kap. 2.3] (Berendt, et al., 1989). In immunhistochemischen Präparaten von Patienten mit zerebraler Malaria werden ICAM-1 und parasitierte Erythrozyten miteinander assoziiert gefunden (Turner, et al., 1994). Parasiten, die von Patienten mit zerebraler Malaria isoliert werden, habenin vitro eine größte Affinität zu ICAM-1 als solche, die von Patienten ohne schwere Komplikationen gewonnen wurden. (Newbold, et al., 1997). Weiterhin ist die Bindungskapazität von ICAM-1 an parasitierte Erythrozyten größer bei Patienten mit schwerer Malaria als bei solchen mit milder Malaria (Craig, et al., 1997). Bei der Bindung von infizierten Erythrozyten an ICAM-1 kommt es zu einem "Rollen" der Erythrozyten an dem Endothel, ähnlich der Bewegung von poly­morphnukleären Leukozyten bevor sie in einen entzündeten Bereich penetrieren (Nash, et al., 1992). Die Expression von ICAM-1 auf Endothelzellen wird durch TNFα und andere Zytokine induziert. Bisher wurde eine Genvariante beschrieben (ICAM-1^Kilifi), die bei Afro-Amerikanern Nordamerikas und Kenianern eine Genfrequenz von über 30 % aufweist, bei Kaukasiern aber nicht vorkommt (Fernandez-Reyes, et al., 1997).

Die Infektion durch Plasmodien induziert eine Zytokinkaskade, an deren Ende die Ausschüttung von Substanzen mit antiparasitären Eigenschaften, u. a. durch die Sekretion von hochaktiven Stickstoffradikalen, steht. Die wichtige Rolle von NO und seiner Folgeprodukte bei der Abwehr von Malariaparasiten aller Stadien wurde in vitro und in vivo gezeigt (Jacobs, et al., 1995;Mellouk, et al., 1991;Nussler, et al., 1991;Rockett, et al., 1991;Taylor-Robinson, et al., 1993).

NO wird von Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS) durch Umwandlung von Arginin in Citrullin gebildet. Die induzierbare Isoform der NOS (iNOS oder NOS-2) wird hauptsächlich auf Transkriptionsebene durch inflammatorische Zytokine und Toxine reguliert (Nathan, 1997). Die Inhibition der iNOS führt zu einer höheren Mortalität bei Mäusen mit P.-vinckei-Infektion (Kremsner, et al., 1992). Beim Menschen ist die NO-Plasmakonzentration eng mit parasitologischen Parametern und dem klinischen Verlauf der Malaria assoziiert (Kremsner, et al., 1996).

In der Promotorregion des iNOS-Gens wurde vor kurzem eine Punktmutation beschrieben, die bei heterozygoten Genträgern eine Protektion vor schwerer Malaria vermittelt (Kun, et al., 1998).

Einige Anomalien der roten Blutkörperchen weisen eine weitgehend überlappende geographische Verteilung mit dem Vorkommen von P. falciparum auf, woraus gefolgert wurde, daß natürliche Selektion zur Verbreitung dieser Erythrozytenanomalien geführt hat (Flint, et al., 1998). Diese Anomalien betreffen das Hämoglobin (Sichelzellerkrankung, α-Thalassämie), die Erythrozytenmembran (Ovalozytose, Blutgruppenantigene) oder Enzyme (G6PD-Mangel).

Das Sichelzellmerkmal wird durch eine informative Mutation der β-Globinkette (HbS, Hämoglobin S) verursacht. Dieser genetische Defekt führt zu einer verminderten Löslichkeit des Hämoglobinmoleküls unter deoxygenierten Bedingungen. Bei homozygoten Genträgern (HbSS) kommt es bei einem Abfall des Sauerstoffdrucks zur Bildung von langkettigen Polymeren, die zu Membranveränderungen und zur Erhöhung der Rigidität der roten Blutzellen führen. In der Folge führen diese Veränderungen zu hämolytischer Anämie und Krisen mit Infarkten kleiner Gefäße, durch die es zu einem graduellen Prozeß schwerer Organschädigungen kommt. Das resultierende Krankheitsbild ist die Sichelzellanämie.

In vielen klinischen und epidemiologischen Studien wurde gezeigt, daß Patientien mit Sichelzellmerkmal zwar mit P. falciparum infiziert werden, aber seltener schwer an Malaria erkranken und seltener an der Erkrankung sterben als Infizierte mit normalem Hämoglobin (Allison, 1954). Dieser Schutz besteht besonders gegenüber der zerebralen Malaria und

weniger gegenüber schwerer Anämie; aber auch ein relativer Schutz vor milden Manifestationen der Malaria wurde beschrieben (Hill, et al., 1991;Marsh, 1992).

Als Hauptmechanismus für die partielle Malariaresistenz wird eine reduzierte Replikation der Parasiten innerhalb der Erythrozyten (Pasvol, et al., 1978) und eine beschleunigte Zerstörung parasitierter Erythrozyten vermutet, die durch das gehäufte Sicheln der Erythrozyten unter oxidativem Streß verursacht wird (Luzzatto, et al., 1970). Umgekehrt begünstigt eine Infek­tion mit Plasmodien das Sicheln der Zellen. Elektrolyt-, Flüssigkeits- und pH-Verschiebungen der Erythrozyten sowie hypoxische Mem­branver­änderungen sind an der Parasitenschädigung beteiligt. In vitro wird die Invasion und das Wachstum von Plasmodien in HbAS- und HbSS-Zellen behindert. Die Mechanismen, die zu dieser Hemmung führen, sind nicht vollständig geklärt (Carlson, 1999). In Frage kommen jedoch besonders Schädigungen der Parasiten durch physikalische Effekte der Polymerisation des HbS, Kaliumverlust oder Wasserverlust bei gesichelten Zellen sowie eine Erhöhung der Hämoglobinkonzentration. Diese Effekte manifestieren sich vor allem bei niedrigem Sauerstoffdruck.

Trotz der Wachstumshemmung der Parasiten in HbAS- und HbSS-Erythrozyten werden Personen mit Sichelzellgen mit Malariaerregern infiziert. Daher muß es weitere Mechanismen geben, die eine Protektion vor schweren Komplikationen vermitteln. Es ist bekannt, daß HbAS-Individuen höhere Antikörpertiter gegen Neoantigene haben, die auf den Membranen infizierter Erythrozyten exprimiert werden (Marsh, et al., 1989); allerdings ist unklar, inwieweit diese Antikörper protektive Eigenschaften haben. Es könnte sein, daß Modifikationen der Erythrozytenstruktur adhäsive Eigenschaften der Zellen verändern (Rosetting und Zytoadhärenz). So zeigen nicht-parasitierte HbAS-Erythrozyten eine übernormal starke Bindung an kultivierte Endothelzellen (Hebbel, 1991). Andererseits adhärieren parasitierte HbSS-Zellen weniger stark an Endothelzellen als parasitierte HbAA-Erythrozyten (Rowland, et al., 1993). Auch bei HbAS-Trägern trägt wahrscheinlich vor allem die verminderte Rosettenbildung zur Protektion vor zerebraler Malaria bei (Carlson, 1999).

In Regionen mit hoher Malariainzidenz hat der selektive Vorteil von Trägern des Sichelzellmerkmals (HbAS) bezüglich einer Plasmodieninfektion die verminderte biologische Fitneß von Personen mit Sichelzellanämie (HbSS) ausgeglichen und dort zu einem balancierten Polymorphismus des HbS-Gens geführt. Aufgrund der hohen Genfrequenz von HbS in Äquatorialafrika (etwa 20%) und der relativ starken Protektion vor Malaria wurde der HbS-Status in den geplanten Studien mitbestimmt und mit den anderen untersuchten protektiven Faktoren verglichen.

α-Thalassämien sind angeborene autosomal rezessive Defekte mit fehlender oder ver­minderter Synthese der α-Globin-Polypeptidketten; sie gehören weltweit zu den häufigsten Erbkrankheiten des Menschen. Thalassämien entstehen durch Mutationen von Genen, die an der Synthese der Hämoglobine beteiligt sind. Die α-Globingene, α1 und α2, liegen auf dem Chromosom 16 als Duplikat vor. Somit finden sich in jeder diploiden Zelle je zwei α1- und α2-Globingene, die für identische α-Globine kodieren. Mehr als 30 unterschiedliche Mutationen des α-Globingen-Komplexes sind beschrieben worden. Abhängig von der Zahl der funktionsfähigen Gene können vier verschiedene α-Thalassämiesyndrome, vom hämatologisch unauffälligen Genträger bis hin zur schwersten Form, dem Hydrops fetalis, auftreten. Pathophysiologische Grundlage der α-Thalassämien ist die ungleiche Synthese bzw. Stabilität von α-Globinketten. Überschießend gebildete Globine präzipitieren und verursachen eine Hämolyse. Unter den vier bekannten Deletionen, die eine α-Thalassämie verursachen, ist die Variante -α^3.7 am in Afrika am häufigsten verbreitet.

Vor 50 Jahren wurde von Haldane, ausgehend von Daten über den protektiven Effekt der α-Thalassämie gegenüber der Malaria, die "Malariahypothese" formuliert (Haldane, 1949). Bisher ist nicht eindeutig geklärt, ob die partielle Protektion bei Malaria durch Heterozygotie oder Homozygotie vermittelt wird (Clegg and Weatherall, 1999). Die hohe Frequenz der Varianten in Malariagebieten und die milde Symptomatik bei heterozygoter α—Thalassämie deuten eher auf einen selektiven Vorteil von Homozygoten bei einer Infektion mit Plasmo­

dien hin. Nur wenige epidemiologische Daten auf DNA-Basis sind bezüglich der Verteilung der α-Thalassämien erhältlich. Eingehendere Untersuchungen sind notwendig, um genauere Aussagen zur Malariaresistenz bei α-Thalassämien treffen zu können (Weatherall, 1997).

Welche Mechanismen für die relative Protektion vor schweren Malariakomplikationen bei Personen mit α-Thalassämie verantwortlich sind, ist nicht sicher bekannt. Ob in vitro bei thalassämischen Erythrozyten das Parasitenwachstum - wahrscheinlich aufgrund des niedrigen Hämoglobingehaltes und der Mikrozytose - gehemmt ist, ist umstritten (Luzzatto, 1979). Eine neuere Studie hat mittels Flußzytometrie eine solche verminderte Parasitenmultiplika­tion nachgewiesen (Pattanapanyasat, et al., 1999). Zusätzlich ist der bei thalassämischen Patienten erhöhte Anteil von HbF-Zellen für eine verminderte Parasitenentwicklung verantwortlich gemacht worden (Pasvol, et al., 1977). Bei thalassämischen Zellen oder Zellen mit hohem HbF-Gehalt kommt es zu oxidativem Streß, der zur Membranschädigung und zum Verlust von zellulärem Kalium führen kann (Friedman, 1979). Neben der direkten Wachstumshemmung der Parasiten in thalassämischen Erythrozyten wird wahrscheinlich - ähnlich wie bei der Sichelzellerkrankung - die Rosettenbildung vermindert (Carlson, 1999).

In einer neueren Studie aus Vanatu wurde gezeigt, daß wahrscheinlich auch veränderte immunologische Prozesse bei Personen mit α-Thalassämie zur Protektion vor schweren Verläufen der Malaria beitragen. Vor allem junge Kinder mit homozygoter α-Thalassämie hatten in dieser Untersuchung ein höheres Risiko, an einer milden P.-falciparum- oder P.-vivax-Malaria zu erkranken, als Hb-normale Kinder (Williams, et al., 1996). Die Autoren postulierten, daß diese erhöhte Suszeptibilität insbesondere der weniger pathogenen Spezies P. vivax zu einer früheren Entwicklung einer Immunität führt, die die Kinder später vor schweren Komplikationen einer P.-falciparum-Malaria schützt.

Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel des Erythrozyten ist in seiner schwersten Ausprägung Ursache einer chronischen hämolytischen Anämie. Weniger stark

ausgeprägter Mangel führt bei Infektionen oder Einnahme von bestimmten Medikamenten oder Genuß bestimmter Nahrungsmittel durch die Denaturierung von Membranproteinen zu akuter Hämolyse. G6PD-Mangel wird durch Einzelmutationen im kodierenden Teil des Gens verursacht. Über 70 G6PD-Mutanten wurden bislang nach molekularbiologischen Kriterien charakterisiert; nach biochemischen und anderen Verfahren scheint die Anzahl an unterschiedlichen G6PD-Varianten noch deutlich größer zu sein.

In Afrika südlich der Sahara kommen drei unterschiedliche G6PD-Varianten mit polymorphen Genfrequenzen vor. G6PD B ist die Normvariante (Frequenz in Afrika 50-60%) mit vollständiger Enzym­aktivität. Die zweite Variante, G6PD A, wurde bisher nur in Populationen afrikanischen Ursprungs gefunden und zeigt eine geringgradig reduzierte Enzymaktivität, die jedoch noch im Normbereich liegt (80% von G6PD B). Die Genträger sind klinisch unauffällig. Der dritte Typ, G6PD A^-, ist eine Variante mit leichtem Enzymmangel (8-20% von G6PD B) und in Afrika ebenso weit verbreitet wie G6PD A (Frequenz 20-25%). Hemi- und homozygote Genträger von G6PD A^- können hämolytische Krisen unter oxidativem Streß, z. B. ausgelöst durch Infektionen oder Einnahme bestimmter Medikamente, entwickeln. In afrikanischen Bevölkerungen finden sich aufgrund des X-chromosomalen Erbgangs drei polymorphe G6PD-Varianten in neun verschiedenen Genotypen: bei Männern G6PD B, A und A^-; bei Frauen die homozygoten Kombinationen G6PD B/B, G6PD A/A und G6PD A^-/A^- sowie die heterozygoten Kombinationen G6PD B/A, G6PD B/A^- und G6PD A/A^-. Die Enzymaktivität der Genotypen G6PD B/A^- und G6PD A/A^- ist, abhängig vom Zahlenverhältnis der Zellpopulationen und dem G6PD-Typ, intermediär.

Für den erythrozytären G6PD-Mangel gelang der Nachweis einer Teilresistenz gegenüber Malaria bisher nicht eindeutig, allerdings sprechen verschiedene Beobachtungen für einen solchen Zusammenhang. Die geographische Assoziation von Malaria und G6PD-Mangel wurde von Allison und Motulsky 1960 beschrieben und in vielen Studien aus verschiedenen Regionen bestätigt. G6PD-Defizienzen werden durch eine große Anzahl von verschiedenen Punktmutationen verursacht, die jeweils regional unterschiedlich in polymorphen Genfrequenzen vorkommen. Die Mutationen müssen sich daher unabhängig voneinander d

urch einen selektiven Vorteil ausgebreitet haben und sind offenbar nicht aus der selben Ursprungsvariante durch genetische Drift entstanden (Luzzatto and Mehta, 1995).

Die Gesamtbeurteilung der unterschiedlichen und teilweise gegensätzlichen Studien­ergebnisse ist aufgrund der abweichenden Studienbedingungen, besonders der unterschiedlichen Verfahren zur Identifizierung der verschiedenen G6PD-Varianten, schwierig. Die Bedeutung von G6PD als positiver selektiver Faktor hinsichtlich der Malaria scheint jedoch deutlich geringer zu sein als die von HbS. Es ist nicht gesichert, ob P. falciparum das hauptsächlich verantwortliche selektive Element für G6PD-Mangel ist oder war. Die genetische Situation für G6PD ist komplex, da mehrere unterschiedliche Alle in verschiedenen Populationen vorkommen und der Genlocus X-chromosomal gelegen ist. Daher sind mehrere unterschiedliche Selektionsmechanismen für G6PD vorstellbar: a) Selektion von Trägern defizienter G6PD-Varianten (Ruwende, et al., 1995); b) eine unterschiedliche Selektionsrate bei hemizygoten Männern und homozygoten Frauen; c) selektiver Vorteil für heterozygote Frauen (Bienzle, et al., 1972).

Zum jetzigen Zeitpunkt konkurrieren mehrere Erklärungsmodelle zur möglichen Protektion vor Malaria durch G6PD-Mangel. Zum einen wird eine direkte Schädigung der Parasiten durch oxidative Schädigung in G6PD-defizienter Erythrozyten angenommen (Clark and Hunt, 1983). Untersuchungen haben gezeigt, daß in vivo (Luzzatto, et al., 1969) und in vitro (Roth, et al., 1983) das Wachstum der Plasmodien in G6PD-defizienten Zellen vermindert ist. In anderen Studien konnte diese Wachstumsminderung gar nicht (Arese, et al., 1994) oder nur unter oxidativen Bedingungen bestätigt werden (Friedman, 1979). Weitere Experimente haben gezeigt, daß nicht die Invasion der Parasiten in die Erythrozyten, sondern die intrazelluläre Schizogonie bei G6PD-Defizienz behindert ist (Miller, et al., 1984). Dies beantwortet jedoch nicht die Frage, warum in einigen Studien heterozygote Frauen stärker vor Malaria geschützt waren als homozygot oder hemizygot Defiziente. Die Arbeitsgruppe von Luzzatto hat in verschiedenen Experimenten gezeigt, daß sich P. falciparum sich nach mehreren erythrozytären Zyklen an eine G6PD-Defizienz adaptieren kann. Bei zwei Erythrozytenpopulationen mit unterschiedlicher G6PD-Aktivität reicht dieser Mechanismus

dagegen nicht zur Adaptation der Parasiten an die wechselnden Bedingungen aus (Usanga and Luzzatto, 1985). Die Stimulation der Expression von parasiteneigener G6PD könnte für diese Adaptation verantwortlich sein, ein direkter Nachweis eines solchen Mechanismus ist aber bisher nicht gelungen (Kurdi-Haidar and Luzzatto, 1990).

Ein weitere Hypothese macht eine durch G6PD-Defizienz indirekt begünstigte Schädigung Monozyten-abhängiger Makrophagen für die Protektion gegenüber der Malaria verantwortlich. Bei G6PD-Defizienten kommt es nach dieser Hypothese relativ früh zur Aggregation von Bande-3-Proteinen an den Membranen infizierter Erythrozyten, was zu einer veränderten Antigenität und verstärkten Erkennung von Antikörpern führt. Infizierte Zellen werden daher bei G6PD-defizienten Personen früher phagozytiert als bei Personen mit ausreichender Enzymaktivität. In früher phagozytierten, häufiger Ringstadien enthaltenden, Erythrozyten sind weniger polymerisierte, unlösliche Abbauprodukte (Haemozoin, Malariapigment) angehäuft, die für Makrophagen toxisch sind und die zelluläre Immunität behindern (Turrini, et al., 1993). Danach würden G6PD-defiziente infizierte Erythrozyten früher phagozytiert und die beteiligten Makrophagen weniger durch toxisches Haemozoin geschädigt als bei G6PD-Gesunden. Zusätzlich ist die Phagozytoseeffizienz von Makrophagen von dem Vorhandensein des Reduktionsmittels NADPH abhängig. Insbesondere auf langlebende mononukleäre Phagozyten von hemizygot und homozygot, aber auch heterozygot G6PD-Defizienten könnte sich die niedrigere NADPH-Produktionskapazität auf eine niedrigere Phagozytoseaktivität auswirken. Bei der mediterranen G6PD-Defizienz konnten Anhalte für diesen Mechanismus gezeigt werden. Die verminderte Aktivität der Phagozyten wirkt sich auch auf die erhöhte Anfälligkeit für Sekundärinfektionen bei Malariaerkrankten aus.

Seit mehr als 20 Jahren ist bekannt, daß das Erythrozytenmembran-Glykoprotein, das die Duffy-Blutgruppen-Epitope Fy^a, Fy^b und Fy⁶ enthält, ein wichtiger Rezeptor von P.-knowlesi- und P.-vivax-Merozoiten ist (Miller, et al., 1975). Daher können P.-vivax-

Merozoiten nicht Duffy-negative (FyFy) Erythrozyten invadieren. Aus diesem Grund ist P. vivax in Westafrika, wo die Duffy-Blutgruppe nicht vorkommt, ebenfalls nicht verbreitet. Diese Beobachtung hat zu der Vermutung geführt, daß die AB0-Blutgruppe für die Infektion mit P.-falciparum bedeutsam sein könnte. In verschiedenen Arbeiten wurden Hinweise darauf gefunden, daß ABO-Blutgruppenantigene eine Rolle bei dem Manifestationsrisiko einer Malaria spielen. Vor kurzem wurde in einer Studie in Zimbabwe gezeigt, daß Patienten mit Blutgruppe A ein signifikant höheres Risiko für schwere Malaria hatten (Fischer and Boone, 1998).