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Malaria outbreak in Laos driven by a selective sweep for Plasmodium falciparum kelch13 R539T mutants: a genetic epidemiology analysis - 20/04/23

Doi : 10.1016/S1473-3099(22)00697-1 
Varanya Wasakul, PhD a, Areeya Disratthakit, PhD a, Mayfong Mayxay, ProfPhD b, c, d, Keobouphaphone Chindavongsa, MD e, Viengphone Sengsavath, MD e, Nguyen Thuy-Nhien, PhD f, Richard D Pearson, PhD g, Sonexay Phalivong, MSc b, Saiamphone Xayvanghang, BSc b, Richard J Maude, ProfMD a, d, h, Sónia Gonçalves, PhD g, Nicholas P Day, ProfFMedSci a, d, Paul N Newton, ProfFRCP b, d, Elizabeth A Ashley, ProfFRCP b, d, Dominic P Kwiatkowski, ProfFRCPCH g, Arjen M Dondorp, ProfFMedSci a, d, Olivo Miotto, PhD a, d, g,
a Mahidol-Oxford Tropical Medicine Research Unit, Faculty of Tropical Medicine, Mahidol University, Bangkok, Thailand 
b Lao-Oxford-Mahosot Hospital-Wellcome Trust Research Unit, Microbiology Laboratory, Mahosot Hospital, Vientiane, Laos 
c Institute of Research and Education Development, University of Health Sciences, Ministry of Health, Vientiane, Laos 
d Centre for Tropical Medicine and Global Health, Nuffield Department of Medicine, Oxford University, Oxford, UK 
e Centre for Malariology, Parasitology, and Entomology, Vientiane, Laos 
f Oxford University Clinical Research Unit, Ho Chi Minh City, Viet Nam 
g Wellcome Sanger Institute, Hinxton, UK 
h Harvard TH Chan School of Public Health, Harvard University, Boston, MA, USA 

* Correspondence to: Dr Olivo Miotto, Mahidol-Oxford Tropical Medicine Research Unit, Faculty of Tropical Medicine, Mahidol University, Bangkok 10400, Thailand Mahidol-Oxford Tropical Medicine Research Unit Faculty of Tropical Medicine Mahidol University Bangkok 10400 Thailand

Summary

Background

Malaria outbreaks are important public health concerns that can cause resurgence in endemic regions approaching elimination. We investigated a Plasmodium falciparum outbreak in Attapeu Province, Laos, during the 2020–21 malaria season, using genomic epidemiology methods to elucidate parasite population dynamics and identify its causes.

Methods

In this genetic analysis, 2164 P falciparum dried blood spot samples were collected from southern Laos between Jan 1, 2017, and April 1, 2021, which included 249 collected during the Attapeu outbreak between April 1, 2020, and April 1, 2021, by routine surveillance. Genetic barcodes obtained from these samples were used to investigate epidemiological changes underpinning the outbreak, estimate population diversity, and analyse population structure. Whole-genome sequencing data from additional historical samples were used to reconstruct the ancestry of outbreak strains using identity-by-descent analyses.

Findings

The outbreak parasite populations were characterised by unprecedented loss of genetic diversity, primarily caused by rapid clonal expansion of a multidrug-resistant strain (LAA1) carrying the kelch13 Arg539Thr (R539T) mutation. LAA1 replaced kelch13 Cys580Tyr (C580Y) mutants resistant to dihydroartemisinin–piperaquine (KEL1/PLA1) as the dominant strain. LAA1 inherited 58·8% of its genome from a strain circulating in Cambodia in 2008. A secondary outbreak strain (LAA2) carried the kelch13 C580Y allele, and a genome that is essentially identical to a Cambodian parasite from 2009. A third, low-frequency strain (LAA7) was a recombinant of KEL1/PLA1 with a kelch13 R539T mutant.

Interpretation

These results strongly suggest that the outbreak was driven by a selective sweep, possibly associated with multidrug-resistant phenotypes of the outbreak strains. Established resistant populations can circulate at low frequencies for years before suddenly overwhelming dominant strains when the conditions for selection become favourable—eg, when front-line therapies change. Genetic surveillance can support elimination by characterising key properties of outbreaks such as population diversity, drug resistance marker prevalence, and the origins of outbreak strains.

Funding

Bill & Melinda Gates Foundation; The Global Fund to Fight AIDS, Tuberculosis and Malaria; Wellcome Trust.

Translation

For the Lao translation of the abstract see Supplementary Materials section.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Plan


© 2023  The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an Open Access article under the CC BY 4.0 license. Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
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Vol 23 - N° 5

P. 568-577 - mai 2023 Retour au numéro
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