Effects of Plasmodium falciparum infections of the placenta of primigravid mothers on the development of an immune response in newborns

Hintergrund: Plasmodium falciparum Malaria stellt eines der größten Gesundheitsprobleme der tropischen Breiten dar. Gegenwärtige präventive und therapeutische Maßnahmen sind nach wie vor nur bedingt effektiv, was auf den komplizierten Entwicklungszyklus des Malariaerregers, sowie dessen rasche Resistenzbildung gegenüber Therapeutika zurückzuführen ist. Die Suche nach potenten Impfstoffen und resistenzsicheren Medikamenten ist deshalb von höchster Priorität. Immunologische Datenerhebung trägt dabei eine hervorgehobene Rolle innerhalb der Malariaforschung und liefert wichtige Beiträge zum Verständnis pathologischer Vorgänge einer Plasmodieninfektion. Ziel: Die Krankheitsschwere während einer Malariainfektion ist in starkem Maße vom Immunstatus des Patienten abhängig. Selbst unter Patienten in Malariaendemiegebieten treten Schwankungen in der Immunabwehr gegenüber P. falciparum auf. Es ist bekannt, dass Malariaerkrankungen in der Schwangerschaft, sowie die Anzahl von Schwangerschaften, Auswirkungen auf den Immunstatus innerhalb der Plazenta und damit des Ungeborenen, sowie später auf das Infektionsrisiko während der Neugeborenen- und Kleinkindphase haben. Diese Arbeit befasst sich mit den Veränderungen der zellulären (T-Helferzellen) und humoralen (Zytokine IL-10, IL-12 und INF-gamma) Immunmechanismen Neugeborener. Anhand auftretender Zytokinmuster nach in vitro Stimulation von Immunzellen Neugeborener konnten Rückschlüsse auf die Ausbildung der Immunabwehr während der Ungeborenenphase unter Beeinflussung einer Malariainfektion des mütterlichen Organismus gezogen werden. Methoden: Nabelschnurblut von Neugeborenen primigravider Mütter im Hôpital Albert Schweitzer in Lambaréné, Gabun, einer ganzjährigen für P. falciparum endemischen Region, wurde kurz nach der Entbindung entnommen. Mononukleäre Zellen wurden isoliert und unter Einfluss verschiedener Stimulantien – PHA (Mitogen), PPD (Recall-Antigen), Schizontenantigen (endemische Isolate) – kultiviert. Nach Kultivierung wurden die Konzentrationen von gebildeten Zytokinen IL-10, IL-12 und INF-gamma in den Kulturüberständen mittels ELISA gemessen. Die ermittelten Zytokinmuster wurden dann verglichen zwischen Zellen Neugeborener, deren Mütter nie (KI), oder während der Schwangerschaft (IS), oder zur Zeit der Geburt (IG) mit Malaria infiziert waren. Ergebnisse: Hohe IL-10 Konzentrationen wurden nach Simulation mit Schizontenantigen in der KI- und IG-Gruppe gemessen. PPD löste nur eine geringe Produktion von IL-10 in jeder der drei Gruppen aus. IL-12 Konzentrationen waren gering in der IG-Gruppe für jedes der Stimulantien, während IL-12 durchweg höchste Konzentrationen in der SI-Gruppe erzielte. Hohe INF-gamma-Konzentrationen konnten nach Schizontenantigenstimulation in der KI- und IG-Gruppe beobachtet werden. Zusätzlich zeigten Zellen der IG-Gruppe eine gesteigerte INF-gamma-Produktion nach PPD-Stimulation. Nach Korrelation der einzelnen Zytokinlevel stellte sich eine kombinierte IL-10- und INF-gamma-Antwort für Zellen der SI- und KI-Gruppe nach Stimulation mit Schizontenantigen dar. Für die KI-Gruppe ergab sich zudem ein deutlicher Zusammenhang zwischen Anstiegen in IL-10- und IL-12-Konzentrationen unter Schizontenantigeneinfluss. Schlussfolgerung: Es konnte eine eindeutige Beeinflussung neonataler Immunzellen durch in utero eingetretene Plasmodieninfektionen nachgewiesen werden. Immunzellen Neugeborener, die einer plazentaren Infektion ausgesetzt waren, demonstrieren eine stärker IL-12-gewichtete Immunantwort, und damit die Fähigkeit zur Ausbildung eines plasmodienspezifischen Immungedächtnisses im neonatalen Organismus. Dagegen unterbindet eine Plasmodieninfektion am Ende der Schwangerschaft die Ausbildung dieser spezifischen Gedächtnisfunktion durch Unterdrückung einer IL-12-geprägten Immunantwort im Neugeborenen zugunsten einer weniger spezifischen IL-10-geprägten proinflammatorischen Antwort. Dieses veränderte Immungedächtnis solcher Neugeborener zugunsten eines eher plasmodienfreundlichen Immunmilieus scheint zu dem beobachteten höheren Infektionsrisiko dieser Kinder während der ersten Lebensmonate bereits an Malaria zu erkranken beizutragen.Background: Plasmodium falciparum malaria remains one of the biggest health problems in tropical regions. Current preventive and therapeutic measures are only partially effective given the parasite’s complicated life cycle and its ability to develop resistance to antimalarial drugs over relatively short times. Therefore, the search for more potent vaccines and stable drugs has become a high priority over the past years. Immunologic data collection is an important tool within current malaria research and can provide insight in the pathologic mechanisms during a plasmodium infection. Objective: The severity of a malaria infection strongly depends on a patient’s immunologic state. Even among patients in malaria endemic regions changes within their immune defense against P. falciparum over time can be observed. It is known that malaria infections during pregnancy, as well as the number of pregnancies, affect the immunologic state of the placenta, and therefore the unborn child, and increase the risk of infections with malaria during the neonatal period and infancy. This work focuses on the modulation of the cellular (T-helper cell) and humoral (cytokines IL-10, IL-12, INF-gamma) immune defense of newborns. By analyzing cytokine patterns after in vitro stimulation of neonatal immune cells it was possible to gain insight in the development of the prenatal immune system during a malaria infection of the maternal placenta. Methods: Neonatal cord blood cells were collected from newborns of primigravid mothers at the Hôpital Albert Schweitzer in Lambaréné, Gabon, a year-round P. falciparum endemic region. Cord blood was obtained shortly after delivery of the placenta. Mononuclear cells were isolated and then cultivated under exposure to certain stimulants: PHA (Mitogen), PPD (recall antigen), schizont antigens (endemic isolates). After cultivation, cytokine concentrations of IL-10, IL-12, and INF-gamma were measured in the supernatants by ELISA. Cytokine patterns were compared among cells from newborns born to mothers without malaria infection (KI), infection during pregnancy (IS), or infection at time of delivery (IG). Results: High IL-10 concentrations could be measured in the KI- and IG- group after stimulation with schizont antigen. PPD triggered only small IL-10 responses in any of the groups. IL-12 concentrations were low in the IG-group for each of the stimulants, however, reached high concentrations in the IS-group. Similarly, high INF-gamma concentrations could be observed in the KI- and IG- group after stimulation with schizont antigen. Additionally, cells of the IG-group also showed an increased INF-gamma production after PPD stimulation. After correlation of the obtained cytokine levels a combined response of IL-10 and INF-gamma could be observed among cells of the SI- and KI-group after schizont antigen stimulation. In addition, a strong correlation of increased production of IL-10 and IL-12 was found in cells of the KI-group after exposure to schizont antigen. Conclusion: There was a strong impact on neonatal immune cells through in utero exposure to plasmodium placenta infection. Exposed neonatal cells showed a stronger IL-12 mediated immune response and gained the ability to form a plasmodium specific immune memory that could be activated later. In contrast, plasmodium infection at the end of pregnancy seemed to inhibit the formation of a specific immune memory through suppression of an IL-12 mediated response, instead favoring a less specific IL-10 mediated proinflammatory response. This modulation of the immune memory in these newborns towards a more plasmodium susceptible immune milieu seems to contribute to the observed increased malaria infection risk of these children during infancy