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Genetic markers associated with dihydroartemisinin–piperaquine failure in Plasmodium falciparum malaria in Cambodia: a genotype–phenotype association study - 18/04/17

Doi : 10.1016/S1473-3099(16)30409-1 
Roberto Amato, DrPhD a, b, , Pharath Lim, MD c, d, Olivo Miotto, PhD a, b, e, Chanaki Amaratunga, PhD c, Dalin Dek, MSc d, Richard D Pearson, PhD a, b, Jacob Almagro-Garcia, MSc a, b, Aaron T Neal, PhD c, Sokunthea Sreng d, Seila Suon, MD d, Eleanor Drury, BSc[Hons] a, Dushyanth Jyothi, MPhil a, Jim Stalker, MA a, Dominic P Kwiatkowski, FRCP a, b, Rick M Fairhurst, DrMD c,
a Wellcome Trust Sanger Institute, Hinxton, UK 
b Centre for Genomics and Global Health, Wellcome Trust Centre for Human Genetics, Oxford, UK 
c National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, Rockville, MD, USA 
d National Center for Parasitology, Entomology, and Malaria Control, Phnom Penh, Cambodia 
e Mahidol-Oxford Tropical Medicine Research Unit, Mahidol University, Bangkok, Thailand 

*Correspondence to: Dr Rick M Fairhurst, Laboratory of Malaria and Vector Research, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, 12735 Twinbrook Parkway, Room 3E-10A, Rockville, MD 20852, USALaboratory of Malaria and Vector ResearchNational Institute of Allergy and Infectious DiseasesNational Institutes of Health12735 Twinbrook ParkwayRoom 3E-10ARockvilleMD20852USA**Dr Roberto Amato, Wellcome Trust Sanger Institute, Wellcome Genome Campus, Hinxton, Cambridge, UKDr Roberto AmatoWellcome Trust Sanger InstituteWellcome Genome CampusHinxtonCambridgeUK

Summary

Background

As the prevalence of artemisinin-resistant Plasmodium falciparum malaria increases in the Greater Mekong subregion, emerging resistance to partner drugs in artemisinin combination therapies seriously threatens global efforts to treat and eliminate this disease. Molecular markers that predict failure of artemisinin combination therapy are urgently needed to monitor the spread of partner drug resistance, and to recommend alternative treatments in southeast Asia and beyond.

Methods

We did a genome-wide association study of 297 P falciparum isolates from Cambodia to investigate the relationship of 11 630 exonic single-nucleotide polymorphisms (SNPs) and 43 copy number variations (CNVs) with in-vitro piperaquine 50% inhibitory concentrations (IC50s), and tested whether these genetic variants are markers of treatment failure with dihydroartemisinin–piperaquine. We then did a survival analysis of 133 patients to determine whether candidate molecular markers predicted parasite recrudescence following dihydroartemisinin–piperaquine treatment.

Findings

Piperaquine IC50s increased significantly from 2011 to 2013 in three Cambodian provinces (2011 vs 2013 median IC50s: 20·0 nmol/L [IQR 13·7–29·0] vs 39·2 nmol/L [32·8–48·1] for Ratanakiri, 19·3 nmol/L [15·1–26·2] vs 66·2 nmol/L [49·9–83·0] for Preah Vihear, and 19·6 nmol/L [11·9–33·9] vs 81·1 nmol/L [61·3–113·1] for Pursat; all p≤10−3; Kruskal-Wallis test). Genome-wide analysis of SNPs identified a chromosome 13 region that associates with raised piperaquine IC50s. A non-synonymous SNP (encoding a Glu415Gly substitution) in this region, within a gene encoding an exonuclease, associates with parasite recrudescence following dihydroartemisinin–piperaquine treatment. Genome-wide analysis of CNVs revealed that a single copy of the mdr1 gene on chromosome 5 and a novel amplification of the plasmepsin 2 and plasmepsin 3 genes on chromosome 14 also associate with raised piperaquine IC50s. After adjusting for covariates, both exo-E415G and plasmepsin 2–3 markers significantly associate (p=3·0 × 10−8 and p=1·7 × 10−7, respectively) with decreased treatment efficacy (survival rates 0·38 [95% CI 0·25–0·51] and 0·41 [0·28–0·53], respectively).

Interpretation

The exo-E415G SNP and plasmepsin 2–3 amplification are markers of piperaquine resistance and dihydroartemisinin–piperaquine failures in Cambodia, and can help monitor the spread of these phenotypes into other countries of the Greater Mekong subregion, and elucidate the mechanism of piperaquine resistance. Since plasmepsins are involved in the parasite’s haemoglobin-to-haemozoin conversion pathway, targeted by related antimalarials, plasmepsin 2–3 amplification probably mediates piperaquine resistance.

Funding

Intramural Research Program of the US National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, Wellcome Trust, Bill & Melinda Gates Foundation, Medical Research Council, and UK Department for International Development.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

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© 2017  The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an Open Access article under the CC BY license. Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
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Vol 17 - N° 2

P. 164-173 - février 2017 Retour au numéro
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