Mosquito’s die drager zijn van de dodelijke malariaparasiet vliegen al duizenden jaren naast de mens, en de ziekte komt al voor in gedocumenteerde verslagen van 2700 v. Chr. Malaria teistert de mens nog steeds, en veroorzaakt honderdduizenden doden per jaar.
Malaria wordt veroorzaakt door de parasiet Plasmodium, een eencellig organisme dat meerdere levensstadia kent en meer dan één gastheer nodig heeft om te overleven. Vijf soorten van de parasiet veroorzaken ziekte bij de mens – Plasmodium falciparum, P. vivax, P. ovale, P. malariae, en P. knowlelsi. Plasmodium falciparum is de gevaarlijkste stam bij de mens en het doelwit van het meeste wetenschappelijk onderzoek van vandaag. In 2002 slaagden wetenschappers erin het genoom van P. falciparum te sequencen, waardoor zij grote vooruitgang konden boeken bij het beter begrijpen van manieren om het te bestrijden.
De naam malaria komt van mal’aria, wat Italiaans is voor “slechte lucht”. Vóór de ontwikkeling van de kiemtheorie aan het eind van de 19e eeuw dachten veel mensen dat de ziekte werd overgebracht via miasma’s, of besmette lucht. In 1897 ontdekte de Britse arts Ronald Ross dat muggen de vectoren waren die de ziekte overbrengen. Wetenschappers ontdekten vervolgens dat alleen de vrouwelijke Anopheles-mug de parasiet overdraagt (mannetjes voeden zich niet met bloed). De vrouwtjes van 60 verschillende soorten Anopheles-muggen kunnen als malariavector fungeren.
Meer dan de helft van de wereldbevolking leeft in gebieden die kwetsbaar zijn voor malaria, met gedocumenteerde gevallen in meer dan 109 landen en de hoogste mortaliteit (ongeveer 89% van alle sterfgevallen) doet zich voor in Afrika. De parasiet infecteert ongeveer 220 miljoen mensen per jaar. Bovendien lopen kinderen jonger dan vijf jaar, zwangere vrouwen en mensen met HIV/AIDS het grootste risico op ernstige ziekte en overlijden.
Malaria’s lange geschiedenis omvat vele historische pogingen om het te verslaan. Kinine, een stof die wordt gewonnen uit de bast van de kinaboom, is al sinds de jaren 1600 bekend als een effectief middel tegen malaria. Nadat men de rol van muggen bij de overdracht van malaria had begrepen, richtten wetenschappers zich op de beheersing van de vectoren. Zij veronderstelden dat zij, door de vector te doden, de besmettingscyclus konden stoppen. Bijgevolg kwamen DDT en andere insecticiden in het midden van de jaren 1900 in zwang en zij zijn sindsdien altijd gebruikt. Bednetten om slapende mensen te beschermen tegen muggenbeten zijn een andere vorm van vectorcontrole die niet alleen effectief is, maar ook uiterst kosteneffectief. Tenslotte heeft de ontwikkeling van verschillende medicijnen tegen malaria de kijk van reizigers op malaria-endemische landen en het risico van reizen in het algemeen veranderd. In feite, en waarschijnlijk als gevolg van alle bovengenoemde maatregelen, daalde het geschatte aantal sterfgevallen door malaria met 13%, van 755.000 in 2000 tot 655.000 in 2010. Gevallen van de ziekte daalden ook, hoewel minder dramatisch, van 223 miljoen in 2000 tot ongeveer 216 miljoen in 2010.
Waarom blijft malaria, met al deze ontwikkelingen, een probleem? Het ontstaan van resistentie tegen geneesmiddelen en insecticiden is een groot probleem. De malariaparasiet overleeft al meer dan 50.000 jaar, en natuurlijke selectie begunstigt stammen van het organisme met mutaties die hen helpen zich aan bedreigingen te onttrekken. Vandaag de dag zien we steeds meer geneesmiddelenresistente parasieten en insecticideresistente muggen. Wereldwijde inspanningen zijn aan de gang in het volgende tijdperk van malariapreventie: de ontwikkeling van malariavaccins die het potentieel hebben om talloze levens te redden en die uiteindelijk zouden kunnen helpen deze historische benarde situatie uit te roeien.
De levenscyclus van Plasmodium
Malaria is anders dan enige andere infectieziekte waarvoor we al een succesvol vaccin hebben gemaakt. Het meest opvallende verschil is dat malaria wordt overgedragen via een parasiet die meerdere levensstadia doorloopt, die elk een unieke uitdaging vormen voor de ontwikkelaars van vaccins. De drie stadia in de levenscyclus van Plasmodium kunnen in twee verschillende categorieën worden onderverdeeld – in de eerste twee ondergaat de parasiet ongeslachtelijke voortplanting in het lichaam van de gastheer, en in het derde ondergaat hij seksuele voortplanting in de darm van de vector van de mug. Omdat de parasiet zich zowel ongeslachtelijk als seksueel kan voortplanten, heeft hij vele voordelen boven de virussen en bacteriën waartegen wij momenteel vaccineren.
De drie stadia van de levenscyclus van Plasmodium zijn (1) het pre-erytrocytische stadium, beter bekend als het leverstadium, of het stadium voordat de parasiet de menselijke rode bloedcellen infecteert, (2) het erytrocytische stadium, of het bloedstadium wanneer de parasiet de rode bloedcellen infecteert, en (3) het seksuele stadium, het stadium waarin de parasiet is opgenomen door een mug en zich seksueel voortplant in de darm van de mug.
Het is belangrijk te onthouden dat elk levensstadium voorkomt in een ander deel van de besmette mens of vector. Ten eerste, wanneer een met Plasmodium geïnfecteerde mug een menselijke gastheer bijt, gaat de parasiet rechtstreeks naar de lever. Ten tweede, wanneer de parasiet in de lever is gerijpt, komt hij in de bloedbaan terecht en dringt de bloedcellen binnen. Tenslotte, wanneer hij klaar is om de volgende gastheer te infecteren, zal hij worden opgezogen door een andere vrouwelijke Anopheles-mug en zich geslachtelijk voortplanten in de darm van de mug.
Voordat we in detail ingaan op hoe een vaccin malaria zou kunnen voorkomen, is het nuttig om de stadia van de levenscyclus van de parasiet te bekijken. De eerste vorm staat bekend als de sporozoiet (uitgesproken als spore-o-zo-iet). Wanneer een mug die de malariaparasiet bevat een persoon bijt, komt de parasiet het lichaam van de mens binnen als sporozoiet. Zodra de sporozoiet de lever bereikt, infecteert hij snel de levercellen en gaat door meerdere rondes van ongeslachtelijke voortplanting om merozoieten (uitgesproken als mer-o-zo-ieten) te produceren. Al deze ontwikkelingen vormen het pre-erytrocytaire stadium van de levenscyclus van de parasiet. Eén sporozoiet kan zich ongeslachtelijk vermeerderen tot 40.000 merozoieten, een groot genoeg aantal om het vermogen van het immuunsysteem om de parasiet onder controle te houden ernstig op de proef te stellen.
Het erytrocytische stadium is het volgende stadium, dat optreedt zodra de merozoieten de levercellen verlaten en in de bloedbaan terechtkomen. Hier infecteert een merozoiet een rode bloedcel en begint zich ongeslachtelijk voort te planten en honderden nieuwe merozoieten vrij te laten. Dit is het stadium waarin een persoon symptomen begint te vertonen zoals periodieke malaria-koorts. De symptomen zijn het gevolg van het openbarsten van de rode bloedcellen, en daarom treden de symptomen vaak periodiek op – wanneer de parasiet zich in de rode bloedcel aan het vermenigvuldigen is, zal de koorts dalen en de patiënt zal lijken te verbeteren, maar zal opnieuw beginnen wanneer de merozoieten vrijkomen.
In het derde stadium, of het seksuele stadium, zullen enkele met merozoieten geïnfecteerde bloedcellen ophouden zich ongeslachtelijk voort te planten en in plaats daarvan uitgroeien tot seksuele vormen van de parasieten – bekend als mannelijke en vrouwelijke gametocyten (uitgesproken als gam-eat-o-cytes). Onder een microscoop zijn de gametocyten van P. falciparum te onderscheiden door hun unieke banaanvorm. Wanneer een Anopheles-mug een malariamug bijt, neemt hij de gametocyten samen met het bloed op. Deze gametocyten kunnen zich verder geslachtelijk voortplanten in de darm van de mug, zich ontwikkelen tot volgroeide geslachtscellen of gameten, en uiteindelijk samensmelten als ze langs de wand van de darm van de mug omhoog bewegen om een oocyst te worden. De oöcyst groeit, deelt zich en barst uiteindelijk en produceert duizenden haploïde sporozoieten, die naar de speekselklieren van de mug reizen om bij de volgende bloedmaaltijd van de mug geïnjecteerd te worden in het volgende individu. (De sporozoiet is de vorm van de parasiet die de lever infecteert). Zo is de levenscyclus van de parasiet rond, waardoor malaria zich kan blijven verspreiden en mensen over de hele wereld kan infecteren.
Een Malaria Vaccin: An Immunological Approach Against the Parasite
De gecompliceerde levenscyclus van Plasmodium vormt een uitdaging voor de ontwikkeling van malariavaccins. Onderzoekers moeten bepalen op welke levensfase van de parasiet ze zich moeten richten, of dat het vaccin elementen moet combineren die zich op meer dan één levensfase richten. Recente bevindingen geven ons echter reden tot optimisme over de mogelijkheid van een effectief malariavaccin.
Malaria verschilt een beetje van veel van de ziekten waarvoor we momenteel vaccineren, omdat het geen zogenaamde steriele immuniteit verleent. Dit betekent dat als je ziek wordt van malaria en herstelt, je steeds opnieuw besmet kunt worden. Het feit dat uw immuunsysteem in het verleden op malaria heeft gereageerd, zal een toekomstige besmetting niet voorkomen. Dit is heel anders dan bij een ziekte als mazelen: de meeste mensen die mazelen oplopen, zijn levenslang immuun voor toekomstige besmetting met mazelen. Voor malaria zijn er aanwijzingen voor een zekere mate van natuurlijk verworven immuniteit – iemand die in het verleden malaria heeft gehad, kan het nog steeds opnieuw krijgen, maar dan waarschijnlijk in een minder ernstig geval. In veel Afrikaanse landen waar malaria veel voorkomt, ondervinden de meeste mensen die opnieuw met malaria worden geïnfecteerd slechts milde symptomen als gevolg van deze gedeeltelijk verworven immuniteit. Dit is ook de reden dat malaria zo dodelijk is voor kinderen jonger dan vijf jaar. Deze kinderen hebben nog geen enkele mate van immuniteit tegen de parasiet verworven, en zij lopen veel meer kans op een ernstig geval dat tot fatale complicaties kan leiden. Dit is ook de reden dat buitenlanders die nog nooit malaria hebben gehad, zeer voorzichtig moeten zijn – zij kunnen een zeer ernstig geval krijgen wanneer zij voor het eerst worden besmet. Ten slotte duurt de van nature verworven gedeeltelijke immuniteit niet lang. Wanneer iemand zijn hele leven in Afrika heeft gewoond en zelfs maar voor een jaar vertrekt, zal hij deze gedeeltelijke immuniteit verliezen en weer net zo kwetsbaar voor malaria worden als iemand die nooit besmet is geweest. Eén benadering van de ontwikkeling van een malariavaccin zou dus zijn om het mechanisme van gedeeltelijke immuniteit te begrijpen en een vaccin te ontwikkelen dat op dat principe is gebaseerd.
Een andere weg die malariavaccinonderzoekers een richting heeft gegeven, is het concept van immuniseren met een levende verzwakte hele parasiet in zijn sporozoietvorm. Steun voor dit idee kwam in 1967 in een studie waarin Nussenzweig et al. muizen immuniseerden met door straling verzwakte Plasmodium berghei (een niet-menselijke vorm van malaria) sporozoieten en zagen dat de muizen beschermd waren bij een latere uitdaging met besmettelijke sporozoieten.
Ter aanpassing van dit idee aan de mens in 2002, toonden Hoffman et al. aan dat zij gammastraling konden gebruiken om de sporozoieten in geïnfecteerde Anopheles-muggen te verzwakken, en zo mensen bijna volledig te beschermen. Mensen werden blootgesteld aan de beten van besmette muggen, die de bestraalde sporozoieten in de proefpersonen injecteerden. De sporozoieten konden zich naar de levercellen verplaatsen, maar konden niet verder rijpen. Deze verzwakte sporozoieten konden nog steeds een immuunrespons opwekken bij de menselijke gastheer, maar omdat zij zich niet verder konden ontwikkelen dan de lever, werd de gastheer niet ziek. Het gevolg was dat de volgende keer dat een besmette mug een bloedmaaltijd nam van de geïmmuniseerde persoon en de persoon injecteerde met Plasmodium sporozoieten, het immuunsysteem de bedreiging zou herkennen en de parasiet zou elimineren voordat deze ziekte zou veroorzaken.
Deze bestralingsaanpak had twee grote gebreken: hij was niet kosteneffectief en niet praktisch op grote schaal. Niettemin diende het als een principebewijs, dat wetenschappers hoop gaf voor de toekomst en hielp om veel onderzoek op dit gebied te stimuleren.
Huidig onderzoek
Wetenschappers hebben voortgebouwd op wat in de studie van 2002 werd geleerd om veel potentiële malariavaccins te ontwikkelen. In plaats van te proberen een levend verzwakt vaccin te maken, gebruiken de meeste wetenschappers tegenwoordig technologieën om specifieke antigenen in een vaccin te isoleren en af te leveren. En omdat de parasiet drie verschillende levensstadia heeft, worden er drie verschillende benaderingen van vaccins onderzocht.
Pre-erythrocytische vaccins zijn gericht op de infectieuze fase en hebben tot doel ofwel te voorkomen dat de sporozoieten in de levercellen terechtkomen, ofwel geïnfecteerde levercellen te vernietigen. De belangrijkste uitdaging voor een pre-erytrocytisch vaccin is het tijdsbestek: sporozoieten bereiken de lever minder dan een uur nadat ze door de mug zijn geïnjecteerd. Als gevolg daarvan heeft het immuunsysteem slechts een beperkte tijd om de parasiet te elimineren. Hoewel de meeste potentiële pre-erytrocytaire vaccins zich nog in fase I of fase II proeven bevinden, is er één vaccin dat zich momenteel in fase III proeven bevindt en veelbelovend is: het RTS,S vaccin. (Merk op dat fase I-studies de veiligheid evalueren, fase II-studies de dosering, en fase III-studies de algemene werkzaamheid. )
Om het RTS,S-vaccin te ontwikkelen, identificeerden de ontwikkelaars het eiwit dat het meest verantwoordelijk was voor bescherming in de bestraalde sporozoietproef uit 2002. Dit antigeen staat bekend als het circumsporozoite-eiwit, of CS-eiwit. Hoewel dit antigeen bescherming biedt, is het op zichzelf niet erg immunogeen, wat betekent dat het niet goed is in het stimuleren van een immuunrespons. Daarom hebben wetenschappers het Hepatitis B-oppervlakte-antigeen (het antigeen dat verantwoordelijk is voor de bescherming in het Hepatitis B-vaccin) samengesmolten met een antigeen van het CS-eiwit. Om het immuunsysteem nog verder te stimuleren, gebruikten de wetenschappers een verbinding die een adjuvans wordt genoemd en die de reactie van het immuunsysteem op het antigeen versterkt. Het doel is hoge niveaus van antilichamen op te wekken om zowel het binnendringen van de sporozoieten in de levercellen te blokkeren als specifieke geïnfecteerde cellen te markeren voor vernietiging.
Het RTS,S-vaccin is getest in fase III-proeven in 11 verschillende Afrikaanse landen. Deze proeven hebben enkele successen opgeleverd. De vroegste resultaten, vrijgegeven in oktober 2011, toonden aan dat bij kinderen van 5-17 maanden, vaccinatie met RTS,S het risico op klinische malaria en ernstige malaria met respectievelijk 56% en 47% verminderde. Uit de resultaten die in november 2012 bekend werden gemaakt, bleek echter dat het vaccin minder effectief was bij zuigelingen van 6-12 weken bij de eerste vaccinatie. In die groep leidde vaccinatie met RTS,S tot een derde minder episodes van zowel klinische als ernstige malaria. Eindresultaten van de proef, die jonge kinderen ongeveer drie jaar volgde, toonden een vermindering van klinische malariagevallen met 26% voor de jongste kinderen tot 36% voor kinderen tot de leeftijd van 17 maanden bij de eerste vaccinatie. In juli 2015 heeft het Europees Geneesmiddelenbureau aanbevolen om het vaccin een vergunning te geven voor gebruik bij jonge kinderen in Afrika; de Wereldgezondheidsorganisatie beraadt zich op de aanbeveling over het vaccin. In de tussentijd heeft een adviesgroep van de WHO een proefimplementatie van het vaccin in 3-5 Afrikaanse landen bezuiden de Sahara aanbevolen. De belangrijkste ontwikkelaar van RTS,S, het Malaria Vaccine Initiative, een non-profit gevestigd in Seattle, Washington, hoopt een nog beter vaccin te ontwikkelen dat tegen 2025 voor 80% effectief is.
Er zijn verschillende andere pre-erytrocytaire vaccins in proeven, maar geen enkele heeft de belofte of het succes van RTS,S laten zien. Wetenschappers werken aan verbetering van de werkzaamheid van het RTS,S-vaccin om het voor meer dan 50% effectief te maken door gebruik te maken van prime boost-technologie, adjuvantia en optimalisering van het antigeen.
Erytrocytaire vaccins, of bloedstadiumvaccins, zijn bedoeld om de snelle invasie en ongeslachtelijke voortplanting van de parasiet in de rode bloedcellen te stoppen. Het bloedstadium is het moment waarop de symptomen verschijnen en is ook het meest destructief voor de patiënt vanwege het barsten van de rode bloedcellen. Vanwege het enorme aantal merozoieten dat in dit stadium wordt geproduceerd – per geïnfecteerde levercel komen 40.000 merozoieten vrij – kan een bloedstadiumvaccin er alleen op gericht zijn het aantal merozoieten dat de rode bloedcellen infecteert te verminderen en niet hun replicatie volledig te blokkeren. Momenteel zijn er geen bloedstadiumvaccins die het succes van het RTS,S-vaccin hebben gehad en de meeste ondergaan nog fase I- of II-proeven.
Ten slotte richt een ander type vaccin zich op het stadium van de geslachtelijke voortplanting dat in de darm van de mug plaatsvindt. Deze benadering staat bekend als een transmissieblokkerend vaccin (TBV), omdat het gericht is op het doden van de vector, de Anopheles-mug, om verdere verspreiding van de parasiet tegen te gaan. Dit is een indirecte benadering van een vaccin, omdat het een individu dat de parasiet krijgt niet direct beschermt, maar wel de verdere verspreiding stopt.
Een kandidaat-vaccin tegen TBV is het Pfs25-EPA dat wordt ontwikkeld door het laboratorium voor malaria-immunologie en -virologie van het Amerikaanse National Institute of Allergy and Infectious Diseases en het Johns Hopkins University Center for Vaccine Research. Het idee achter dit vaccin is dat als het lichaam antilichamen kan ontwikkelen tegen het Pfs25-antigeen, een mug die een bloedmaaltijd neemt, een deel van deze antilichamen zal opnemen in zijn maag. Daar zullen de antilichamen op het antigeen stuiten, waardoor zij de ontwikkeling kunnen verstoren en de parasiet doden.
Tot slot denken veel wetenschappers dat de volgende stap is om meerdere benaderingen te combineren om een malariavaccin te ontwikkelen. Maar deze individuele fasevaccins moeten op zichzelf werkzaam blijken voordat wetenschappers een vaccin kunnen ontwikkelen waarin benaderingen worden gecombineerd. Bovendien is de grootste uitdaging waarvoor wetenschappers in de toekomst zullen komen te staan dat er geen bekende correlaten voor immuniteit zijn, hetgeen betekent dat er geen andere methode is dan kostbare klinische proeven op mensen om de werkzaamheid van een vaccin aan te tonen. Hoewel er dus grote vooruitgang is geboekt, zal de ontwikkeling van malariavaccins een kostbare en multidimensionale inspanning blijven.