Introduction to new DFG-funded Project (2009, updated 2016)

Can Onchocerciasis Be Eradicated?  “COBE”

Epidemiological, entomological and parasitological studies in a bovine model in Cameroon

A. Renz (Coordinator) D. Achukwi, N. Brattig, A. Streit, N. Ngoufo

Since 1976, we have been studying the epidemiology of onchocerciasis (riverblindness) in North-Cameroon.

That was long before ivermectin mass-treatments of the village populations in hyperendemic regions had started. For this, we collected entomological, parasitological and ophthalmological data in the Sudan-savannah area where riverblindness was highly endemic.

Much to our surprise, the hyper-endemicity of blinding onchocerciasis in the Sudan-savanna villages was very different from the epidemiological situation on the Adamaoua plateau only 200 km to the South-West. There we found out,  that the high cattle stocking density protects the human population by zooprophylaxis and cross-reactive premunition. This effect is caused by a cattle filaria, Onchocerca ochengi, which is highly prevalent in the local Zebu cattle and is a very close relative of O. volvulus. Both filariae  share the same vector flies, namely Simulium damnosum s.l. (blackflies, “Kriebelmücken”). This cattle filaria proved to be an excellent experimental model for studies of the biology, immunology, chemotherapy and vaccination experiments.

An own herd of now almost 60 cattle has been exposed since birth to natural transmission on a paddock near a Simulium breeding river. These animals became all positive for O. ochengi nodules and microfilariae in the skin (prepatency ca. 14 months) . Individual animals however behave very differently, one animal now has more than 1,000 nodules (every nodule contains one female and one male, on average), whilst other animals, eposed in the same way to a total of almost 50,000 infective larvae of O. ochengi, only harbour oe or two nodules. These animals now serve as a research tool for the proposed study: We recognize the three typical patterns of host-parasite relationship: resistant, moderately and highly susceptible animals. Using a molecular-genetic approach, we want to follow-up the dynamics of the worm-populations:

When and how does the worm-population reach its equilibrium – we estimate after 6 to 8 years at latest, when incoming L3 and dying worms are at the same level – and how does the worm regulate its population density in the vertebrate host?

Whereas only a tiny proportion in the per mill range of the infective larvae transmitted to cattle shall successfully develop under a high transmission regime – we measured up to 80.000 L3 per animal per year –10 to 30 percent (!) developed to the adult stage when inoculated in small numbers (20 to 30 L3s) subcutaneously.

Obviously, there exists a very effective density-dependent self-regulation of the worm population in O. ochengi in cattle, as well as in O. volvulus in man.

Our project aims at understanding the basic biological factors of the Onchocerca evolution, their population dynamics and their reproductive biology.

Ivermectin mass-treatments have brought the human parasite close to extinction and the risk of recrudescence (in case of resistance to ivermectin) or reinvasion (from untreated areas with loasis co-endemicity) shall largely depend from these factors.

Research capacity has been created and shall be strengthened by this collaborative project between a Cameroonian centre for veterinary research, the Ngaoundéré und Bamenda universities and their German partners.

Onchocerca volvulus, the causative agent of human onchocerciasis, also named riverblindness, has now been brought close to elimination by the mass-distribution of the macrofilaricidal drug ivermectin.

The question, whether the few infective larvae we still find in the man-biting vectors are sufficient to maintain the parasite endemic shall be studied in three different geographic regions:

  •    The Adamawa highland where transmission seems to be already interrupted due to zooprophylaxis,
  •    in the Sudan savanna in the North where transmission is still ongoing at a rate close to the threshold level, and
  •    in the Menchum valley near Bamenda from where there is no data yet available.

Simulium-fly catches on man and cattle shall provide data on the ongoing transmission and the proportion of bovine and animal filariae in the vectors as indicators for the impact of zooprophylaxis.

Whether human onchocerciasis can be eradicated shall basically depend on the population dynamics and reproductive biology of Onchocerca worms, something we know little about because it cannot be studied in the human host. Instead, we shall focus on the bovine homologue Onchocerca ochengi, which we study in a herd of zebu cattle exposed to natural transmission:

  • How do these worms regulate their population density in the vertebrate host?
  • Which factors govern the establishment of new-coming larvae and the mating and reproduction behaviour of adult worms?
  • What was the evolution of Onchocerca-species and strains, and how quickly resistance may be distributed among the worms?

The bovine filaria Onchocerca ochengi is highly prevalent in our study area making it an excellent research tool. In our herd of Zebu cattle, naturally exposed to transmission since birth for almost six years, we can study these questions in an ideal system. The parasite population has now reached its equilibrium, i.e. the rate of acquisition of new worms appears equal the natural death-rate of old parasites. This has never been observed in a longitudinal study under such well-controlled conditions!

At the Max-Planck-Institute in Tübingen, molecular genetic tools were developed that allow assigning single microfilariae to their mother and father worm. So we can study the reproductive behaviour and population dynamics in great detail. At the same time we focus on the evolution of Onchocerca strains and species that are present in this hot-spot of Onchocerca speciation in the savanna of Central Africa.

This project is based on more than 20 years of successful collaboration with the Cameroonian Institute for Research for Rural Development (IRAD) which aims to study and control cattle parasites. Although bovine filariae are not of veterinary importance, their research forms a bridge to human diseases and the participation of the Ngaoundéré and Bamenda universities strengthens the research capacities

ZUSAMMENFASSUNG

Lässt sich die Onchozerkose ausrotten?

Epidemiological, entomological and parasitological studies in a bovine model in Cameroon

Die Onchozerkose, deren Epidemiologie wir in Kamerun seit 1976 untersuchen, ist durch die Massenbehandlung mit Ivermektin nahe der Ausrottung. Ob die wenigen, heute noch auf den Menschen übertragenen Larven ausreichen werden, um den Parasiten endemisch zu halten, untersuchen wir in drei epidemiologisch sehr unterschiedlichen Regionen: Auf dem Adamaoua-Plateau, wo die Übertragung dank Zooprophylaxe schon unterbrochen zu sein scheint, in der nördlich gelegenen Sudan-Savanne, wo die beobachtete Übertragung gerade noch ausreichen könnte, um die Endemie zu erhalten, und im Menchum-Tal bei Bamenda, einer Gegend, aus welcher bislang noch keine Daten vorliegen. Regelmäßige Mückenfänge am Menschen und an Rindern sollten Aufschluss über den Rückgang der Übertragung und den Effekt der Zooprophylaxe liefern und so über den derzeitigen Stand der Onchozerkosebekämpfung informieren.

Letztlich hängt der langfristige Erfolg der Bekämpfung jedoch von der Populations- und Reproduktionsbiologie der Onchocerca-Parasiten ab, über welche man nur wenig weiß und die wir in einer experimentell exponierten Rinderherde untersuchen wollen.

  • Wie funktioniert die Selbstregulation der Parasitenpopulation?
  • Wie häufig und von welchen Männchen werden die Weibchen besamt?
  • Wie verlief die Evolution der Onchocerca-Arten in Afrika und wie schnell könnten sich genetische Veränderungen (Resistenzen) durchsetzen?

Die Rinderfilarie Onchocerca ochengi, die in unserem Untersuchungsgebiet sehr häufig ist, bietet ein einzigartiges Modellsystem. An einer eigenen Herde von mittlerweile fast 60 Rindern können wir den zeitlichen Verlauf dieser Parasitose sogar experimentell und unter optimalen Bedingungen untersuchen. Nach bislang schon 6 Jahren ständiger Exposition nähert sich die Wurmpopulation ihrem Gleichgewicht. Das heisst, die natürliche Sterberate alter Würmer ist so hoch wie der Zuwachs an frisch heranwachsenden juvenilen Würmern. Noch Niemand hatte Gelegenheit, den Verlauf einer knotenbildenden Onchozerkose unter standardisierten Bedingungen so lange zu beobachten!

Hierin liegt das Besondere des parasitären Befalls getrennt-geschlechtlicher im Gegensatz zu den sich schnell vermehrenden Viren und Mikroben: Die Dauer der Patenz (oft viele Jahre!) überschreitet die Latenz der Immunantwort um ein Vielfaches, erfordert alse eine Kooperation mit dem Immunapparat. Immunisiert, aber nicht immun! Entsprechend interpretieren wir die Immunreaktion als Antwort auf immun-stimulierende und immun-supprimierende Produkte der Parasitenstadien (eindringende L3, juvenile, adulte, gravide und seneszente Würmer, Mikrofilarien). Deren Ziel ist die Stabilisierung der Wurmpopulation über Jahre, bei ganz unterschiedlicher Übertragung (Übertragungspotential, ATP, und Basisreproduktionszahl Ro). Noch völlig unbekannt sind innerartliche Kommunikationswege der Filarien, die ebenfalls das Ziel verfolgen, den Aufbau einer reproduktionsfähigen Population (Weibchen und Männchen) zu erlauben, aber eine Überbesiedlung zu verhindern.

Am Tübinger Max-Planck-Institut wurden molekulargenetische Techniken entwickelt, die es uns erlauben, die Populationsdynamik und die Selbstregulation der Nematoden quantitativ zu erfassen. Einzelne Filarienlarven lassen sich ihren Eltern zuzuordnen und so können wir die genetische Zusammensetzung einer Population in ihrem zeitlichen Wechsel verfolgen. Gleichermaßen lassen sich die Individuen einer Population und letztlich alle der in diesem Gebiet vorkommenden Stämme und Arten von Onchozerken und ihre Evolution charakterisieren. Auch dies ist für die Bekämpfung von entscheidender Bedeutung.

Dieses Projekt beruht auf einer über 25-jährigen und sehr erfolgreichen Kooperation mit dem Kameruner Institut zur Entwicklung Ländlicher Regionen (IRAD), dessen regionales Centre in Wakwa sich der Erforschung und Bekämpfung von Rinderkrankheiten widmet. Studenten und Wissenschaftler der Universitäten von Ngaoundéré und Bamenda sind beteiligt.