Investigating Disease Reservoirs in the Context of Natural Ecosystems, One Health and Wildlife Health - With Special Reference to the Yaws Case in Nonhuman Primates

Die hohe Anzahl an humanen Krankheitserregern mit zoonotischem Ursprung, als auch das zunehmende Verständnis über die Lebensräume, in denen Krankheitserreger vorkommen, hat zu dem One Health Konzept geführt, bei dem die Gesundheit des Menschen untrennbar mit der Gesundheit von Tier und Umwelt verbunden ist. Wildtiere werden allgemein nicht als direkte Ansteckungsquelle für Krankheiten gesehen. Indirekt spielen sie jedoch eine Rolle als Ursprung von Erregern, die einen erheblichen Einfluss auf die Gesundheit von Menschen und Nutztieren haben. Mikroorganismen, inklusive solcher, die im Stande sind, ihren Wirt zu schädigen (Pathogene), sind ein integraler Bestandteil von natürlichen Ökosystemen. In dieser Habilitationsschrift nutze ich Treponema pallidum subsp. pertenue (TPE), das Frambösie-Bakterium welches Menschen und nichtmenschliche Primaten (NMPen) infiziert (7.2.2 Knauf et al. 2013. Emerging Infectious Diseases) als ein Beispiel, wie man ein Krankheitsreservoir im Kontext von natürlichen Ökosystemen, One Health und der Wildtiergesundheit untersucht. Der Nachweis eines Krankheitsreservoirs für humane Infektionen in NMPen ist für den Erfolg der aktuellen Frambösie-Ausrottungsbemühungen fundamental wichtig (7.2.1 Marks et al. 2015. Lancet Infectious Diseases).
Um TPE in NMPen zu diagnostizieren und zu charakterisieren (5.2.2.1 Hallmaier-Wacker et al. 2019. Frontiers in Microbiology), wurden molekulare Tests etabliert, validiert und standardisiert (5.3.1 Knauf et al. 2015. PLoS Neglected Tropical Diseases; 5.3.2 Knauf et al. 2018. PLoS Neglected Tropical Diseases; 5.3.3 Becherer et al. 2019 Emerging Infectious Diseases; 5.3.4 Hallmaier-Wacker et al. 2018. Scientific Reports). Im Folgenden wurden diese Methoden angewendet, um TPE im Zusammenhang mit natürlichen Ökosystem zu erforschen. Zwei wesentliche Voraussetzungen für die Anerkennung eines funktionalen Erregerreservoirs ist die Erhaltung des Pathogens, die durch eine hohe genetische und funktionale Ähnlichkeit nachgewiesen wird, als auch die Existenz plausibler Übertragungswege (4.1 Hallmaier-Wacker et al. 2017. Emerging Microbes & Infections). Weder Laborexperimente, noch isolierte Fallberichte allein sind informativ genug, um die Funktionalität von NMPen als Erregerreservoirs für die humane Frambösie zu beschreiben.
Zahlreiche Veröffentlichungen, die Bestandteil dieser Habilitationsschrift sind, zeigen, dass T. pallidum geographisch weitverbreitet ist und endemisch in afrikanischen NMPen vorkommt (7.3.1 Knauf et al. 2015. PLoS One; 7.3.2 Zimmerman et al. 2019. Emerging Infectious Diseases; 7.3.3 Chuma et al. 2018. Emerging Infectious Diseases). Das Verständnis von evolutionären Prozessen und Mechanismen der Virulenz ist vital für das Ansprechen von Krankheitserregerkandidaten, die das höchste Potential haben, die Population zu schädigen. In der Studie, die im Kapitel 7.3.4 (Knauf et al., 2018. Emerging Microbes & Infections) präsentiert wird, zeige ich mit meinem Team, das NMPen in Sub-Sahara Afrika mit dem gleichen Bakterium infiziert sind, das auch die humane Frambösie verursacht. Basierend auf vollständigen Genomen, bilden T. pallidum Stämme, die Syphilis (subsp. pallidum) und Frambösie (subsp. pertenue) verursachen, reziprokale monophyletische Gruppen und alle NMPen infizierende Stämme clustern mit TPE Stämmen die Human-Infektionen verursachen. Das Genom des Pavianstammes LMNP-1 aus Tansania hat die gleiche Genomstruktur wie humane TPE Stämme und der mutmaßlich humanpathogene Stamm Fribourg-Blanc, der von einem Pavian in West Afrika isoliert wurde (7.3.4 Knauf et al. 2018. Emerging Microbes & Infections; 7.3.5 Strouhal et al. 2018. PLoS Neglected Tropical Diseases). Bis zu dieser Studie wurde TPE nur als ein Pathogen des Menschen angesehen. Es gibt jedoch Hinweise auf ein zoonotisches Potential in allen dokumentierten TPE Stämmen, die NMPen befallen. Interessanterweise unterstützt unsere Studie über Treponematosen in freilebenden und in menschlicher Obhut gehaltener Makaken in Asien (7.3.6 Klegarth et al. 2017. Emerging Infectious Diseases) ebenfalls einen One Health Ansatz, um die Frambösie des Menschen auszurotten, da Affen, die als Haustiere gehalten werden, als ein zusätzliches Krankheitsreservoir fungieren könnten. Freilebende asiatische Makaken scheinen jedoch frei von der Erkrankung zu sein, sogar in Gebieten mit einer hohen Prävalenz an humaner Frambösie. Dieser Ergebnisse rechtfertigen einerseits weitere Untersuchungen, sie stützen aber auch die Wahrnehmung, dass auch in Afrika die artübergreifende Transmission von TPE ein seltenes Ereignis ist (7.4.1 Chuma et al. 2019. Scientific Reports). Zahlreiche mögliche Übertragungswege wurden diskutiert, einschließlich der Übertragung durch nekrophage Fliegen als Vektor (7.4.2 Knauf et al. 2016. EBioMedicine; 7.4.3 Houinei et al. 2017. PLoS Neglected Tropical Diseases). Die sexuelle Übertragung ist jedoch der wahrscheinlichste Infektionsweg in ostafrikanischen NMPen (7.4.4 Paciência et al. 2019. Science Advances; 7.4.7 Zinner et al. 2018. Biology Letters). Ein herausragendes Resultat unserer Forschung war die Tatsache, dass TPE einen Selektionsdruck auf NMPen ausübt, der individuelle Verhaltensmodifikationen verursacht, die in der Folge das Paarungsverhalten verändern (7.4.4 Paciência et al. 2019. Science Advances). Solche evolutionären Prozesse wurden selten in langlebigen Vertebraten beobachtet und helfen uns zu verstehen, wie Pathogene das Paarungsverhalten bestimmen.
Meine Forschung zeigt, dass es überzeugende Belege dafür gibt, dass das Frambösiebakterium schon sehr lang in den NMPen persistiert. Unsere Daten zeigen, dass eine NMPen-zu-Mensch Infektion, sollte diese stattfinden, ein sehr seltenes Ereignis sein muss und dass Langzeit-post-Eradikationsstudien zur Überwachung der Frambösiefreiheit benötigt werden, um ein mögliches Übertragungsereignis zwischen NMP und Mensch zu erfassen (7.4.8 Lubinza et al. 2020. BMC Infectious Diseases).
Das Treponema-Beispiel zeigt, dass eine ökologisch-evolutionäre Sichtweise auf Krankheitserreger notwendig ist, um Krankheiten adäquat zu managen und das Risiko von zukünftigen Übertragungen einschätzen zu können. Dies wiederum bedarf Basisdaten, die nicht darauf beschränkt sind, nur das Vorhandensein- oder Nichtvorhandensein von Mikroorganismen mit dem Potential, Krankheiten zu verursachen, zu dokumentieren. Basisdaten müssen zeitliche Veränderungen in der Prävalenz und Virulenz beinhalten, die durch das Alter des Wirts, den Stamm oder Veränderungen in der Zusammensetzung der Wirtsgemeinschaft beeinflusst sein können. Die Entscheidung darüber, Erkrankungen zu kontrollieren, zu eliminieren oder auszurotten, hängt von den technischen und biologischen Möglichkeiten ab, sowie von der Existenz eines nicht menschlichen Erregerreservoirs und dem Kosten-Nutzen-Faktor. The large number of human diseases with zoonotic origin as well as our increasing understanding of the ecological context in which the disease-causing pathogens subsist, has led to the conceptualization of the One Health model, where the health of humans is inevitably linked to the health of animals and the environment. Although wildlife is generally not seen as a source of pathogen threat, it plays a critical role as an indirect source for candidate pathogens that can have a major impact on human and livestock health. Microorganisms, including those capable of causing host damage (pathogens), are an integral part of natural ecosystems. In this thesis, I use Treponema pallidum subsp. pertenue (TPE), the yaws-bacterium that infects humans and nonhuman primates (NHPs; 7.2.2 Knauf et al. 2013. Emerging Infectious Diseases), as an example to investigate a disease reservoir in the context of natural ecosystems, one health and wildlife health. The identification of NHPs as a disease reservoir for human infection is of fundamental importance to the success of the currently ongoing yaws eradication (7.2.1 Marks et al. 2015. Lancet Infectious Diseases).
To diagnose and characterize TPE in NHPs, molecular tests were established (5.2.2.1 Hallmaier-Wacker et al. 2019. Frontiers in Microbiology), validated and standardized (5.3.1 Knauf et al. 2015. PLoS Neglected Tropical Diseases; 5.3.2 Knauf et al. 2018. PLoS Neglected Tropical Diseases; 5.3.3 Becherer et al. 2019 Emerging Infectious Diseases; 5.3.4 Hallmaier-Wacker et al. 2018. Scientific Reports). Subsequently, these tools were applied to investigate TPE in the context of natural ecosystems. Yet, the two essential requirements for a functional disease reservoir are pathogen maintenance, as demonstrated by genetic and functional similarity, and the existence of a feasible transmission route (4.1 Hallmaier-Wacker et al. 2017. Emerging Microbes & Infections). Neither laboratory experiments nor isolated cases alone are informative to describe the functionality of NHPs as a disease reservoir for human yaws infection.
Several publications that are part of this thesis indicate that T. pallidum is geographically widespread and endemic in African NHPs (7.3.1 Knauf et al. 2015. PLoS One; 7.3.2 Zimmerman et al. 2019. Emerging Infectious Diseases; 7.3.3 Chuma et al. 2018. Emerging Infectious Diseases). Understanding evolutionary processes and mechanisms of virulence are vital to the identification of pathogen candidates that have the highest potential to impact population health. In the study presented in chapter 7.3.4 (Knauf et al., 2018. Emerging Microbes & Infections), me and my team have been able to demonstrate that NHPs across sub-Saharan Africa are infected with the same bacterium that causes human yaws. Based on whole genome sequences, syphilis (subsp. pallidum) and yaws (subsp. pertenue) causing strains of T. pallidum of human and NHP origin form reciprocally monophyletic groups and NHP-infecting strains all cluster with human-infecting TPE strains. The genome of the baboon strain LMNP-1 from Tanzania has the same genome structure as human infecting TPE strains and the suspected human-pathogenic strain Fribourg-Blanc, which was isolated from a baboon in West Africa (7.3.4 (Knauf et al. 2018. Emerging Microbes & Infections; 7.3.5 Strouhal et al. 2018. PLoS Neglected Tropical Diseases). Until this study, TPE was believed to be an exclusive human pathogen. There is, however, evidence for zoonotic potential in all of the documented TPE strains of NHP origin. Interestingly, our survey conducted on treponemal infections in free-ranging and captive macaques in Asia (7.3.6 Klegarth et al. 2017. Emerging Infectious Diseases) further supports a One Health approach to eradicate human yaws, as pet monkeys might function as an additional disease reservoir. However, Asian wild macaques seem to be free of the disease, even in areas that have a high-human yaws prevalence. While this finding warrants further investigations, it also supports the perception that even in Africa, the interspecies transmission of TPE is a rare event (7.4.1 Chuma et al. 2019. Scientific Reports). Several feasible transmission routes have been discussed, including necrophagous flies as a vector (7.4.2 Knauf et al. 2016. EBioMedicine; 7.4.3 Houinei et al. 2017. PLoS Neglected Tropical Diseases). Sexual transmission, however, seems to be the most likely route of infection in East African NHPs (7.4.4 Paciência et al. 2019. Science Advances; 7.4.7 Zinner et al. 2018. Biology Letters). A striking finding of our work is the discovery that TPE imposed a selection pressure in NHPs that results in individual behavioural modifications and thus altered mate choice (7.4.4 Paciência et al. 2019. Science Advances). These kinds of evolutionary processes have rarely been witnesses in long-lived vertebrates and help us to understand how pathogens shape mating systems.
Based on my research, there is compelling evidence that the yaws bacterium persists in the NHP host for quite a long time. Our data suggest that NHP-to-human infection, if existent, must be extremely rare and that long-term post-eradication surveillance programs are needed to detect possible transmission events between NHPs and humans (7.4.8 Lubinza et al. 2020. BMC Infectious Diseases). The Treponema case shows, that an ecological and evolutionary perspective on pathogens is a requirement to adequately manage diseases and to conduct a risk assessment of future transmission events. This, however, requires baseline data and is not restricted to the simple presence or absence of microbes that have the potential to cause diseases. Baseline data must include temporal changes in prevalence and virulence, which can be age or strain depended or based on changes in the host community composition or size. The decision to control, eliminate or eradicate a disease depends on the technical and biological feasibility including the existence of a nonhuman reservoir as well as the benefit in excess of the costs.