Ist Malaria ein weltweites Gesundheitsproblem?

Es gibt vier verschiedene Malariaarten, mit denen Menschen infiziert werden können: Plasmodium falciparum, Plasmodium malariae, Plasmodium ovale und Plasmodium vivax. Diese vier Malariaerreger infizieren jährlich über 300 Millionen Menschen, davon verlaufen bis zu 3 Millionen Fälle tödlich (meist Kinder bis zu 5 Jahren). Das macht Malaria zu einer größeren Gesundheitsbedrohung in der Welt als HIV oder Tuberkulose-Infektion [1].
Der beste vorsorgliche Schutz gegen Malaria wäre ein Impfstoff, aber es hat sich als schwierig erwiesen, einen Impfstoff zu entwickeln. Die traditionellen Verfahren zur Herstellung eines Impfstoffes sind im Falle von Malaria ungeeignet. Da es keine Malaria-Schutzimpfung gibt, bleiben zwei Methoden der Vorbeugung.
1.) Den Kontakt mit Moskitos vermeiden, welche die Infektion übertragen. Das heißt, Tragen langärmliger und langbeiniger Kleidung nach Sonnenuntergang und bei dunklen Lichtverhältnissen in gefährdeten Regionen, die Verwendung von Insektiziden und Moskitonetzen über den Schlafstätten.
2.) Eine weitere Schutzmöglichkeit ist die Chemoprophylaxe.
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile und garantieren selbst bei Kombination keinen 100%igen Schutz. Ist ein Individuum erst einmal infiziert, ist Chemotherapie die Standardbehandlung [2].

Wie funktioniert der Lebenszyklus des Malariaparasiten?

Der Malariazyklus kann in vier Stadien eingeteilt werden: die Befruchtung, die Keimung, die Leberschizogonie und die Erythrozytenschizogonie.

Eine weibliche Stechmücke der Gattung Anopheles kann sich beim Blutsaugen an einem malariainfizierten Wirt mit dem Parasiten, der in der Form eines Gametozyten in einer roten Blutzelle (Erythrozyt) ruht, infizieren. Der Parasit entwickelt sich dann in der so genannten Gametogenesis zu männlichen und weiblichen Geschlechtszellen, die aus den sie umringenden Wirtszellen ausbrechen. Während die weiblichen Geschlechtszellen, die Makrogameten, sich kaum verändern, teilt sich der männliche Mikrogamet in zahlreiche Flagellaten, die als “Spermien” des Malariaparasiten angesehen werden können. Durch die Vereinigung eines Flagellaten mit einem Makrogameten entsteht eine befruchtete Eizelle, die Zygote.
Die Zygote dringt in das Darmgewebe der Anophelesmücke ein und verwandelt sich in einen Ookineten. Der Ookinet nistet sich in den das Darmgewebe begrenzenden Epithelzellen ein und formt sich zur Oozyste um. Die Oozyste produziert in ihrem Innern zahlreiche Sporozoiten, die nach dem Platzen des Oozysten schließlich in die Hämolymphe der Anophelesmücke gelangen.
Einmal freigesetzt, beginnen die Sporozoiten ihre Wanderung zu den Speicheldrüsen der Anophelesmücke, wo sie sich in der Speichelkanüle ansammeln und beim Blutsaugen auf den Menschen übertragen werden. Der von der Anophelesmücke in den Blutkreislauf des Menschen eingebrachte Sporozoit gelangt durch den Blutkreislauf in die Leber, wo er in die Hepatozyten der Leber eindringt. In den Leberzellen gewinnt der so genannte Leberschizont zunehmend an Größe und entlässt nach mehreren Teilungsphasen zahlreiche, als Merozoiten bezeichnete Parasitenformen in den Blutkreislauf.
Beim Kontakt ihrer von Proteinfäden bedeckten Oberflächen mit der Oberfläche der roten Blutzellen bleiben die Merozoiten an den roten Blutkörperchen haften und dringen in diese ein, wo sie sich in Trophozoiten verwandeln. Schließlich entwickelt sich der Trophozoit in den so genannten Blutschizonten, der nach mehrmaligen Kernteilungen zahlreiche Merozoiten in den Blutstrom entlässt, die dann weitere rote Blutzellen befallen können. Abbildung 1 zeigt solche vom Parasiten befallene rote Blutzellen. Nach einigen Vermehrungszyklen über den Merozoiten-Trophozoiten-Blutschizonten Kreislauf entstehen aus den Merozoiten in der so genannten Gametozytogenesis Geschlechtszellen. Diese können von der Anophelesmücke beim Blutsaugen wieder aufgenommen werden – ein neuer Infektionszyklus beginnt.

Abbildung 1: Malaria (Plasmodium falciparum) infiziertes Humanblut. Die rot gefärbten Zellen sind vom Parasiten infizierte Zellen.

Was ist anders in malariainfizierten roten Blutzellen?

Das Wachstum und die Vervielfältigung des Parasiten in der roten Blutzelle erfordert eine große Aktivität des Stoffwechsels. Parasitär infizierte rote Blutzellen verbrauchen im Vergleich zu nicht infizierten roten Blutzellen bis zu 100mal mehr Glukose [3]. Die zur Biosynthese notwendigen Nährstoffe bezieht der Parasit aus zwei Quellen, dem Zytosol der Wirtsblutzelle und vor allem dem Blutplasma. Das Zytosol besteht aus einem Großteil Hämoglobin, das aufgespaltet wird und so die Masse der Aminosäuren und wahrscheinlich auch den Eisenbedarf für den Parasiten liefert. Wenn der Parasit heranwächst, wird er zunehmend aktiv und muss über die Membran der Wirtszelle sowohl Nährstoffe aus dem Blutplasma beziehen als auch Stoffwechselabfallprodukte, beispielsweise Milchsäure, ausscheiden. Aus Flussexperimenten ist bekannt, dass die Durchlässigkeit der Membran roter Blutzellen für eine große Zahl von Stoffen dramatisch ansteigt. Dieser Anstieg wurde verschiedensten Transportwegen zugeschrieben, ist aber bis dato nicht genau bekannt [4, 5]. In den vergangenen 20 Jahren untersuchten viele Arbeitsgruppen die Aufnahme von strukturell verschiedenen Molekülen in malariainfizierten roten Blutzellen des Menschen. Substanzen, die in die roten Blutzellen über ein vom Parasiten angelegtes Transportsystem eindringen, sind unter anderem Rb+ und das organische Kation Cholin, verschiedene Aminosäuren, diverse Nukleoside, Kohlenhydrate mit 6 oder weniger Kohlenstoffatomen und verschiedene Anionen. Es wird angenommen, dass die meisten, wenn nicht sogar alle dieser verschiedenen Substanzen die infizierte rote Blutzelle über ein von Parasiten angelegtes Transportsystem passieren [6]. Dieses Transportsystem wird nach der englischen Bezeichnung “New Permeation Pathway” – NPP genannt.

Wie wirken bisherige Medikamente?

Obwohl die ältesten heute bekannten Berichte über Malaria bereits 1700 vor unserer Zeitrechnung liegen, geht die erste Dokumentation eines Malariamedikaments auf Morton und Sydenham im Jahre 1666 zurück [7]. Die Rinde des Cinchona Baumes eignete sich zum Heilen des speziellen Fiebers. Später fand man, dass die aktive Substanz das Quinin ist.
Während des 2. Weltkrieges wurde Chloroquin und während des Vietnamkrieges das Medikament Mefloquin entwickelt. Diese Malariamedikamente sind eng miteinander verwandt – alle enthalten Quinolingruppen. Ihr Wirkungsmechanismus ist noch immer unklar, aber man glaubt, dass alle mit den Abbauprodukten des roten Farbstoffs Hämoglobins wechselwirken, welches die Hauptquelle für Aminosäuren des sich entwickelnden Parasiten ist [8]. Nach der Aufspaltung des Hämoglobins bleiben giftige Häm-Gruppen zurück, die normalerweise in ein unlösliches kristallines Material namens Hämazoin polymerisieren und so dem Parasiten nicht mehr schaden können. Es scheint, dass auf Quinolin-basierende Malariamittel über die Fähigkeit die Polymerisation zu verhindern wirken.
Die beiden anderen wesentlichen Gruppen von Antimalariamedikamenten sind Antifolate (z. B. Proguanil und Pyrimethamin) und die Sesquiterpene (z. B. Artesemin und Artesunat). Erstere blockieren die Enzyme, die den Stoffwechsel der Folsäure katalysieren, letztere katalysieren die Produktion der schädlichen freien Radikale, die an Malariaproteine binden und so den Parasiten abtöten. Wegen des Missmanagements der Antimalariamedikamente und der erstaunlichen Anpassungsfähigkeit des Malariaparasiten haben sich in den Tropen medikamentenresistente Stämme ausgebreitet. Betrachtet man den alarmierenden Anstieg medikamentenresistenter Malariastämme, scheint es unmöglich, in naher Zukunft Malaria weltweit erfolgreich zu behandeln. Deshalb hat die Suche nach neuen chemotherapeutischen Substanzen, Angriffspunkten und Strategien eine zunehmend steigende Bedeutung.

Die Patch-clamp Technik

Diese Untersuchungsmethode wurde anfang der 70er Jahre durch zwei Deutsche, Erwin Neher und Bert Sackmann, erfunden. Gegenstand der Untersuchungen sind Ionenkanäle. Das sind Eiweiße, die sich in der die Zelle umgebenden Membran befinden. Diese Eiweiße bilden Poren, die unter bestimmten Bedingungen (z. B. unter Druck oder bei Anwesenheit spezieller Substanzen) bestimmte Ionen (z. B. Na+ Ionen, Cl- Ionen oder andere Kationen) passieren lassen. Wandern Ionen, die ja eine elektrische Ladung besitzen, durch diese Poren, resultiert das in einem sehr kleinen elektrischen Strom. Die Patch-clamp Technik ermöglicht es, diesen Strom zu messen. So konnten mit Hilfe der Patch-clamp Technik schon viele Ionenkanäle, z. B. an Nervenzellen, identifiziert werden. Da die roten Blutzellen des Menschen sehr klein sind, kann an ihnen die Patch-clamp Methode nur eingeschränkt angewandt werden.

Die Patch-clamp Technik in der Malaria-Forschung

Um die Patch-clamp Technik einzusetzen, war es notwendig, größere Zellen zu finden, die ebenfalls mit Malaria infiziert werden konnten. Solche Zellen sind beispielsweise Hühnerblutzellen, die mit dem Erreger Plasmodium gallinaceum infiziert werden können und dann ein Modellsystem auch für andere Malariaarten darstellen. Findet man mit dieser Methode in malariainfizierten Hühnerblutzellen einen Ionenkanal, den es in gesunden Hühnerblutzellen nicht gibt, hat man das oben beschriebene NPP gefunden und somit den Transportweg, über welchen der Parasit seine Nährstoffe bezieht. Findet man eine chemische Substanz, die diesen Ionenkanal blockiert, was wiederum mit der Patch-clamp Technik getestet werden kann, hat man ein potentielles Malariamedikament. Mit geschlossenem Kanal (NPP) verhungert der Parasit.
Jüngst wurde dieser Kanal in malariainfizierten roten Hühnerblutzellen erstmals gemessen (siehe Abbildung 2). Der gefundene Kanal unterscheidet sich von den in gesunden Hühnerblutzellen gefundenen. Obwohl er noch nicht genau spezifiziert werden konnte, stimmen die Eigenschaften des Kanals mit dem oben beschriebenem NPP überein.

Abbildung 2: Repräsentative Beispiele von Strommessungen an malariainfizierten Hühnererythrozyten mittels der Patch-clamp Technik.

Wie geht die Forschung in Zukunft weiter?

Dieser Kanal bietet sich als Ausgangspunkt zur Entwicklung von Antimalariamedikamenten an. Die Untersuchungen werden in Kooperation der Abteilung Experimentelle Biophysik an der Humboldt Universität zu Berlin, der Biologischen Station in Roscoff (Frankreich) und dem Physiologiedepartment der Universität Oxford (England) durchgeführt. Ob ein Blocker des Kanals als neues Malariamedikament geeignet ist, kann erst im Rahmen des Projektes geklärt werden.

Literatur für Experten

• [1] Derbyshire, S.W. (1995). AIDS is less of a health threat than other diseases in Africa. BJM 311, 633
• [2] White, N.J. (1996). The treatment of malaria. N. Engl. J. Med. 335, 800-806.
• [3] Roth, E.F. (1990). Plasmodium Falciparum carbohydrate metabolism: a connection between host cell and parasite. Blood Cells 16, 453-460.
• [4] Ginsburg, H. (1994). Transport pathways in the malaria-infected erythrocyte. Their characterisation and their use as potential targets for chemotherapy. Biochem. Pharmacol. 48, 1847-1856.
• [5] Ginsburg, H. and Kirk, K. (1998). Membrane Transport in the Malaria-Infected Erythrocyte. In: Malaria: Parasite Biology, Pathogenesis, and Protection. (ed. I.W. Sherman), pp. 219-232, Washington, D.C.: ASM Press.
• [6] Kirk, K., Horner, H.A., Elford, B.C., Ellory, J.C., Newbold, C.I. (1994). Transport of diverse substrates into malaria-infected erythrocytes via a pathway showing functional characteristics of a chloride channel. J. Biol. Chem. 269, 3339-3347.
• [7] Bruce-Chwatt, L.J. (1988). History of malaria from prehistiry to eradication. In Malaria: Principles and Practice of Malariology ,(eds. W.H. Wernsdorfer and I.A. MacGregor), pp. 1-59, London: Churchill-Livingstone.
• [8] Foote, S.J. and Cowman, A.F. (1994). The mode of action and the mechanism of resistance to antimalarial drugs. Acta Trop. 56, 157-171.

Lars Kästner
kaestner@physik.hu-berlin.de