Danish Medical Bulletin    |    Contact Front page  

 
The role of Erythropoietin Treatment in Cerebral Malaria ¿ Studies using an animal model in mice

Lothar Wiese  


  Download file   (1610 KB)

Accepted by: Faculty of Health Science University of Copenhagen
Defended on: November 23, 2007
Official opponents: Lars Hviid, MSc, PhD, DSc, Copenhagen, Denmark , Eskil Elmer, MD, PhD, Lund, Sweden , Christoph Hemmer, MD, PhD, Rostock, Germany
Tutors: Jørgen AL Kurtzhals, MD, PhD , Milena Penkowa, MD, PhD, DSc , Ib Bygbjerg, MD, PhD, DSc

Published in the PhD Database: January 7, 2008


English abstract
The role of Erythropoietin Treatment in Cerebral Malaria ¿ Studies in an animal model in mice

Plasmodium falciparum malaria remains a massive burden of disease and death. At a minimum, between 700,000 and 2.7 million persons die every year from malaria, over 75% of them are African children. The two major complications, cerebral malaria (CM) and severe anaemia, are responsible for more than 1 million deaths a year, mainly in children under 5 years of age in sub-Saharan Africa. A significant number of children surviving CM are likely to be left with neurological impairment.
Erythropoietin (Epo) was first identified as a haematopoietic growth factor made by the kidneys and recombinant human Epo (rhEpo) is widely used as an anti-anaemic drug. The observation that Epo and its receptor are expressed in the brain expanded the biological role of Epo beyond haematopoiesis.
Reports from animal studies had shown a reduction of neuronal damage and neurological dysfunction in cerebral ischaemia, as well as neuroprotective effects in models of mechanical trauma, excitotoxic injury and experimental autoimmune encephalitis. In a first trial in human stroke patients, high-dose rhEpo treatment was shown to be safe and efficient.
Against this background, I studied the possible neuroprotective effects of Eythropoietin (Epo) in CM in a widely used mouse model. First, I explored immunohistochemical changes in murine CM. I was thereby able to describe neuronal apoptosis as a pathophysiological feature of experimental CM and to propose it as a possible morphological correlate of neurological impairment in human CM.
Subsequent studies in human recombinant Epo (rhEpo) revealed a time- and dose-dependent protective effect of the treatment. Survival was increased by 50% in an otherwise lethal model, and neuronal damage (i.e. the number of apoptotic neurons) was reduced significantly. A direct effect on the brain could be demonstrated by measurements of gene expression (quantitative PCR) in the brain.
Perspectives: In ongoing studies we try to elucidate the mechanisms of the positive treatment effect of rhEpo by examining systemic serum-cytokine levels and gene expression profiles in the brain (microarray technique). In immunohistochemical studies we want to supplement our findings with studies of the treatment effect on the blood-brain barrier.
Based on the current findings and the very good safety profile of rhEpo as a treatment in humans, a first safety and proof of concept trial in human CM patients is planned.



Danish abstract
Erythropoietin behandling ved Cerebral Malaria ¿ Studier i en dyremodel i mus

Plasmodium falciparum malaria er en betydelig årsag til sygdom og årsag til mellem 700.000 og 2,7 millioner malariadødsfald om året. Alene de to komplikationer cerebral malaria (CM) og svær malaria anæmi tegner sig for mere end ca. 1 million dødsfald, mest afrikanske børn under 5 år. Neurologiske skader er hyppigt set hos børn efter behandling for CM.
Erythropoietin (Epo) blev først opdaget som en hæmatopoietisk vækstfaktor som bliver produceret i nyrerne, og rekombinant human Epo (rhEpo) er i vidt omfang brugt som anti-anæmisk lægemiddel ved blandt andet nyresvigt. Opdagelsen af ekspressionen af både Epo og Epo-receptoren i hjernen har udvidet synet på Epo¿s biologiske rolle: Behandling med rekombinant Epo har vist sig at kunne reducere skader på neuroner og neurologisk dysfunktion i forskellige dyremodeller for cerebral iskæmi; samt virke neuroprotektiv i modeller for mekanisk trauma, excitotoksisk skade og eksperimentel autoimmun encephalitis. Derudover viser det første studie i mennesker med iskæmisk hjerneskade at behandling med høje doser rhEpo er både sikker og effektiv.
Med dette som baggrund har jeg undersøgt mulige effekter af Epo-behandling ved CM i en dyremodel i mus. Jeg har først undersøgt immunhistokemiske forandringer i hjernen ved CM. Her har jeg vist at apoptose af neuroner er del af de patofysiologiske forandringer ved eksperimentel CM, og jeg kan derfor foreslå dem som et muligt morfologisk korrelat til de neurologiske skader ved CM i mennesker.
Videregående forsøg har vist beskyttende effekt på hjernen som både er afhængig af dosis og tidspunktet for behandlingen. Overlevelsen kunne forbedres til 50 % i en ellers dødelig model for CM, og hjerneskaden - målt som antal af apoptotiske neuroner - var signifikant reduceret. En virkning af behandlingen kunne også påvises ved hjælp af måling af gen-ekspressionen af bl.a. cytokiner i hjernen (kvantitativ PCR).
Perspektiver: Mekanismerne bag den positive effekt af rhEpo behandlingen i CM skal nu undersøges. Ved brug af microarray teknik skal indflydelsen af behandlingen på gen-ekspression i hjernen sonderes, og derudover skal effekten af behandlingen på blod-hjernebarrieren kortlægges ved hjælp af immunhistokemiske studier.
På baggrund af de foreliggende resultater og i lyset af den mangeårige og sikre brug af rhEpo som lægemiddel i mennesker er det første ¿proof-of-concept¿ studie i human CM ved af blive planlagt.