Published November 10, 2023 | Version v1
Publication Open

Rapid profiling of Plasmodium parasites from genome sequences to assist malaria control

Creators

  • 1. London School of Hygiene & Tropical Medicine
  • 2. Radboud University Nijmegen
  • 3. Radboud University Medical Center
  • 4. National Institute of Malariology, Parasitology and Entomology
  • 5. Mount Kenya University
  • 6. Universidade de São Paulo
  • 7. Instituto de Medicina Avançada

Description

Malaria continues to be a major threat to global public health. Whole genome sequencing (WGS) of the underlying Plasmodium parasites has provided insights into the genomic epidemiology of malaria. Genome sequencing is rapidly gaining traction as a diagnostic and surveillance tool for clinical settings, where the profiling of co-infections, identification of imported malaria parasites, and detection of drug resistance are crucial for infection control and disease elimination. To support this informatically, we have developed the Malaria-Profiler tool, which rapidly (within minutes) predicts Plasmodium species, geographical source, and resistance to antimalarial drugs directly from WGS data.The online and command line versions of Malaria-Profiler detect ~ 250 markers from genome sequences covering Plasmodium speciation, likely geographical source, and resistance to chloroquine, sulfadoxine-pyrimethamine (SP), and other anti-malarial drugs for P. falciparum, but also providing mutations for orthologous resistance genes in other species. The predictive performance of the mutation library was assessed using 9321 clinical isolates with WGS and geographical data, with most being single-species infections (P. falciparum 7152/7462, P. vivax 1502/1661, P. knowlesi 143/151, P. malariae 18/18, P. ovale ssp. 5/5), but co-infections were identified (456/9321; 4.8%). The accuracy of the predicted geographical profiles was high to both continental (96.1%) and regional levels (94.6%). For P. falciparum, markers were identified for resistance to chloroquine (49.2%; regional range: 24.5% to 100%), sulfadoxine (83.3%; 35.4- 90.5%), pyrimethamine (85.4%; 80.0-100%) and combined SP (77.4%). Markers associated with the partial resistance of artemisinin were found in WGS from isolates sourced from Southeast Asia (30.6%).Malaria-Profiler is a user-friendly tool that can rapidly and accurately predict the geographical regional source and anti-malarial drug resistance profiles across large numbers of samples with WGS data. The software is flexible with modifiable bioinformatic pipelines. For example, it is possible to select the sequencing platform, display specific variants, and customise the format of outputs. With the increasing application of next-generation sequencing platforms on Plasmodium DNA, Malaria-Profiler has the potential to be integrated into point-of-care and surveillance settings, thereby assisting malaria control. Malaria-Profiler is available online (bioinformatics.lshtm.ac.uk/malaria-profiler) and as standalone software ( https://github.com/jodyphelan/malaria-profiler ).

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

لا تزال الملاريا تشكل تهديدًا كبيرًا للصحة العامة العالمية. قدم تسلسل الجينوم الكامل (WGS) لطفيليات المتصورة الكامنة رؤى حول علم الأوبئة الجيني للملاريا. يكتسب تسلسل الجينوم زخمًا سريعًا كأداة تشخيص ومراقبة للإعدادات السريرية، حيث يعد تنميط العدوى المشتركة وتحديد طفيليات الملاريا المستوردة والكشف عن مقاومة الأدوية أمرًا بالغ الأهمية لمكافحة العدوى والقضاء على الأمراض. ولدعم هذا الأمر من الناحية المعلوماتية، قمنا بتطوير أداة تحليل الملاريا، التي تتنبأ بسرعة (في غضون دقائق) بأنواع المتصورة، والمصدر الجغرافي، ومقاومة الأدوية المضادة للملاريا مباشرة من بيانات WGS. وتكشف الإصدارات عبر الإنترنت وسطر الأوامر من الملاريا عن ~ 250 علامة من تسلسلات الجينوم التي تغطي انتواع المتصورة، والمصدر الجغرافي المحتمل، ومقاومة الكلوروكين، والسلفادوكسين- بيريميثامين (SP)، وغيرها من الأدوية المضادة للملاريا لـ P. falciparum، ولكنها توفر أيضًا طفرات لجينات المقاومة التقويمية في الأنواع الأخرى. تم تقييم الأداء التنبؤي لمكتبة الطفرات باستخدام 9321 عزلات سريرية مع WGS والبيانات الجغرافية، مع كون معظمها عدوى من نوع واحد (P. falciparum 7152/7462، P. vivax 1502/1661، P. knowlesi 143/151، P. malariae 18/18، P. ovale ssp. 5/5)، ولكن تم تحديد العدوى المشتركة (456/9321 ؛ 4.8 ٪). كانت دقة الملامح الجغرافية المتوقعة عالية لكل من المستوى القاري (96.1 ٪) والمستوى الإقليمي (94.6 ٪). بالنسبة لـ P. falciparum، تم تحديد علامات لمقاومة الكلوروكين (49.2 ٪ ؛ النطاق الإقليمي: 24.5 ٪ إلى 100 ٪)، السلفادوكسين (83.3 ٪ ؛ 35.4- 90.5 ٪)، البيريميثامين (85.4 ٪ ؛ 80.0-100 ٪) و SP مجتمعة (77.4 ٪). تم العثور على علامات مرتبطة بالمقاومة الجزئية للأرتيميسينين في WGS من عزلات مصدرها جنوب شرق آسيا (30.6 ٪). الملاريا- الملامح هي أداة سهلة الاستخدام يمكنها التنبؤ بسرعة وبدقة بالمصدر الجغرافي الإقليمي وملامح مقاومة الأدوية المضادة للملاريا عبر أعداد كبيرة من العينات مع بيانات WGS. البرنامج مرن مع خطوط أنابيب معلوماتية حيوية قابلة للتعديل. على سبيل المثال، من الممكن تحديد منصة التسلسل، وعرض متغيرات محددة، وتخصيص تنسيق المخرجات. مع التطبيق المتزايد لمنصات التسلسل من الجيل التالي على الحمض النووي للمتصورة، يمكن دمج بروفيل الملاريا في أماكن الرعاية والمراقبة، وبالتالي المساعدة في مكافحة الملاريا. يتوفر ملف تعريف الملاريا عبر الإنترنت (bioinformatics.lshtm.ac.uk/malaria-profiler) وكبرنامج مستقل ( https://github.com/jodyphelan/malaria-profiler ).

Translated Description (French)

Le paludisme continue d'être une menace majeure pour la santé publique mondiale. Le séquençage du génome entier (WGS) des parasites Plasmodium sous-jacents a fourni des informations sur l'épidémiologie génomique du paludisme. Le séquençage du génome gagne rapidement du terrain en tant qu'outil de diagnostic et de surveillance pour les milieux cliniques, où le profilage des co-infections, l'identification des parasites importés du paludisme et la détection de la résistance aux médicaments sont cruciaux pour le contrôle des infections et l'élimination des maladies. Pour soutenir cela de manière informative, nous avons développé l'outil Malaria-Profiler, qui prédit rapidement (en quelques minutes) les espèces de Plasmodium, la source géographique et la résistance aux médicaments antipaludiques directement à partir des données WGS. Les versions en ligne et en ligne de commande de Malaria-Profiler détectent ~ 250 marqueurs à partir de séquences génomiques couvrant la spéciation de Plasmodium, la source géographique probable et la résistance à la chloroquine, à la sulfadoxine-pyriméthamine (SP) et à d'autres médicaments antipaludiques pour P. falciparum, mais fournissent également des mutations pour les gènes de résistance orthologues chez d'autres espèces. La performance prédictive de la banque de mutations a été évaluée à l'aide de 9321 isolats cliniques avec WGS et données géographiques, la plupart étant des infections monospécifiques (P. falciparum 7152/7462, P. vivax 1502/1661, P. knowlesi 143/151, P. malariae 18/18, P. ovale ssp. 5/5), mais des co-infections ont été identifiées (456/9321 ; 4,8%). La précision des profils géographiques prédits était élevée aux niveaux continental (96,1 %) et régional (94,6 %). Pour P. falciparum, des marqueurs ont été identifiés pour la résistance à la chloroquine (49,2 % ; plage régionale : 24,5 % à 100 %), à la sulfadoxine (83,3 % ; 35,4- 90,5 %), à la pyriméthamine (85,4 % ; 80,0-100 %) et à la SP combinée (77,4 %). Des marqueurs associés à la résistance partielle de l'artémisinine ont été trouvés dans le WGS à partir d'isolats provenant d'Asie du Sud-Est (30,6 %) .Malaria-Profiler est un outil convivial qui peut prédire rapidement et avec précision la source régionale géographique et les profils de résistance aux médicaments antipaludiques sur un grand nombre d'échantillons avec des données WGS. Le logiciel est flexible avec des pipelines bioinformatiques modifiables. Par exemple, il est possible de sélectionner la plate-forme de séquençage, d'afficher des variantes spécifiques et de personnaliser le format des sorties. Avec l'application croissante de plateformes de séquençage de nouvelle génération sur l'ADN de Plasmodium, Malaria-Profiler a le potentiel d'être intégré dans les établissements de soins et de surveillance, contribuant ainsi à la lutte antipaludique. Malaria-Profiler est disponible en ligne (bioinformatics.lshtm.ac.uk/malaria-profiler) et en tant que logiciel autonome ( https://github.com/jodyphelan/malaria-profiler ).

Translated Description (Spanish)

La malaria sigue siendo una amenaza importante para la salud pública mundial. La secuenciación del genoma completo (WGS) de los parásitos Plasmodium subyacentes ha proporcionado información sobre la epidemiología genómica de la malaria. La secuenciación del genoma está ganando terreno rápidamente como herramienta de diagnóstico y vigilancia para entornos clínicos, donde el perfil de coinfecciones, la identificación de parásitos de malaria importados y la detección de resistencia a los medicamentos son cruciales para el control de infecciones y la eliminación de enfermedades. Para respaldar esto informáticamente, hemos desarrollado la herramienta Malaria-Profiler, que predice rápidamente (en cuestión de minutos) las especies de Plasmodium, la fuente geográfica y la resistencia a los medicamentos antipalúdicos directamente a partir de los datos de WGS. Las versiones en línea y de línea de comandos de Malaria-Profiler detectan ~ 250 marcadores de secuencias genómicas que cubren la especiación de Plasmodium, la fuente geográfica probable y la resistencia a la cloroquina, la sulfadoxina-pirimetamina (SP) y otros medicamentos antipalúdicos para P. falciparum, pero también proporcionan mutaciones para genes de resistencia ortólogos en otras especies. El rendimiento predictivo de la biblioteca de mutaciones se evaluó utilizando 9321 aislados clínicos con WGS y datos geográficos, siendo la mayoría infecciones de una sola especie (P. falciparum 7152/7462, P. vivax 1502/1661, P. knowlesi 143/151, P. malariae 18/18, P. ovale ssp. 5/5), pero se identificaron coinfecciones (456/9321; 4.8%). La precisión de los perfiles geográficos previstos fue alta tanto a nivel continental (96,1%) como regional (94,6%). Para P. falciparum, se identificaron marcadores de resistencia a la cloroquina (49.2%; rango regional: 24.5% a 100%), sulfadoxina (83.3%; 35.4- 90.5%), pirimetamina (85.4%; 80.0-100%) y SP combinada (77.4%). Se encontraron marcadores asociados con la resistencia parcial de la artemisinina en WGS de aislados procedentes del sudeste asiático (30,6%). Malaria-Profiler es una herramienta fácil de usar que puede predecir de forma rápida y precisa la fuente regional geográfica y los perfiles de resistencia a los medicamentos contra la malaria en un gran número de muestras con datos de WGS. El software es flexible con canales bioinformáticos modificables. Por ejemplo, es posible seleccionar la plataforma de secuenciación, mostrar variantes específicas y personalizar el formato de las salidas. Con la creciente aplicación de plataformas de secuenciación de próxima generación en el ADN de Plasmodium, Malaria-Profiler tiene el potencial de integrarse en entornos de punto de atención y vigilancia, ayudando así al control de la malaria. Malaria-Profiler está disponible en línea (bioinformatics.lshtm.ac.uk/malaria-profiler) y como software independiente ( https://github.com/jodyphelan/malaria-profiler ).

Files

s13073-023-01247-7.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:8ae73db3f1b1e7bd5c57304b792ec825
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التنميط السريع لطفيليات المتصورة من تسلسلات الجينوم للمساعدة في مكافحة الملاريا
Translated title (French)
Profilage rapide des parasites Plasmodium à partir de séquences génomiques pour aider à lutter contre le paludisme
Translated title (Spanish)
Perfiles rápidos de parásitos de Plasmodium a partir de secuencias genómicas para ayudar al control de la malaria

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4388574341
DOI
10.1186/s13073-023-01247-7

Is supplement to
https://openalex.org/W2160884305 (Other)
https://openalex.org/W2158987255 (Other)
https://openalex.org/W2141986495 (Other)
https://openalex.org/W2137764200 (Other)
https://openalex.org/W2136308226 (Other)
https://openalex.org/W2122025531 (Other)
https://openalex.org/W2107150651 (Other)
https://openalex.org/W2051070643 (Other)
https://openalex.org/W2013267325 (Other)
https://openalex.org/W1969972788 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Kenya

References

  • https://openalex.org/W1519266993
  • https://openalex.org/W1963957860
  • https://openalex.org/W1966553905
  • https://openalex.org/W2071644545
  • https://openalex.org/W2097978957
  • https://openalex.org/W2103441770
  • https://openalex.org/W2106578986
  • https://openalex.org/W2108234281
  • https://openalex.org/W2124634096
  • https://openalex.org/W2131271579
  • https://openalex.org/W2333050857
  • https://openalex.org/W2421802961
  • https://openalex.org/W2558458096
  • https://openalex.org/W2583363792
  • https://openalex.org/W2586083616
  • https://openalex.org/W2614051104
  • https://openalex.org/W2765745983
  • https://openalex.org/W2789843538
  • https://openalex.org/W2799524357
  • https://openalex.org/W2802213577
  • https://openalex.org/W2921820891
  • https://openalex.org/W2948663202
  • https://openalex.org/W2951160681
  • https://openalex.org/W2952463453
  • https://openalex.org/W2954545225
  • https://openalex.org/W2986984498
  • https://openalex.org/W3005720903
  • https://openalex.org/W3021739714
  • https://openalex.org/W3039784917
  • https://openalex.org/W3111672821
  • https://openalex.org/W3114174760
  • https://openalex.org/W3165525129
  • https://openalex.org/W3169760777
  • https://openalex.org/W3170531264
  • https://openalex.org/W3200040377
  • https://openalex.org/W3203087753
  • https://openalex.org/W3211323961
  • https://openalex.org/W4210971401
  • https://openalex.org/W4224139973
  • https://openalex.org/W4225415660
  • https://openalex.org/W4245285401
  • https://openalex.org/W4247053599
  • https://openalex.org/W4311339480
  • https://openalex.org/W4311577544
  • https://openalex.org/W4313480025
  • https://openalex.org/W4319437367
  • https://openalex.org/W4362604468
  • https://openalex.org/W4385276916
  • https://openalex.org/W4386117131