Mutations in the Plasmodium falciparum K13-propeller domain have recently been shown to be important determinants of artemisinin resistance in Southeast Asia. This study investigated the prevalence of K13-propeller polymorphisms across sub-Saharan Africa. A total of 1212 P. falciparum samples collected from 12 countries were sequenced. None of the K13-propeller mutations previously reported in Southeast Asia were found, but 22 unique mutations were detected, of which 7 were nonsynonymous. Allele frequencies ranged between 1% and 3%. Three mutations were observed in >1 country, and the A578S was present in parasites from 5 countries. This study provides the baseline prevalence of K13-propeller mutations in sub-Saharan Africa.

ABSTRACT High-throughput Plasmodium genomic data is increasingly useful in assessing prevalence of clinically important mutations and malaria transmission patterns. Understanding parasite diversity is important for identification of specific human or parasite populations that can be targeted by control programs, and to monitor the spread of mutations associated with drug resistance. An up-to-date understanding of regional parasite population dynamics is also critical to monitor the impact of control efforts. However, this data is largely absent from high-burden nations in Africa, and to date, no such analysis has been conducted for malaria parasites in Tanzania country-wide. To this end, over 1,000 P. falciparum clinical isolates were collected in 2017 from 13 sites in seven administrative regions across Tanzania, and parasites were genotyped at 1,800 variable positions genome-wide using molecular inversion probes. Population structure was detectable among Tanzanian P. falciparum parasites, roughly separating parasites from the northern and southern districts and identifying genetically admixed populations in the north. Isolates from geographically close districts were more likely to be genetically related compared to parasites sampled from more distant districts. Known drug resistance mutations were seen at increased frequency in northern districts, and additional variants with undetermined significance for antimalarial resistance also varied by geography. Malaria Indicator Survey (2017) data corresponded with genetic findings, including average region-level complexity-of-infection and malaria prevalence estimates. The parasite populations identified here provide important information on extant spatial patterns of genetic diversity of Tanzanian parasites, to which future surveys of genetic relatedness can be compared. SIGNIFICANCE Documenting dynamics of malaria parasite genomics in high-transmission settings at scale in sub-Saharan Africa is critical for policy and decision making to support ongoing malaria elimination initiatives. Using molecular inversion probes, we genotyped over 1,000 Tanzanian Plasmodium falciparum samples collected country-wide in 2017 at hundreds of variable polymorphic positions across the genome. Frequencies of known drug resistance mutations were higher in northern districts of the country compared to the south. Results also showed a distinct isolation-by-distance pattern (whereby increasing geographic distance was correlated with decreasing genetic relatedness), as well as signals of higher genetic sharing between several southern districts. These results provide, for the first time, a picture of current within-country diversity of Tanzanian P. falciparum populations.

ABSTRACT The population structure of the malaria parasite Plasmodium falciparum can reveal underlying demographic and adaptive evolutionary processes. Here, we analyse population structure in 4,376 P. falciparum genomes from 21 countries across Africa. We identified a strongly differentiated cluster of parasites, comprising ∼1.2% of samples analysed, geographically distributed over 13 countries across the continent. Members of this cluster, named AF1, carry a genetic background consisting of a large number of highly differentiated variants, rarely observed outside this cluster, at a multitude of genomic loci distributed across most chromosomes. At these loci, the AF1 haplotypes appear to have common ancestry, irrespective of the sampling location; outside the shared loci, however, AF1 members are genetically similar to their sympatric parasites. AF1 parasites sharing up to 23 genomic co-inherited regions were found in all major regions of Africa, at locations over 7,000 km apart. We coined the term cryptotype to describe a complex common background which is geographically widespread, but concealed by genomic regions of local origin. Most AF1 differentiated variants are functionally related, comprising structural variations and single nucleotide polymorphisms in components of the MSP1 complex and several other genes involved in interactions with red blood cells, including invasion and erythrocyte antigen export. We propose that AF1 parasites have adapted to some as yet unidentified evolutionary niche, by acquiring a complex compendium of interacting variants that rarely circulate separately in Africa. As the cryptotype spread across the continent, it appears to have been maintained mostly intact in spite of recombination events, suggesting a selective advantage. It is possible that other cryptotypes circulate in Africa, and new analysis methods may be needed to identify them.

Investment in community health workers is essential

Abstract Artemisinin resistance mutations in Plasmodium falciparum kelch13 ( Pfk13 ) have begun to emerge in Africa. Pfk13- R561H was the first reported African mutation found in Rwanda in 2014, but limited sampling left questions about its early distribution and origin. We detected 476 parasitemias among 1873 residual blood spots from a 2014-15 Rwanda Demographic Health Survey. We sequenced 351 samples revealing 341/351 were wild type (97.03% weighted) and 4 samples (1.34% weighted) harbored R561H which were significantly spatially clustered. Our study better defines the early distribution of R561H in Rwanda and suggests that the origin may have involved higher-transmission regions.

Artemisinin resistant Plasmodium falciparum is advancing across Southeast Asia in a soft selective sweep involving at least 20 independent kelch13 mutations. In a large global survey, we find that kelch13 mutations which cause resistance in Southeast Asia are present at low frequency in Africa. We show that African kelch13 mutations have originated locally, and that kelch13 shows a normal variation pattern relative to other genes in Africa, whereas in Southeast Asia there is a great excess of non‐synonymous mutations, many of which cause radical amino‐acid changes. Thus, kelch13 is not currently undergoing strong selection in Africa, despite a deep reservoir of standing variation that could potentially allow resistance to emerge rapidly. The practical implications are that public health surveillance for artemisinin resistance should not rely on kelch13 data alone, and interventions to prevent resistance must account for local evolutionary conditions, shown by genomic epidemiology to differ greatly between geographical regions.

The Democratic Republic of the Congo (DRC) harbors 11% of global malaria cases, yet little is known about the spatial and genetic structure of the parasite population in that country. We sequenced 2537 Plasmodium falciparum infections, including a nationally representative population sample from DRC and samples from surrounding countries, using molecular inversion probes - a novel high-throughput genotyping tool. We identified an east-west divide in haplotypes known to confer resistance to chloroquine and sulfadoxine-pyrimethamine. Furthermore, we identified highly related parasites over large geographic distances, indicative of gene flow and migration. Our results were consistent with a background of isolation by distance combined with the effects of selection for antimalarial drug resistance. This study provides a high-resolution view of parasite genetic structure across a large country in Africa and provides a baseline to study how implementation programs may impact parasite populations.

Abstract Background Although Tanzania adopted and has been implementing effective interventions to control and eventually eliminate malaria, the disease is still a leading public health problem, and the country experiences heterogeneous transmission. Recent studies reported the emergence of parasites with artemisinin partial resistance (ART-R) in Kagera region with high prevalence (> 10.0%) in two districts of Karagwe and Kyerwa. This study assessed the prevalence and predictors/risk of malaria infections among asymptomatic individuals living in a hyperendemic area where ART-R has emerged in Kyerwa District of Kagera region, north-western Tanzania. Methods This was a community-based cross-sectional survey which was conducted in July and August 2023 and involved individuals aged ≥ 6 months from five villages in Kyerwa district. Demographic, anthropometric, clinical, parasitological, type of house inhabited and socio-economic status (SES) data were collected using electronic capture tools run on Open Data Kit (ODK) software. Predictors/risks of malaria infections were determined by univariate and multivariate logistic regression, and the results were presented as crude (cORs) and adjusted odds ratios (aORs), with 95% confidence intervals (CIs). Results Overall, 4454 individuals were tested using rapid diagnostic tests (RDTs), and 1979 (44.4%) had positive results. The prevalence of malaria infections ranged from 14.4% to 68.5% and varied significantly among the villages (p < 0.001). The prevalence and odds of infections were significantly higher in males (aOR = 1.28, 95% CI 1.08 –1.51, p = 0.003), school children (aged 5–≤10 years (aOR = 3.88, 95% CI 3.07–4.91, p < 0.001) and 10–≤15 years (aOR = 4.06, 95% CI 3.22–5.13, p < 0.001)) and among individuals who were not using bed nets (aOR = 1.22, 95% CI 1.03–1.46, p = 0.024). The odds of malaria infections were also higher in individuals with lower SES (aOR = 1.42, 95% CI 1.17–1.72, p < 0.001), and living in houses without windows (aOR = 2.08, 95% CI 1.46–2.96, p < 0.001), partially open (aOR = 1.33, 95% CI 1.11–1.58, p = 0.002) or fully open windows (aOR = 1.30, 95%CI 1.05–1.61, p = 0.015). Conclusion The five villages had a high prevalence of malaria infections and heterogeneity at micro-geographic levels. Groups with higher odds of malaria infections included school children, males, and individuals with low SES, living in poorly constructed houses or non-bed net users. These are important baseline data from an area with high prevalence of parasites with ART-R and will be useful in planning interventions for these groups, and in future studies to monitor the trends and potential spread of such parasites, and in designing a response to ART-R.

Abstract Background Therapeutic efficacy studies (TESs) and detection of molecular markers of drug resistance are recommended by the World Health Organization (WHO) to monitor the efficacy of artemis inin combination therapy (ACT). This study assessed the trends of molecular markers of artemis inin resistance and/or reduced susceptibility to lumefantrine using samples collected in TES conducted in Mainland Tanzania from 2016 to 2021. Methods A total of 2,015 samples were collected during TES of artemether-lumefantrine at eight sentinel sites (in Kigoma, Mbeya, Morogoro, Mtwara, Mwanza, Pwani, Tabora, and Tanga regions) between 2016 and 2021. Photo-induced electron transfer polymerase chain reaction (PET-PCR) was used to confirm presence of malaria parasites before capillary sequencing, which targeted two genes: Plasmodium falciparum kelch 13 propeller domain ( k13 ) and P. falciparum multidrug resistance 1 ( pfmdr1 ). Results Sequencing success was ≥87.8%, and 1,724/1,769 (97.5%) k13 wild-type samples were detected. Thirty-seven (2.1%) samples had synonymous mutations and only eight (0.4%) had non-synonymous mutations in the k13 gene; seven of these were not validated by WHO as molecular markers of resistance (I416V, E433D, R471S, P475S, A578S, and Q613E). One sample from Morogoro in 2020 had a k13 R622 I mutation, which is a validated marker of artemisinin partial resistance. For pfmdr1, all except two samples carried N86 (wild-type), while mutations at Y184 F increased from 33.9% in 2016 to about 60.5% in 2021, and only four samples (0.2%) had D1246 Y mutations. pfmdr1 haplotypes were reported in 1,711 samples, with 985 (57.6%) NYD, 720 (42.1%) N F D, and six (0.4%) carrying minor haplotypes (three with NY Y , 0.2%; Y F D in two, 0.1%; and N FY in one sample, 0.1%). Between 2016 and 2021, NYD decreased from 66.1% to 45.2%, while N F D increased from 38.5% to 54.7%. Conclusion This is the first report of the R622I (k13 validated mutation) in Tanzania. N86 and D1246 were nearly fixed, while increases in Y184 F mutations and N F D haplotype were observed between 2016 and 2021. Despite the reports of ART-R in Rwanda and Uganda, this study did not report any other validated mutations in these study sites in Tanzania apart from R622I suggesting that intensified surveillance is urgently needed to monitor trends of drug resistance markers and their impact on the performance of ACTs.