Background. Miltefosine (MIL), the only oral drug for visceral leishmaniasis (VL), is currently the first-line therapy in the VL elimination program of the Indian subcontinent. Given the paucity of anti-VL drugs and the looming threat of resistance, there is an obvious need for close monitoring of clinical efficacy of MIL.

Leishmania donovani is the etiological agent of visceral leishmaniasis (VL) in the Indian subcontinent. However, it is also known to cause cutaneous leishmaniasis (CL) in Sri Lanka. Sri Lankan L. donovani differs from other L. donovani strains, both at the molecular and biochemical level. To investigate the different species or strain-specific differences of L. donovani in Sri Lanka we evaluated sequence variation of the kinetoplastid DNA (kDNA). Parasites isolated from skin lesions of 34 CL patients and bone marrow aspirates from 4 VL patients were genotyped using the kDNA minicircle PCR analysis. A total of 301 minicircle sequences that included sequences from Sri Lanka, India, Nepal and six reference species of Leishmania were analyzed. Haplotype diversity of Sri Lankan isolates were high (H d = 0.757) with strong inter-geographical genetic differentiation (F ST > 0.25). In this study, L. donovani isolates clustered according to their geographic origin, while Sri Lankan isolates formed a separate cluster and were clearly distinct from other Leishmania species. Within the Sri Lankan group, there were three distinct sub-clusters formed, from CL patients who responded to standard antimony therapy, CL patients who responded poorly to antimony therapy and from VL patients. There was no specific clustering of sequences based on geographical origin within Sri Lanka. This study reveals high levels of haplotype diversity of L. donovani in Sri Lanka with a distinct genetic association with clinically relevant phenotypic characteristics. The use of genetic tools to identify clinically relevant features of Leishmania parasites has important therapeutic implications for leishmaniasis.

Whole genome sequencing (WGS) is increasingly used for molecular diagnosis and epidemiology of infectious diseases. Current Leishmania genomic studies rely on DNA extracted from cultured parasites, which might introduce sampling and biological biases into the subsequent analyses. Up to now, direct analysis of Leishmania genome in clinical samples is hampered by high levels of human DNA and large variation in parasite load in patient samples. Here, we present a method, based on target enrichment of Leishmania donovani DNA with Agilent SureSelect technology, that allows the analysis of Leishmania genomes directly in clinical samples. We validated our protocol with a set of artificially mixed samples, followed by the analysis of 63 clinical samples (bone marrow or spleen aspirates) from visceral leishmaniasis patients in Nepal. We were able to identify genotypes using a set of diagnostic SNPs in almost all of these samples (97%) and access comprehensive genome-wide information in most (83%). This allowed us to perform phylogenomic analysis, assess chromosome copy number and identify large copy number variants (CNVs). Pairwise comparisons between the parasite genomes in clinical samples and derived in vitro cultured promastigotes showed a lower aneuploidy in amastigotes as well as genomic differences, suggesting polyclonal infections in patients. Altogether our results underline the need for sequencing parasite genomes directly in the host samples.Author summary Visceral leishmaniasis (VL) is caused by parasitic protozoa of the Leishmania donovani complex and is lethal in the absence of treatment. Whole Genome Sequencing (WGS) of L. donovani clinical isolates revealed hitherto cryptic population structure in the Indian Sub-Continent and provided insights into the epidemiology and potential mechanisms of drug resistance. However, several biases are likely introduced during the culture step. We report here the development of a method that allows determination of parasite genomes directly in clinical samples, and validate it on bone marrow and splenic aspirates of VL patients in Nepal. Our study sheds a new light on the biology of Leishmania in the human host: we found that intracellular parasites of the patients had very low levels of aneuploidy, in sharp contrast to the situation in cultivated isolates. Moreover, the observed differences in genomes between intracellular amastigotes of the patient and the derived cultured parasites suggests polyclonality of infections, with different clones dominating in clinical samples and in culture, likely due to fitness differences. We believe this method is most suitable for clinical studies and for molecular tracking in the context of elimination programs.