Mekanismerna för neurala skador vid cerebral malaria är dåligt kända. Även om patogenesen för cerebral malaria är ofullständigt förstådd kan en inblick i den ge ledtrådar till mekanismerna för hjärnskador. Dessutom har beskrivningar av prognostiska faktorer för neurokognitiva följder och postmortala studier gett viss förståelse. Tre observationer väcker dock följande frågor: 1) Hur kan en i stort sett intravaskulär parasit orsaka så mycket neuronal dysfunktion? 2) Trots det stora antalet parasiter i hjärnan hos de flesta patienter, varför är koma så snabbt reversibelt med behandling och med mycket lite påvisbar vävnadsnekros? och 3) Trots likartad presentation, varför har vissa barn ett dåligt neurologiskt utfall medan andra förbättras med knappt några brister?
Ett grundläggande problem vid bedömningen av patogenesen för cerebral malaria är den relativa bristen på patologiska eller fysiologiska data om CNS hos människor. Eftersom invasiva tester av hjärnvävnad inte är säkra är tillgängliga data till stor del från obduktionsstudier. Dessa studier är dock begränsade i urvalsstorlek och kan inte behandla potentiella skillnader hos överlevande jämfört med patienter som dör. Med tanke på denna begränsning har majoriteten av patogenesestudierna utförts i djurmodeller, särskilt murinmodeller med C57BL/6- eller CBA-möss som infekterats med P. berghei ANKA. Även om de har gett en mängd information, tyder viktiga skillnader i vad man vet om patogenes hos människor jämfört med möss på att en direkt extrapolering av resultaten till cerebral malaria hos människor kanske inte är lämplig (19).
Parasitsekvestrering i hjärnan
Parasitsekvestrering i den cerebrala mikrovaskulaturen tros vara en central faktor i patogenesen och de resulterande patofysiologiska förändringarna i vävnaden runt de sekterade parasiterna, vilket kan förklara varför en intravaskulär parasit kan orsaka neurala funktionsstörningar och varför vissa patienter kan få ett dåligt resultat. Uppenbarligen finns det andra faktorer eftersom sequestrering också observeras hos patienter som dör av andra komplikationer till falciparummalaria (20).
Sequestrering är ett resultat av att pRBC:er fäster vid endotelväggarna (cytoadhärens) med hjälp av proteiner som härrör från parasiterna och som exponeras på erytrocyternas yta (21). En grupp parasitantigener, däribland Plasmodium falciparum erythrocytmembranprotein-1 (PfEMP-1), förmedlar bindning till värdreceptorer, av vilka intercellulär adhesionsmolekyl-1 (ICAM-1) är den viktigaste och vars uttryck är uppreglerat i områden som ligger i anslutning till sekreterade parasiter. Den sekterade parasitmassan ökar ytterligare när adherenta erytrocyter agglutinerar med andra pRBC, bildar rosetter med icke-parasiterade erytrocyter eller använder sig av trombocytmedierad klumpning för att binda sig till varandra. Sequestrering försämrar perfusionen och kan förvärra koma genom hypoxi. Dessutom minskar pRBC:s förmåga att deformeras och passera genom mikrovaskulaturen (22). Hypoxi och otillräcklig vävnadsperfusion kan därför vara viktiga patofysiologiska händelser. Även om en kritisk minskning av metabolittillförseln (syre och glukos) kan inträffa, är det hos majoriteten av barnen osannolikt med betydande neuralvävnadsnekros, eftersom koma är snabbt reversibelt med specifik antimalariabehandling. I närvaro av ett ökat metaboliskt behov, t.ex. vid kramper och feber, är dock risken för neurala skador högre och kan vara värre om patienten är hypoglykemisk (23) eller om blodflödet ytterligare äventyras av intrakraniell hypertension (24).
Cytokiner, kemokiner och excitotoxicitet
Cytokiner och kemokiner spelar en komplex roll i patogenesen och har både skyddande och skadliga effekter. Parasitantigener som frigörs vid schizogoni utlöser frisättning av både pro- och antiinflammatoriska cytokiner. Även om balansen mellan dessa mediatorer är avgörande för parasitkontrollen är deras roll i patogenesen för neuronala skador oklar. TNF, den mest studerade cytokinen vid cerebral malaria, uppreglerar ICAM-1-uttrycket på det cerebrala vaskulära endotelet, vilket ökar cytoadhesionen av pRBCs. I närheten av områden med sekatrering ökar den lokala syntesen. Tidpunkten för detta är viktig eftersom TNF tidigt i sjukdomsförloppet kan vara skyddande, men långvariga höga nivåer bidrar till komplikationer (25). TNF är också inblandat i regleringen av synaptisk överföring (styrka, skalning och långtidspotentiering) (10). Således kan cytokinmedierade synaptiska förändringar bidra till syndromet vid cerebral malaria. Trots TNF:s framträdande roll i patogenesen lyckades inte pentoxifyllin, som minskar makrofagernas TNF-produktion (26, 27), och MAb mot TNF (28) minska mortaliteten.
Flera andra cytokiner och kemokiner är viktiga, särskilt interleukin (IL)-1b, IL-6 och IL-10 (29), men låga nivåer av kemokinet RANTES är oberoende associerade med mortalitet (30). NO:s roll är kontroversiell. Sambandet mellan NO-aktivitet och inducerbart NO-syntas med patogenes har varit inkonsekvent (31,32). NO är involverat i värdförsvaret, upprätthållande av kärlstatus och neurotransmission och tros vara en effektor för TNF. Det föreslås att inflammatoriska cytokiner uppreglerar inducerbart NO-syntas i hjärnans endotelceller vilket leder till ökad NO-produktion. NO kan passera blod-hjärnbarriären (BBB), diffundera in i hjärnvävnad och störa neurotransmissionen och kan därför delvis vara ansvarig för den reversibla koman (33).
Andra inflammatoriska produkter, t.ex. metaboliterna i kynureninvägen – kinolin- och kynurensyra – kan också vara viktiga i patogenesen. Quinolinsyra är en NMDA-receptoragonist och ett excitotoxin. Den orsakar kramper i djurmodeller av hjärnsjukdomar, medan kynurensyra är en antagonist och i allmänhet anses vara neuroprotektiv. Excitering av kinolinsyra kan bidra till kramper vid cerebral malaria. Hos barn finns det graderade ökningar av koncentrationen i cerebrospinalvätska (CSF) i olika utfallsgrupper med ökande svårighetsgrad (34), även om ökade nivåer hos vuxna var förknippade med nedsatt njurfunktion (35). På grund av NMDA-receptorernas roll för att modulera neurotransmission och som agonister kan höga nivåer av kinolinsyra ha skadliga långtidseffekter på den kognitiva funktionen.
Endotelskada, apoptos, BBB-dysfunktion och intrakraniell hypertoni
Cytoadhetens av pRBC till endotelet initierar en kaskad av händelser som börjar med transkription av gener som är involverade i inflammation, cell-till-cell-signalering och signaltransduktion, vilket resulterar i endotelaktivering, frigörande av endoteliala mikropartiklar (EMP) och apoptos av värdceller (36). Det finns en utbredd endotelaktivering i kärl som innehåller pRBC, och jämfört med andra komplikationer av falciparummalaria ses betydande ökningar av cirkulerande EMPs hos patienter i koma (37). Dessutom orsakar interaktioner mellan pRBC och trombocyter (som producerar trombocytmikropartiklar) ytterligare skada på endotelceller genom en direkt cytotoxisk effekt (38). Reparation av det skadade endotelet försämras också eftersom man inte lyckas mobilisera tillräckligt med cirkulerande endotelprogenitorceller (39), och plasmanivåerna av endotelreglerare, angiopoietin-1 och angiopoietin-2, är förändrade (40).
I murinmodeller observeras apoptos först i endotelceller och sedan i neuroner och glia (41); stimulansen är att pRBCs kommer i kontakt med endotelet (42) (Fig. 1). Det sker en ackumulering av aktiverade/effektor-CD8-lymfocyter. Apoptos kan induceras genom en perforinberoende process, eftersom cerebrala symtom inte ses i perforinbristande modeller utan endast i vilda former som uppvisar höga ökningar av perforin mRNA (43). Fyra mönster av axonskador har beskrivits: enskilda axoner, diffusa eller mer fokala parenkymala fläckar och neuronala cellkroppar (44), och axonskador korrelerade med plasmalaktat och komadjup. Axonerna hos barn verkar vara mer känsliga för skador eftersom medianvärdet för det mikrotubuli-associerade proteinet tau i CSF är tre gånger högre än hos vuxna (45). Den ökade känsligheten för skador kan förklara den högre prevalensen av följdsjukdomar hos barn.
Förändringar i och runt en cerebral mikrovaskulär med sekterade Plasmodium falciparum-parasiter. En schematisk bild som visar förändringar i och runt ett cerebralt kärl med sekelering av pRBCs. Cytoadhetens av parasiterade erytrocyter till endotelcellsfoderet och sekretering av parasiterade och icke-parasiterade celler i den cerebrala kapillären eller den postkapillära venulen initierar en inflammatorisk process, endotelaktivering, frisättning av EMP och apoptos i det utsatta området. På platsen för cytoadhärensen är BBB möjligen störd och det sker en ökad inflammatorisk reaktion i det perivaskulära området med ökad frisättning av proinflammatoriska cytokiner.
Perivaskulära makrofager runt kärl med parasiter uttrycker receptorer som sialoadhesin som normalt endast förekommer om det har funnits kontakt med plasmaproteiner (46). Även om störningar på platser för sekretering kan utsätta neuronerna för plasmaproteiner har man inte sett något betydande läckage av plasmaproteiner till perivaskulära utrymmen (47). Trots detta är intrakraniell hypertension vanlig hos afrikanska barn; upp till 40 % av barn med djup koma har hjärnsvullnad på datortomografiundersökningar (48). BBB-dysfunktion kan bidra till hypertonin, även om ökad hjärnvolym kan orsakas av sequestrering och ökat cerebralt blodflöde till följd av kramper, hypertermi eller anemi.
Intrakraniell hypertoni minskar det cerebrala perfusionstrycket, näringstillförseln och syretillförseln och kan leda till global ischemisk skada, bråck, kompression av hjärnstammen och död (24,49). Ischemisk skada ses på akut datortomografi, och skademönstret överensstämmer med en kritisk minskning av perfusionstrycket (48). Konvalescentskikten hos dessa patienter visar cerebral atrofi. Många barn med svår hypertoni skrivs ut med spastisk quadriplegi och senare med svåra inlärningssvårigheter (24).
Cerebralt blodflöde och perfusion
Patienter med cerebral malaria har ett ökat cerebralt blodflöde. Denna ökning är troligen ett adaptivt svar på hög en metabolisk efterfrågan för att anpassa syre- och näringstillförseln till behoven eftersom den jugular bulbvenösa syremättnaden förblir inom det normala (50). Nya studier av näthinnan har dock gett bevis för minskad lokal perfusion (51,52). I ögat observeras flera diskreta områden (100-1000 μm) med vitare näthinna hos de flesta barn med cerebral malaria. Dessa områden har försämrad kapillärperfusion vid fluoresceinangiografi (51), Figur 2. Fysiologiskt sett är minskad lokal perfusion förknippad med en onormal elektroretinografi (52). Om näthinnan speglar händelser i hjärnan kan liknande obstruktion förekomma i hjärnan, och koma vid cerebral malaria kan delvis vara ett resultat av underperfusion i flera men små områden i hjärnan. Eftersom de områden av hjärnan som påverkas är små, med tidig behandling och snabb avhjälpning av obstruktionen, finns det minimal vävnadsnekros och ett tidigt återställande av perfusionen kan förklara den nästan fullständiga återhämtningen av den grova neurologiska funktionen hos majoriteten av patienterna. Exponering för hypoxi lämnar dock fortfarande många barn med subtila (t.ex. kognitiva) brister. Hos dem som avlider eller utvecklar en allvarlig hjärnskada kan den sekelerade massan vara högre, blodflödesobstruktionen kan inte lätt reverseras och den hypoxiska och ischemiska skadan är mer utbredd (53).
Retinalförändringar och fluoresceinangiografi hos ett barn med cerebral malaria. Dag 1 (intagning är d 0): (A) Färgfundusfotografi av ett barn med cerebral malaria; flera retinala blödningar är synliga. Ingen större förändring jämfört med intagningen. (B) Fluoresceinangiografi visar flera områden med retinal nonperfusion. Dessa är tydligare avgränsade än vid d 0 (intagning). (C) Vid högre förstoring och senare under angiografins gång finns det ett lätt läckage runt gränsen mellan de perfunderade och icke perfunderade zonerna. Läckaget kan tyda på att barriären mellan blod och retina inte fungerar. Dag 3 i koma: (D) Det finns små förändringar i utseendet jämfört med dag 1. (E) Men det finns en betydande återhämtning i områden med icke-perfusion. (F) Vid högre förstoring och senare i angiografikörningen observeras fortfarande läckage av fluorescein från reperfunderade kapillärer och kapillärer som tidigare befunnit sig på gränsen till ickeperfusion. Fotografier med tillstånd av Dr Nicholas Beare-Royal Liverpool University Hospital och Wellcome Trust-Liverpool School of Hygiene and Tropical Medicine Program in Malawi.
Det regionala blodflödet kan också förändras. I en transkraniell dopplerstudie var sonografiska avvikelser förknippade med lateraliseringsunderskott hos sex av elva barn som utvecklade allvarliga funktionsunderskott vid tillfrisknandet (54), medan man hos patienter med svår intrakraniell hypertoni observerade ett linjärt samband mellan cerebralt perfusionstryck och blodflödeshastighet, vilket tyder på att autoregulationen var nedsatt. Dessutom sågs sonografiska drag som tyder på progressiv intrakraniell hypertension hos några som senare avled.
Kramper
Plasmodium falciparum är epileptogent, och risken för kramper ökar med parasitemin (55). Kramper är ett vanligt inslag vid cerebral malaria hos barn; >80 % tas in med kramper och kramper återkommer hos 60 % under intagningen (56). I andra modeller beskrivs irreversibla neuronskador efter långvarig anfallsaktivitet; inom några dagar kan man se ödem på MRT (57) men med tiden ersätts detta av lokal atrofi och glios (58). Det råder dock ingen enighet om huruvida anfallen orsakar hjärnskadan eller är en manifestation av en skadad hjärna (59,60). Även om profylaktiska antikonvulsiva medel vid traumatisk hjärnskada (TBI) förhindrade omedelbar återkomst av anfall, minskade de således inte risken för efterföljande epilepsi (61). På samma sätt minskade högdos profylaktisk fenobarbital hos barn med cerebral malaria avsevärt återkommande anfall (62) men förbättrade inte det kognitiva resultatet (63). I den här studien var emellertid profylaktisk fenobarbital förknippat med ökad dödlighet (på grund av andningsdepression) och studien om kognitiva resultat omfattade endast hälften av den ursprungliga kohorten. Det troliga scenariot är att hjärnskadan orsakas av det anfallsinitierande skadliga agenset. Långvariga anfall kan förvärra denna skada och sätta igång en ond cirkel av neurala skador och fler anfall.
Djup, varaktighet och orsak till koma
Det har föreslagits att cerebral malaria inte är ett enda homogent syndrom utan snarare fyra distinkta grupper: ett långvarigt postiktalt tillstånd, dold status epilepticus, allvarlig metabolisk derangering och ett primärt neurologiskt syndrom (64). Den femte gruppen kan vara patienter med falsk cerebral malaria hos vilka koma har andra orsaker och parasitemi är tillfällig (8).
Patienter med förlängt postiktalt tillstånd har koma sekundärt till anfall, återfår medvetandet inom 6 timmar och har en god neurologisk återhämtning. Även om anfallen skiljer sig från enkla feberanfall kan samma riskfaktorer spela in. Å andra sidan har de som har konverterat status epilepticus koma efter långvariga anfall. De fysiska tecknen på anfallsaktivitet är ofta så minimala att de kanske inte känns igen. Om tillståndet inte upptäcks kan det vara katastrofalt eftersom dessa patienter är hypoxiska och hyperkarboniska på grund av hypoventilation och löper risk för aspiration. Det neurokognitiva resultatet kan bero på hur länge anfallen har pågått.
Patienter med allvarliga metaboliska störningar kan återfå medvetandet några timmar efter återupplivning. Försämrat medvetande är ett sekundärt fenomen till en ogynnsam miljö. Återigen kan långvariga perioder av antingen hypoglykemi eller acidos orsaka neuronal dysfunktion eller död och, utfallet kan bero på varaktigheten av exponering bland överlevande.
Dödsfall och neurologiska följdsjukdomar kan uppstå av olika mekanismer. Hos gambiska barn var neurologiska följder förknippade med upprepade kramper och med djup och långvarig koma, medan döden var förknippad med hypoglykemi och acidos, vilket tyder på att de flesta tidiga dödsfall vid cerebral malaria kan bero på en överväldigande metabolisk störning (65). En tidig korrigering av dessa störningar kan ge tid för slutgiltig behandling. Nyligen genomförda fas II-försök med albumin som återupplivningsvätska har gett stöd för detta påstående (66) och har lett till det pågående försöket med vätskeexpansion som understödjande behandling för mycket sjuka barn på flera afrikanska sjukhus.
Patienter med ett primärt neurologiskt syndrom uppvisar kramper ofta utan allvarliga metaboliska störningar och har det sämsta neurokognitiva utfallet. De är inte allvarligt anemiska, och koma kvarstår i 24-48 timmar långt efter det att anfallen har upphört. Intrakraniell hypertension är vanlig. Koma kan vara en primär konsekvens av intrakraniell sequestrering av malariaparasiter.
Patogenes av vissa specifika funktionsnedsättningar
Kognitiva följder.
I en prospektiv studie beskrevs långvarig kognitiv funktionsnedsättning hos 25 % av barnen (18). Retrospektiva studier hade dokumenterade andelar på 14-24 % (17,67). Riskfaktorer för kognitiv försämring var hypoglykemi, kramper, djup och varaktighet av koma samt hyporeflexi (18,23,67,68). Endast en studie har undersökt immunpatogenesen för kognitiv nedsättning (29). I denna studie korrelerade serumnivåerna av flera cytokiner och kemokiner inte med funktionsnedsättning 6 månader efter utskrivning, men CSF-nivåerna av TNF korrelerade med arbetsminne och uppmärksamhet, vilket tyder på att förhöjda nivåer av TNF i CNS påverkar det kognitiva resultatet på lång sikt negativt. Den bristfälliga litteraturen om riskfaktorer för kognitiv försämring understryker behovet av ytterligare studier på detta område.
Tal- och språkstörning.
Cerebral malaria är en av de främsta orsakerna till förvärvad språkstörning i tropikerna. 11,8 % av de överlevande barnen har brister, särskilt när det gäller ordförråd, receptivt och expressivt tal, ordfynd och fonologi. De flesta bristerna observeras i en undergrupp av barn, varav vissa har samtidiga funktionsnedsättningar i icke-verbala funktioner, minne eller uppmärksamhet (69). Patogenesen är dåligt förstådd; det är oklart om språkstörningarna är en del av en global skada eller om allvarlig malaria orsakar skador på specifika språkcentrum. Studier med funktionell avbildning kan vara användbara för att avgränsa patogenesen.
Epilepsi.
Epilepsi utvecklas hos ∼10 % av exponerade barn månader till år efter exponeringen (16), och den kumulativa incidensen ökar med tiden (70). Även om anfall vid cerebral malaria inträffar i samband med en febril sjukdom och många har komplexa drag, är temporallobsepilepsi ovanligt; i stället observeras främst generaliserade tonisk-kloniska och sekundärt generaliserade anfall (71). Epilepsiens patogenes är dåligt känd även om den kan vara en följd av fokal hypoxisk/ischemisk skada i gränsområden i hjärncirkulationen (56,72) eller global ischemisk skada (48,72).
Nyare begrepp om epileptogenes utgår från hypotesen att det hos patienter som utsätts för hjärnskada kan utvecklas flera områden med hyperexcitabla nätverk, vart och ett med olika anfallssannolikhet och oberoende urladdningar, i hjärnan. Kliniska anfall kan utvecklas när dessa urladdningar sammanfogas och involverar mer av den omgivande normala hjärnan (73). Detta koncept har studerats i djurmodeller och hos patienter med svårbehandlad epilepsi i tinningloben, där det finns en omfattande förlust av neurala celler, glios, axonala utväxter och bildning av nya synapser i hippocampus. Överlevande neuroner och glia uttrycker gener som kodar för jonkanaler och receptorer – förändringar som tros vara ansvariga för de förändrade fysiologiska egenskaperna hos den skadade regionen (74). Om konceptet stämmer kan hypoxisk/ischemisk nervskada i områden utan perfusion vara den tillfälliga mekanismen vid cerebral malaria.
Beteende och neuropsykiatriska störningar.
Hos barn omfattar beteendeproblem bland annat ouppmärksamhet, impulsivitet och hyperaktivitet, beteendestörningar och försämrad social utveckling. Obsessiva, självskadande och destruktiva beteenden observeras också (17,55) (Richard Idro, personliga observationer). Symtomen utvecklas 1-4 månader efter exponeringen och patogenesen är oklar. Hos vuxna utvecklas det neurologiska syndromet efter malaria (tabell 1) efter att parasiterna har avlägsnats (75). Patogenesen är också oklar. Prospektiva studier behövs för att beskriva dessa problem tydligt, undersöka patogenesen och inleda terapeutiska studier.
Sammanfattningsvis initierar cytoadhärens och sekretering av pRBC i cerebrala mikrovaskulaturen lokal endotelskada och apoptos, inflammation, BBB-dysfunktion, hjärnsvullnad och intrakraniell hypertension. Sequestrering försämrar den lokala perfusionen och kan orsaka hypoxiska skador. De skadliga insatserna och de epileptogena parasiterna orsakar anfall som i sin tur kan sätta igång en ond cirkel av hjärnskador och fler anfall. Svåra metaboliska störningar kan förvärra skadan. Hjärnskadans omfattning kan bero på orsaken till koma, graden av mikrovaskulär obstruktion och inflammatorisk reaktion, exponeringens varaktighet, förekomst av samtidiga komplikationer såsom chock samt tillgång till och snabbhet i insatserna. För att förbättra resultatet kan olika skademekanismer kräva separata insatser.