Investigations on Cryptosporidium and Giardia in Tigray, Ethiopia from a One Health Perspective

Abstract

Enteric protozoans Cryptosporidium spp. and Giardia duodenalis are among the leading causes of diarrhoea in children. These parasites have particular impact in lowand middle-income countries. In these countries, people often live in close contact with their animals, highlighting the potential role for zoonotic routes of transmission in disease spread. Because of the existence of resistant (oo)cysts of these parasites, which are capable of extended periods of survival in the environment, as well as their high excretion rates and low infective doses, they can be transmitted directly via the faecal oral route or indirectly, through contaminated drinking water and fresh produce. Despite their high prevalence and considerable health effects on young animals and people, few studies have been conducted in developing countries, regarding the role of livestock in the transmission of these parasites and in the contamination of water and fresh produce. The present PhD project was aimed at investigating Cryptosporidium and Giardia duodenalis from a One-Health perspective in Tigray, Ethiopia. The study focused on investigating the occurrence of Cryptosporidium and Giardia duodenalis in humans and livestock and determine the extent of zoonotic transmission in the region, as well as the role of different transmission routes. The occurrence of Cryptosporidium and Giardia infection in people was 6% and 26%, respectively. Molecular characterization of Cryptosporidium isolates revealed C. ubiquitum, subtype XIIa and C. hominis subtypes IdA17 and IbA9G3. For Giardia, assemblage B predominated, but we also identified a few samples with assemblage A (AII). The occurrence of Cryptosporidium infection was 10, 9, and 4% in calves, lambs, and goat kids, respectively; equivalent figures for Giardia infection were 38, 32, and 21%. Periparturient care was shown to be a particularly relevant risk factor for infection, in livestock and infections were less likely to occur under extensive management systems. Molecular characterisation of Cryptosporidium isolates revealed C. ubiquitum, subtype XIIa in all three host species; C. ryanae, C. andersoni, C. bovis, and C. xiaoi were also identified. For Giardia, assemblage E predominated in all host species, but among calf isolates we also identified a few potentially zoonotic genotypes (assemblages A (AI) and assemblage B). Thus, there was a widespread circulation of Cryptosporidium and Giardia duodenalis in dairy calves, lambs, and goat kids, but an apparent lack of the common zoonotic species. This indicates that despite the relatively high occurrence of infection with these parasites in both people and livestock and their close contact in our rural study sites, the transmission of Cryptosporidium and Giardia between humans and their animals seems to be surprisingly uncommon. Analysis of water and fresh produce for Cryptosporidium and Giardia to investigate their potential transmission routes for these parasite infections, found contamination in water in two of the four districts. Contamination levels in positive samples were generally low, but some samples were relatively heavily contaminated with Giardia cysts (highest contamination was 22 cysts per 10 L sample and 71 cysts per 30g of cabbage). Due to the limitations associated with relatively few numbers of intact (nucleated) parasites in these samples, molecular characterisation was restricted, but Giardia assemblage A was identified in one sample of lettuce. In conclusion, using a One-Health approach, my study was able to identify that despite the close interaction between people and livestock in the study area, anthroponotic transmission appears to be the most likely route of infection for both Cryptosporidium and Giardia. Given the public health and veterinary burden associated with these parasites, identifying those factors that are crucial in reducing parasite circulation in communities and environments necessitates further research in Tigray, and may also be applied elsewhere.

De enteriske protozoene Cryptosporidium spp. og Giardia duodenalis er blant de viktigste årsakene til diaré hos barn. Disse parasittene har en spesielt viktig rolle i lav- og mellominntektsland. I disse landende lever ofte personer i nærkontakt med dyr, noe som fremhever den potensielle rollen for zoonotiske overføringsveier i sykdomsspredning. På grunn av tilstedeværelsen av resistente (oo)cyster av disse parasittene, som kan overleve lenge i miljøet, i tillegg til deres høye ekskresjonsrater og lave infeksjonsdoser, kan de bli overført direkte via den fekal-orale ruten eller indirekte via kontaminert drikkevann og ferske råvarer. Til tross for deres høye utbredelse og betraktelige helseeffekter på unge dyr og mennesker, få studier har blitt utført i utviklingsland angående husdyrenes rolle i overføring av disse parasittene og i kontamineringen av vann og ferske råvarer. Dette PhD-prosjektet var rettet mot å undersøke Cryptosporidium og Giardia duodenalis fra et Èn Helse perspektiv i Tigray, Etiopia. Studien fokuserte på å undersøke forekomsten av Cryptosporidium og Giardia duodenalis i mennesker og fastslå omfanget av zoonotisk overføring i området, i tillegg til rollen av ulike overføringsveier. Forekomsten av infeksjon med Cryptosporidium og Giardia hos mennesker var henholdsvis 6% og 26%. Molekylær karakterisering av isolater fra Cryptosporidium avslørte C. ubiquitum, subtype XIIa og C. hominis subtype IdA17 og IbA9G3. For Giardia dominerte assemblage B, men vi fant også noen få prøver med assemblage A (AII). Forekomsten av infeksjon med Cryptosporidium var henholdsvis 10, 9 og 4% i kalver, lam og kje; tilsvarende tall for infeksjon med Giardia var 38, 32, and 21%. Omsorg etter fødsel ble funnet til å være en spesielt relevant risikofaktor for infeksjon, infeksjoner hadde lavere sannsynlighet til å oppstå hos husdyr ved ekstensiv jordbruksdrift. Molekylær karakterisering av Cryptosporidium-isolater avslørte C. ubiquitum, subtype XIIa hos alle tre vertsartene; C. ryanae, C. andersoni, C. bovis og C. xiaoi også ble identifisert. For Giardia, assemblage E dominerte i alle vertsarter, men blant isolater fra kalv ble det også identifisert noen få potensielle zoonotiske genotyper (assemblages A (AI) og assemblage B). Dermed var det utbredt sirkulering av Cryptosporidium og Giardia duodenalis i kalver, lam og kje, men med en tilsynelatende mangel av de mest vanlige zoonotiske artene. Dette indikerer til tross for den relativt høye forekomsten av infeksjon med disse parasittene hos både mennesker og husdyr og deres nære kontakt på våre landlige studiesteder, transmisjonen av Cryptosporidium og Giardia imellom mennesker og deres dyr ser ut til å være overraskende uvanlig. Analyse av vann og ferske råvarer for Cryptosporidium og Giardia for undersøkelse av deres potensielle overføringsveier for disse parasittinfeksjonene, ble det funnet kontaminering i vann i to av de fire distriktene. Kontamineringsnivået i de positive prøvene var generelt lavt, men noen prøver hadde relativt høy kontaminering med Giardia cyster (den høyeste kontamineringen var 22 cyster per 10 L prøve og 71 cyster per 30g kål). På grunn av begrensingene knyttet til veldig få antall av intakte ((oo)cyster med cellekjerne) parasitter i disse prøvene, var molekylær karakterisering begrenset, men Giardia assemblage A ble identifisert i en av salatprøvene. Som konklusjon, ved bruk av Èn Helse tilnærming klarte min studie å identifisere, til tross for det nære samspillet mellom mennesker og husdyr i dette studieområdet, at antroponotisk overføring ser ut til å være den mest sannsynlige smitteveien for både Cryptosporidium og Giardia. Gitt folkehelsen og veterinærbelastningen forbundet med disse parasittene, identifisering av disse faktorene er avgjørende for å redusere sirkulering av parasittene i lokalsamfunn og miljøer nødvendiggjør videre forskning i Tigray, som også kan benyttes andre steder.