Pharmaco-epidemiology of artemisinin-based combination therapy in the context of impact evaluation of artemether-lumefantrine on malaria morbidity and mortality during programmatic implementation in rural Tanzania

In sub-Saharan Africa previous efforts to control malaria have proved less successful mostly
due to prolonged use of less efficacious mono-therapy drugs to which Plasmodium falciparum
has developed drug resistance. In most parts of malaria endemic regions chloroquine (CQ)
was found to be poorly effective for several decades but it was still being prescribed until
recently. In Tanzania, for instance, P.falciparum was already resistant to CQ in more than 60%
of all P. falciparum positive patients back in the late 80’s but was still used until when it was
possible to replace it by sulfadoxine-pyrimethamine (SP) in 2001. SP is anti-folate sulfa
based anti-malaria drug that was adopted as an interim first line drug by many malaria
endemic countries as there was no affordable immediate alternative to CQ. Elsewhere in sub-
Saharan Africa Zambia was the first African country to embrace policy change with efficacious
anti-malaria combination therapy using Artemisinin-based Combination Therapy (ACT) back in
2004 after support from global funds.
Until 1990, the past three decades have had a sustained global focus on malaria control
strategy with the aim of intensifying developing intervention tools. This was preceded by
specific eradication efforts of the 1940s, which were intensified in most parts of Southern
Europe and America. It was during this period that the global focus on malaria sustained a
great deal of change. In that same period therefore, the main focus was on technical issues
as well as research and development for new tools, that could lead to advances in drug and
vaccine development alongside vector control strategies. There were medium term gains
during this period but at the same time some challenges were recorded. Key among these
challenges was the fragmented global efforts, whereby there was total loss of a broad based
global focus to a joint strategy on the fight against malaria. This resulted in little global support
with no clear roadmap for developing states, mostly in Sub Saharan Africa, to establish
adequate health systems and primary health care for comprehensive malaria management.
These challenges resulted in to overuse of ant-malaria mono-therapies that were cheaply
available in most of these countries and led to development of parasite resistance to drugs
with far reaching consequences. Towards the mid of 1990s, the combination of a worsening
malaria situation and emerging positive technical developments led to renewed global focus
on malaria control. It is for the same reason that in 2000 the global head of states developed
a joint position to address the global disease burden most affecting developing countries as part of the Millennium Development Goals (MDG) of global programme on development to be
achieved by 2015. Two goals were developed to improved health for the Under Five (U5e.i,
MDG4 and MGD6. MGD4 sets target to reduce child mortality by two third by 2015 while
MGD6 aims at combating malaria and other major infectious diseases (HIV and TB) by year
2015 as compared to baseline 1990.
As the results of the launch of these global initiatives, a number of new strategies and tools
against malaria have been developed and existing ones sharpened to better address the
problem. Not later than beginning of last decade, Artemisinin-based Combination Therapy
(ACT) emerged as potential therapeutically efficacious proven tool to combat malaria. In the
face of growing anti-malarial drug resistance due to the use of mono-therapies, ACT has
placed itself as a novel treatment for malaria treatment. Use of insecticide Treated Mosquito
bed-Nets (ITN) has also been advocated. With the support of Global Health Partners, ITN
have been made available to the vulnerable persons within endemic communities. Support to
control malaria has exceeded $ 1000 million a year but malaria still exerts a threat to the U5
and expectant mothers.
In Tanzania ACT as the first line anti-malaria drug was introduced in late 2006, scaled for
country wide use in 2007. The ACT implementations in Tanzania bear some similarities with
approaches in other African countries but there are still major differences. Tanzania has a
homogenous health system that facilitated the rolled out of the malaria control programme as
part of the primary Health Care (PHC) system. This was also supported by the evidence
generated from the North-South research collaborations that informed policy makers.
Government and non-state collaboration within Tanzania was key in informing the above
process. In some cases cross boarder collaboration among economic blocks of East Africa
and Southern African Development Community (SADC) have provided insights into the control
of malaria in the continent.
Some of the novel implementation tools developed and tested in Tanzania have been applied
in the rest of Sub-Saharan malaria endemic states and often supported the global campaign
against malaria. In Tanzania, political stability and peace for over four decades has also made
it easy for quick policy change and scale up of control interventions using ACT this could have
been different in neighboring nations like Uganda, Sudan, Mozambique and Democratic
republic of Congo which have experienced civil strife during this period. Tanzania has emerged as one of the few African countries that provided the ground to test some of the most
successful malaria control interventions for the rest of the world to up-scale.
The Kilombero River basin in Ifakara Tanzania is a known cradle for malaria endemicity.
Several novel interventions have been tested for efficacy and then evaluated for impact during
roll out as programmes. Most findings presented in this thesis have been largely derived from
the Ifakara Demographic surveillance system among other study sites in Tanzania. This work
has provided major insights into the policy change for ACT and its implementation at the
national scale.
The aim of the PhD work presented here was to contribute to a better understanding of the
impact of the ACT introduction on malaria morbidity and mortality in rural Tanzania and to
monitor its long-term safety when used at country wide.
Availability of baseline efficacy profile, mobilization of stakeholders including participating
communities and preparedness among researchers accelerated policy implementation in most
part of Tanzania right from the on-set of policy inception. Findings from the Interdisciplinary
Monitoring Project of Anti-malaria Combination Therapy (IMPACT) and East African Network
for Monitoring Anti-malaria Treatment (EANMAT) programmes as described in this thesis have
provided evidence that informed policy. The invivo studies have shown that artemetherlumefantrine
(AL) was nearly 100% efficacious after controlling for re-infection by Polymerase
Chain Reaction (PCR) in children U5 years in the years prior policy change. We have also
shown that in real life situation it is possible to build comprehensive researchers-policy
makers-pharmaceutical industry partnership to implement strategies for monitoring safety and
proper use of anti-malaria drugs as reported in the programme Artemether-Lumefantrine In
Vulnerable patients: Exploring health Impact (ALIVE). We were able, for the first time in the
ALIVE project to describe a compliance of more than 95% using a complex six-dose regimen
for AL in a randomized study conducted at community level. We have report the establishment
of a pharmacovigilance system in a rural community that also tested for the first time the use
of mobile phone technology with SMS to report anti-malarial serious adverse events (SAE).
The ALIVE project provided an assessment of the impact of ACT and other malarial
interventions on child mortality as well as on malaria transmission. It demonstrated that for
every 10% increases in ITN coverage, there was a 48% reduction in the annual community
parasitaemia [IRR=0.52; 95% CI=0.38 to 0.73]. It also showed that, compared to a period when anti-malaria first line was SP, ACT was responsible for nearly 11% annual decreases in
under five mortality when adjusted for other key factors [IRR= 0.89; 95% CI=0.79 to 1.0].
ALIVE also showed the relationship of key contextual factors with malaria interventions and U5
child mortality. Food security was major determinant of under five child mortality; notably the
rice yields was responsible for nearly 36% reduction in annual mortality [IRR=0.64; 95%
CI=0.54 to 0.75]. As far as malaria transmission is concerned, we observed parallel a 65%
reduction of parasite prevalence in asymptomatic community members of study area as
compared to baseline in 2006 before ACT was introduced in the study population.
Lastly, these effects are likely to be sustainable since the efficacy of AL, as evaluated with an
invivo study conducted one year after implementation has remained above 96% in the
Kilombero valley in spite of its wide scale use. The findings of this thesis attest the importance
of policy change in malaria control supported by evidence gathered from operational
researches. The lessons learned from this work will be relevant to similar interventions locally
and on a global scale in most malaria affected communities. We have also learnt that safety
and compliance issues of medicinal products that are deployed at large scale such as ACT
should be monitored and managed by strong partnership involving the Ministry of Health and it
allied departments, the pharmaceutical industries when possible, the researchers and most
importantly with full participation and support of local leadership and communities. We,
recommend that this partnership gain support from other global health partners to ensure
safety of drugs through rigorous monitoring of its use and long life span. Capacity building of
market and policy implementers is another critical aspect that should be given priority. We also
recommend that resources be made available to strengthen the health system (human
resource, Health Information System and Infrastructure) in order to gain sustained results in
malaria control. This will further create enabling environment and a critical mass of scientists
and public health experts to spearhead anti-malaria policy implementations properly and
monitor it on timely basis.
As outlined in this work, a successful campaign against malaria can be realized through
combining efforts of researchers, policy makers, global health development partners and
communities. This partnership has lead to real life time achievements related programmes,
such as the 1940s malaria elimination campaign in Sardinia Island of Italy. ---------- Zusammenfassung: In Subsahara-Afrika haben sich die bisherigen Bemühungen zur Bekämpfung von Malaria als
wenig erfolgreich erwiesen, da vor allem auf eine Mono-Medikamente-Therapie gesetzt wurde,
gegen welche Plasmodium falciparum inzwischen Resistenzen entwickelt hat. Obwohl sich
Chloroquin (CQ) in den letzten Jahrzehnten in den meisten Malariagebieten als nur teilweise
wirksam erwies, wurde es noch bis vor kurzem eingesetzt.
Bereits in den späten 1980er Jahren wurden beispielsweise in Tansania in über 60% der
P.falciparum-positiven Patienten Resistenzen gegenüber CQ festgestellt. Trotzdem wurde CQ
erst im Jahre 2001 durch Sulfadoxin-Pyrimethamin (SP) ersetzt. SP ist ein Malaria-
Medikament, das in vielen Malaria-endemischen Ländern als Zwischenlösung eingeführt
wurde, da noch keine erschwingliche Alternative zu CQ zur Verfügung stand. Etwa zur selben
Zeit erlebte Sambia als erstes afrikanisches Land einen Politikwandel und führte 2004 mithilfe
globaler Fördermittel die effizientere Artemisinin-based Combination Therapy (ACT) ein.
Zwischen 1960 und 1990 wurde der Fokus auf eine nachhaltige Malaria-Kontroll-Strategie
gelegt, die zum Ziel hatte, die Interventionsstrategien der Entwicklungsländer zu fördern.
Vorangegangen sind in den 1940er Jahren spezifische Maßnahmen zur Ausrottung, wobei der
Schwerpunkt auf technische Fragen sowie auf die Forschung und Entwicklung von neuen
Werkzeugen gelegt wurde, die zu Fortschritten in der Medikamenten- und
Impfstoffentwicklung, sowie in der Vektorkontrollstrategie hätten führen sollen. Es gab
mittelfristig einige Errungenschaften, gleichzeitig entstanden aber in diesem Zeitraum auch
neue Herausforderungen. Eine Hauptherausforderung lag in den globalen Bemühungen, die
eine fokussierte, breit angelegte Strategie zur Bekämpfung von Malaria erschwerte. Dies war
auch der Grund, weshalb es den Ländern südlich der Sahara nicht gelang, eine angemessene
Gesundheitsversorgung aufzubauen. Sie waren deshalb immer noch von veralteten Mono-
Therapien abhängig, die zwar in den meisten Ländern zu günstigen Preisen zur Verfügung
standen, aber wegen deren chronischen Überbeanspruchung zur Entwicklung von
Resistenzen beitrugen. Mitte der 1990er Jahre führte die verschlechterte Situation bezüglich
Malaria zusammen mit den sich abzeichnenden positiven technischen Entwicklungen dazu,
dass die Kontrolle von Malaria wieder in den globalen Fokus rückte. Aus dem gleichen Grund versuchten im Jahr 2000 verschiedene Staatschefs eine
gemeinsame Position bezüglich der Strategie zur Bekämpfung der wichtigsten Krankheiten zu
finden. Zwei Ziele wurden in Form der Millennium Development Goals (MDG) konkret
formuliert und sollten bis 2015 erreicht werden. Das MGD 4 bestand darin die
Kindersterblichkeit bezogen auf das Jahr 1990 um zwei Drittel zu senken, während MGD 6
darauf abzielte die Bekämpfung von Malaria und anderen schweren Infektionskrankheiten
(z.B. HIV und TB) bezüglich der Situation in 1990 deutlich zu verbessern.
Diese globalen Initiativen vermochten einige bereits bestehenden Interventionsstrategien
gegen Malaria zu verbessern und halfen zur Entwicklung einer Reihe neuer Instrumente und
Strategien bei. Erst zu Beginn des letzten Jahrzehnts kam die „Artemisinin-based Combination
Therapy“ (ACT) als eine Alternative zu den Mono-Therapien auf, welche wegen der
wachsenden Resistenz immer mehr an Wirksamkeit einbüsste. Des Weiteren wurde auch für
den Einsatz von „insecticide treated mosquito bed-nets“ (ITNs) plädiert. Dank der
Unterstützung von Global Health Partnern, konnten die ITNs nun für viele in Malariaendemischen
Gebieten lebende Personen zugänglich gemacht werden. Obwohl bisher jährlich
über 1000 Millionen US$ für die Bekämpfung von Malaria ausgegeben wurden, stellt Malaria
weiterhin eine grosse Bedrohung vor allem für Kinder unter 5 Jahren und für schwangere
Frauen dar.
ACT wurde als Haupt-Malaria-Medikament in Tansania gegen Ende 2006 eingeführt und 2007
auf das ganze Land ausgeweitet. Die Realisierung dieses Projekts hatte einige Ähnlichkeiten
mit Ansätzen in anderen afrikanischen Ländern, jedoch gibt es nach wie vor grosse
Unterschiede. Das homogene Gesundheitssystem in Tansania im Allgemeinen und das
„Primary Health Care“ (PHC) System im Speziellen erleichterten die Realisierung dieser
Malaria-Programme erheblich. Auch die Erkenntnisse, die im Rahmen der Nord-Süd-
Forschungskooperationen gewonnen wurden, die Kollaborationen zwischen NGOs und der
Regierung, sowie die Bereitstellung der erforderlichen Nachweise durch die politischen
Entscheidungsträger, führten schliesslich zu einer erfolgreichen Umsetzung. Zusätzlich
ermöglichte die Zusammenarbeit zwischen den wirtschaftlichen Blöcken Ostafrikas und der
„Southern African Development Community“ (SADC) neue Einblicke in die
grenzüberschreitende Kontrolle von Malaria. Einige dieser in Tansania neu entwickelten und praxis-erprobten Instrumente wurden auch in
anderen Staaten südlich der Sahara angewandt und dabei oft von globalen anti-Malaria
Kampagnen unterstützt.
Die politische Stabilität und der Frieden in Tansania während mehr als vier Jahrzehnten haben
ein schnelles Umdenken in der Politik und die landesweite Ausdehnung der ACTKontrollstrategie
überhaupt erst ermöglicht. Viele benachbarte Länder wie Uganda, Sudan,
Mozambique und die Demokratische Republik Kongo erlebten im gleichen Zeitraum viele
Unruhen. Tansania hat sich als eines der wenigen afrikanischen Länder nicht gescheut sich
dem Rest der Welt für Grossversuche der heute erfolgreichsten Interventionen gegen Malaria
zur Verfügung zu stellen.
Der Kilombero River Basin in Ifakara Tansania wird als Wiege von Malaria bezeichnet. Etliche
neue Interventionen wurden auf ihre Wirksamkeit getestet und evaluiert. Die in dieser Arbeit
präsentierten Ergebnisse wurden hauptsächlich aus verschiedenen Studienzentren in
Tansania zusammengetragen, wobei der grösste Teil aus dem „Ifakara Demographic
Surveillance System“ stammt. Die vorliegende Arbeit gewährt Einblicke in das von Tansania
verfolgte Programm zur landesweiten Umsetzung der ACT.
Das Ziel der Doktorarbeit ist es, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Auswirkungen,
welche die Einführung der ACT auf die Malaria Morbidität und Mortalität hatte, beizutragen
und die langfristige Sicherheit im landesweiten Einsatz zu überwachen.
Die erfolgreiche Einbindung der Akteure, insbesondere der teilnehmenden Communities,
sowie die grosse Bereitschaft unter den Forschern beschleunigten die Umsetzung der neuen
Richtlinien von Beginn an. Die auf Beweisen basierten Erkenntnisse, die aus dem
“Interdisciplinary Monitoring Project of anti-malaria Combination Therapy” (IMPACT) und dem
“East African Network for Monitoring anti-malaria Treatment” (EANMAT) gewonnen wurden,
werden in die Entwicklung von neuen Richtlinien einfliessen. Die in vivo Studien haben
gezeigt, dass Artemether-Lumefantrin (AL) nach Kontrolle der Reinfektion durch Polymase
Chain Reaction (PCR) bei Kindern unter fünf Jahren nahezu 100% wirksam war. Wir haben
ebenfalls bewiesen, dass es durch eine intensive Zusammenarbeit zwischen Forschung,
Politik und der pharmazeutischen Industrie möglich ist, auch unter Realbedingungen
Strategien für die Überwachung der Sicherheit und dem sachgemäßen Gebrauch von Antixviii Malaria-Medikamenten umzusetzen. Das „Exploring Health Impact“ Programm (ALIVE) war als
erstes Programm überhaupt in der Lage, in einem randomisierten Beurteilungsdesign auf
Community-Level eine Compliance von mehr als 95% zu einer komplexen 6 Dosen Therapie
von Artemether-Lumefantrin (AL) aufzuzeigen. In Kapitel 5 wird berichtet, dass „ALIVEpharmacovigilance“
afrikaweit die erste community-based Pharmakovigilanz-Studie ist, welche
auch die Verwendung von SMS als Überbringer von schweren Nebenwirkungen untersucht.
Das Projekt ALIVE gewährt sowohl einen Einblick in die Auswirkungen von ACT und anderen
Interventionen auf die Kindersterblichkeit und die Prävalenz. ALIVE hat gezeigt, dass eine
Erhöhung der ITN Abdeckung um 10% eine Verringerung von 48% jährlicher Malariabedingten
Parasitämie auf kommunaler Ebene erzielt [IRR=0.52; 95% CI=0.38 to 0.73]. Es
wurde ebenfalls gezeigt, dass im Vergleich zu der Zeit, als in erster Linie noch SP verwendet
wurde, ACT für ungefähr 11% der jährlichen Reduktion der Mortalität verantwortlich war, wenn
man für andere wichtige Faktoren stratifiziert [IRR = 0,89, 95% CI = 0,79 bis 1,0]. Des
Weiteren wurde beobachtet, dass die Erhöhung der Ernährungssicherheit, insbesondere der
Reiserträge, für fast 36% der Reduktion der jährlichen Mortalität von Kindern unter 5 Jahren
verantwortlich war [IRR = 0,64, 95% CI = 0,54 - 0,75]. Hinsichtlich der Übertragung von
Malaria wurde parallel eine Parasiten-Prävalenz Reduktion von 65% bei asymptomatischen
Community-Mitgliedern im DSS in Ifakara aufgezeichnet, im Vergleich zum Ausgangswert im
Jahr 2006 als ACT eingeführt wurde.
Darüber hinaus wurden diese Auswirkungen als nachhaltig beurteilt, da die Wirksamkeit von
AL, wie anhand einer in vivo Studie ein Jahr nach Umsetzung gezeigt, im Kilombero-Tal bei
über 96% liegt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Bedeutung des politischen Wandels in der
Malariabekämpfung. Dazu gehört die Forschung als systematischer Weg, um das
Gesundheitssystem zu stärken und sich in der Malaria Bekämpfung innerhalb eines
endemischen Entwicklungslands zu engagieren. Die Erfahrungen aus dieser Arbeit werden
relevant sein für Malaria-betroffene Gebiete vor Ort und auf globaler Ebene. Wir haben auch
gelernt, dass die Sicherheit und Compliance von Arzneimitteln, die, wie ACT, im großen
Maßstab eingesetzt werden überwacht und verwaltet werden muss. Dabei sollten das
Gesundheitsministerium und verwandte Fachbereiche sowie die pharmazeutische Industrie
und Forschungspartner, als auch die örtliche Führung miteinbezogen werden. Wir empfehlen,
dass diese Partnerschaft von globalen Gesundheitsorganisationen unterstützt wird. Die rigorose Überwachung der ordnungsgemässen Verwendung von Medikamenten würde zu
einem besseren Verständnis betreffend der Fragen der Sicherheit von Arzneimitteln führen,
sowie deren Lebensdauer verlängern. Ein weiterer kritischer Aspekt, welcher den Vorrang
eingeräumt werden sollte, ist der Aufbau von Kapazitäten. Wir empfehlen, dass Ressourcen
zur Verfügung gestellt werden um das Gesundheitssystem in Malaria-endemischen Gebieten
zu stärken (human resources, Health Information und Infrastruktur), um nachhaltige
Ergebnisse in der Malariabekämpfung zu erreichen. Damit werden günstige
Rahmenbedingungen geschaffen um eine wirksame, regelmässig überwachte, Anti-Malaria-
Politik zu implementieren.
Wie in dieser Arbeit erläutert, kann eine erfolgreiche Kampagne gegen Malaria durch die
Bemühungen der Forscher, politischer Entscheidungsträger, globaler Entwicklungs-Partnern
und der lokalen Gemeinden realisiert werden. Eine solche Partnerschaft hat bereits Erfolge
erzielt, wie das Beispiel in den 1940er Jahren der Malaria Eliminationskampagne in Sardinien,
Italien zeigt.