Plasmodium falciparum reticulocyte-binding protein homolog 5 (RH5) is a leading blood-stage malaria vaccine antigen target, currently in a phase 2b clinical trial as a full-length soluble protein/adjuvant vaccine candidate called RH5.1/Matrix-M. We identify that disordered regions of the full-length RH5 molecule induce non-growth inhibitory antibodies in human vaccinees and that a re-engineered and stabilized immunogen (including just the alpha-helical core of RH5) induces a qualitatively superior growth inhibitory antibody response in rats vaccinated with this protein formulated in Matrix-M adjuvant. In parallel, bioconjugation of this immunogen, termed "RH5.2," to hepatitis B surface antigen virus-like particles (VLPs) using the "plug-and-display" SpyTag-SpyCatcher platform technology also enables superior quantitative antibody immunogenicity over soluble protein/adjuvant in vaccinated mice and rats. These studies identify a blood-stage malaria vaccine candidate that may improve upon the current leading soluble protein vaccine candidate RH5.1/Matrix-M. The RH5.2-VLP/Matrix-M vaccine candidate is now under evaluation in phase 1a/b clinical trials.

Abstract Reticulocyte-binding protein homologue 5 (RH5), a leading blood-stage Plasmodium falciparum malaria vaccine target, interacts with cysteine-rich protective antigen (CyRPA) and RH5-interacting protein (RIPR) to form an essential heterotrimeric “RCR-complex”. We investigate whether RCR-complex vaccination can improve upon RH5 alone. Using monoclonal antibodies (mAbs) we show that parasite growth-inhibitory epitopes on each antigen are surface-exposed on the RCR-complex and that mAb pairs targeting different antigens can function additively or synergistically. However, immunisation of female rats with the RCR-complex fails to outperform RH5 alone due to immuno-dominance of RIPR coupled with inferior potency of anti-RIPR polyclonal IgG. We identify that all growth-inhibitory antibody epitopes of RIPR cluster within the C-terminal EGF-like domains and that a fusion of these domains to CyRPA, called “R78C”, combined with RH5, improves the level of in vitro parasite growth inhibition compared to RH5 alone. These preclinical data justify the advancement of the RH5.1 + R78C/Matrix-M™ vaccine candidate to Phase 1 clinical trial.

Summary The generation of high-quality antibody responses to PfCSP, the primary surface antigen of Plasmodium falciparum sporozoites, is paramount to the development of an effective malaria vaccine. Here we present an in-depth structural and functional analysis of a panel of potent antibodies encoded by the IGHV3-33 germline gene, which is among the most prevalent and potent antibody families induced in the anti-CSP immune response and targets the NANP repeat region. Cryo-EM reveals a remarkable spectrum of helical Fab-CSP structures stabilized by homotypic interactions between tightly packed Fabs, many of which correlate with somatic hypermutation. We demonstrate a key role of these mutated homotypic contacts for high avidity binding to CSP and in protection from P. falciparum malaria infection. These data emphasize the importance of anti-homotypic affinity maturation in the frequent selection of IGHV3-33 antibodies, advance our understanding of the mechanism(s) of antibody-mediated protection, and inform next generation CSP vaccine design.

The highly conserved and essential Plasmodium falciparum reticulocyte-binding protein homolog 5 (PfRH5) has emerged as the leading target for vaccines against the disease-causing blood stage of malaria. However, the features of the human vaccine-induced antibody response that confer highly potent inhibition of malaria parasite invasion into red blood cells are not well defined. Here, we characterize 236 human IgG monoclonal antibodies, derived from 15 donors, induced by the most advanced PfRH5 vaccine. We define the antigenic landscape of this molecule and establish that epitope specificity, antibody association rate, and intra-PfRH5 antibody interactions are key determinants of functional anti-parasitic potency. In addition, we identify a germline IgG gene combination that results in an exceptionally potent class of antibody and demonstrate its prophylactic potential to protect against P. falciparum parasite challenge in vivo. This comprehensive dataset provides a framework to guide rational design of next-generation vaccines and prophylactic antibodies to protect against blood-stage malaria.

Abstract The development of a highly effective vaccine against the pathogenic blood-stage infection of human malaria will require a delivery platform that can induce an antibody response of both maximal quantity and functional quality. One strategy to achieve this includes presenting antigens to the immune system on virus-like particles (VLPs). Here we sought to improve the design and delivery of the blood-stage Plasmodium falciparum reticulocyte-binding protein homolog 5 (RH5) antigen, which is currently in a Phase 2 clinical trial as a full-length soluble protein-in-adjuvant vaccine candidate called RH5.1/Matrix-M™. We identify disordered regions of the full-length RH5 molecule induce non-growth inhibitory antibodies in human vaccinees, and a re-engineered and stabilized immunogen that includes just the alpha-helical core of RH5 induces a qualitatively superior growth-inhibitory antibody response in rats vaccinated with this protein formulated in Matrix-M™ adjuvant. In parallel, bioconjugation of this new immunogen, termed “RH5.2”, to hepatitis B surface antigen VLPs using the “plug-and-display” SpyTag-SpyCatcher platform technology also enabled superior quantitative antibody immunogenicity over soluble antigen/adjuvant in vaccinated mice and rats. These studies identify a new blood-stage malaria vaccine candidate that may improve upon the current leading soluble protein vaccine candidate RH5.1/Matrix-M™. The RH5.2-VLP/Matrix-M™ vaccine candidate is now under evaluation in Phase 1a/b clinical trials.

ABSTRACT In recent years, reticulocyte-binding protein homologue 5 (RH5) has emerged as a leading blood-stage Plasmodium falciparum malaria vaccine antigen. The most advanced blood-stage vaccine candidate in a Phase 2b clinical trial, RH5.1/Matrix-M™, is based on a full-length soluble protein-with-adjuvant formulation. RH5 interacts with cysteine-rich protective antigen (CyRPA) and RH5- interacting protein (RIPR) to form an essential heterotrimeric “RCR-complex”. Here, we investigated whether a vaccine candidate based on the ternary RCR-complex could substantially improve upon the leading clinical candidate RH5.1/Matrix-M™ in preclinical studies. Using a panel of monoclonal antibodies (mAbs) we confirm that parasite growth-inhibitory epitopes on each antigen are exposed on the surface of the RCR-complex and that mAb pairs binding to different antigens can function additively or synergistically to mediate parasite growth inhibition activity (GIA) in vitro . However, immunisation of rats with the RCR-complex consistently fails to outperform RH5.1 alone. We show this is due to immuno-dominance of RIPR coupled with the inferior potency of anti-full length RIPR polyclonal IgG antibodies as compared to the anti-RH5 and anti-CyRPA response. To address this, we identified the growth-inhibitory antibody epitopes of RIPR are clustered within C-terminal EGF-like domains of RIPR. A fusion of these EGF domains to CyRPA, called “R78C”, combined with RH5.1, provided a new vaccination strategy that improves upon the levels of in vitro GIA seen with RH5.1 alone. Superiority of the combination antigen vaccine candidate was achieved by the induction of a quantitatively higher, but qualitatively similar, polyclonal antibody response that demonstrated additive GIA across the three antigen targets. These preclinical data justified the advancement of the RH5.1+R78C/Matrix-M™ combination vaccine to a Phase 1 clinical trial.

The highly conserved and essential Plasmodium falciparum reticulocyte-binding protein homolog 5 (PfRH5) has emerged as the leading target for vaccines that seek to protect against the disease-causing blood-stage of malaria. However, the features of the human vaccine-induced antibody response that confer highly potent inhibition of malaria parasite invasion into red blood cells are not well defined. Here we characterize over 200 human IgG monoclonal antibodies induced by the most advanced PfRH5 vaccine. We define the antigenic landscape of this molecule, and establish epitope specificity, antibody association rate and intra-PfRH5 antibody interactions are key determinants of functional anti-parasitic potency. In addition, we identify a germline gene combination that results in an exceptionally potent class of antibody and demonstrate its prophylactic potential to protect against P. falciparum parasite challenge in vivo. This comprehensive dataset provides a framework to guide rational design of next-generation vaccines and prophylactic antibodies to protect against blood-stage malaria.

Circulating sexual stages of Plasmodium falciparum (Pf) can be transmitted from humans to mosquitoes, thereby furthering the spread of malaria in the population. It is well established that antibodies (Abs) can efficiently block parasite transmission. In search for naturally acquired Ab targets on sexual stages, we established an efficient method for target-agnostic single B cell activation followed by high-throughput selection of human monoclonal antibodies (mAbs) reactive to sexual stages of Pf in the form of gamete and gametocyte extract. We isolated mAbs reactive against a range of Pf proteins including well-established targets Pfs48/45 and Pfs230. One mAb, B1E11K, was cross-reactive to various proteins containing glutamate-rich repetitive elements expressed at different stages of the parasite life cycle. A crystal structure of two B1E11K Fab domains in complex with its main antigen, RESA, expressed on asexual blood stages, showed binding of B1E11K to a repeating epitope motif in a head-to-head conformation engaging in affinity-matured homotypic interactions. Thus, this mode of recognition of Pf proteins, previously described only for PfCSP, extends to other repeats expressed across various stages. The findings augment our understanding of immune-pathogen interactions to repeating elements of the Plasmodium parasite proteome and underscore the potential of the novel mAb identification method used to provide new insights into the natural humoral immune response against Pf .A naturally acquired human monoclonal antibody recognizes proteins expressed at different stages of the Plasmodium falciparum lifecycle through affinity-matured homotypic interactions with glutamate-rich repeats.