Abstract Vaccine-induced sterilizing protection from infection by Plasmodium parasites, the pathogens that cause malaria, will be essential in the fight against malaria as it would prevent both malaria-related disease and transmission. Stopping the relatively small number of parasites injected by the mosquito before they can migrate from the skin to the liver is an attractive means to this goal. Antibody-eliciting vaccines have been used to pursue this objective by targeting the major parasite surface protein present during this stage, the circumsporozoite protein (CSP). While CSP-based vaccines have recently had encouraging success in disease reduction, this was only achieved with extremely high antibody titers and appeared less effective for a complete block of infection (i.e. sterile protection). While such disease reduction is important, these and other results indicate that strategies focusing on CSP alone may not achieve the high levels of sterile protection needed for malaria eradication. Here, we show that monoclonal antibodies (mAbs) recognizing another sporozoite protein, TRAP/SSP2, exhibit a range of inhibitory activity and that these mAbs can augment CSP-based protection despite conferring no sterile protection on their own. Therefore, pursuing a multivalent subunit vaccine immunization is a promising strategy for improving infection-blocking malaria vaccines.

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.

Malaria, caused by Plasmodium parasites, remains one of the most devastating infectious diseases worldwide, despite control efforts that have lowered morbidity and mortality. The only P. falciparum vaccine candidates to show field efficacy are those targeting the asymptomatic pre-erythrocytic (PE) stages of infection. The subunit (SU) RTS,S/AS01 vaccine, the only licensed malaria vaccine to date, is only modestly effective against clinical malaria. Both RTS,S/AS01 and the SU R21 vaccine candidate target the PE sporozoite (spz) circumsporozoite (CS) protein. These candidates elicit high-titer antibodies that provide short-term protection from disease, but do not induce the liver-resident memory CD8+ T cells (Trm) that confer strong PE immunity and long-term protection. In contrast, whole-organism (WO) vaccines, employing for example radiation-attenuated spz (RAS), elicit both high antibody titers and Trm, and have achieved high levels of sterilizing protection. However, they require multiple intravenous (IV) doses, which must be administered at intervals of several weeks, complicating mass administration in the field. Moreover, the quantities of spz required present production difficulties. To reduce reliance on WO while maintaining protection via both antibodies and Trm responses, we have developed an accelerated vaccination regimen that combines two distinct agents in a prime-and-trap strategy. While the priming dose is a self-replicating RNA encoding P. yoelii CS protein, delivered via an advanced cationic nanocarrier (LION™), the trapping dose consists of WO RAS. This accelerated regime confers sterile protection in the P. yoelii mouse model of malaria. Our approach presents a clear path to late-stage preclinical and clinical testing of dose-sparing, same-day regimens that can confer sterilizing protection against malaria.

Background The potential benefits of long-acting injectable chemoprotection (LAI-C) against malaria have been recently recognized, prompting a call for suitable candidate drugs to help meet this need. On the basis of its known pharmacodynamic and pharmacokinetic profiles after oral dosing, ELQ-331, a prodrug of the parasite mitochondrial electron transport inhibitor ELQ-300, was selected for study of pharmacokinetics and efficacy as LAI-C in mice.Methods Four trials were conducted in which mice were injected with a single intramuscular dose of ELQ-331 or other ELQ-300 prodrugs in sesame oil with 1.2% benzyl alcohol; the ELQ-300 content of the doses ranged from 2.5 to 30 mg/kg. Initial blood stage challenges with Plasmodium yoelii were used to establish the model, but the definitive study measure of efficacy was outcome after sporozoite challenge with a luciferase-expressing P.yoelii , assessed by whole-body live animal imaging. Snapshot determinations of plasma ELQ-300 concentration ([ELQ-300]) were made after all prodrug injections; after the highest dose of ELQ-331 (equivalent to 30 mg/kg ELQ-300), both [ELQ-331] and [ELQ-300] were measured at a series of timepoints from 6 hours to 5 ½ months after injection.Results A single intramuscular injection of ELQ-331 outperformed four other ELQ-300 prodrugs and, at a dose equivalent to 30 mg/kg ELQ-300, protected mice against challenge with P. yoelii sporozoites for at least 4 ½ months. Pharmacokinetic evaluation revealed rapid and essentially complete conversion of ELQ-331 to ELQ-300, a rapidly achieved (< 6 hours) and sustained (4-5 months) effective plasma ELQ-300 concentration, maximum ELQ-300 concentrations far below the estimated threshold for toxicity, and a distinctive ELQ-300 concentration vs. time profile. Pharmacokinetic modeling indicates a high-capacity, slow-exchange tissue compartment which serves to accumulate and then slowly redistribute ELQ-300 into blood, and this property facilitates an extremely long period during which ELQ-300 concentration is sustained above a minimum fully-protective threshold (60-80 nM).Conclusions Extrapolation of these results to humans clearly predicts that ELQ-331 should be capable of meeting and far-exceeding currently published duration-of-effect goals for antimalarial LAI-C. Allometric scaling from mice to humans would predict a several-fold enhancement in the relationship between duration-of-effect and dose, and available drug engineering and formulation technologies would be expected to offer significant improvement over the simple powder in sesame oil used here. Furthermore, the distinctive pharmacokinetic profile of ELQ-300 after treatment with ELQ-331 may facilitate durable protection using a variety of delivery and formulation options, and may enable protection for far longer than 3 months. Particularly in light of the favorable pharmacodynamic profile of ELQ-300, ELQ-331 warrants consideration as a leading prototype for LAI-C.* BMI : Body mass index Cmax : Maximum concentration [ELQ-300], [ELQ-331] : Concentration of ELQ-300, concentration of ELQ-331 G-6-PD : Glucose-6-phosphate dehydrogenase IS : Internal standard IM : Intramuscular LAI-C : Long-acting injectable chemoprotection MEC : Minimum effective concentration MECLAI-C : Minimum effective concentration for chemoprotection after long-acting injection MMV : Medicines for Malaria Venture MRM : Multiple reaction monitoring PK : Pharmacokinetic TPP : Target product profile

Abstract Following their inoculation by the bite of an infected Anopheles mosquito, the malaria parasite sporozoite forms travel from the bite site in the skin into the bloodstream, which transports them to the liver. The thrombospondin-related anonymous protein (TRAP) is a type 1 transmembrane protein that is released from secretory organelles and relocalized on the sporozoite plasma membrane. TRAP is required for sporozoite motility and host infection, and its extracellular portion contains adhesive domains that are predicted to engage host receptors. Here, we identified the human platelet-derived growth factor receptor β (hPDGFRβ) as one such protein receptor. Deletion mutants showed that the von Willebrand factor type A and thrombospondin repeat domains of TRAP are both required for optimal binding to hPDGFRβ-expressing cells. We also demonstrate that this interaction is conserved in the human-infective parasite Plasmodium vivax , but not the rodent-infective parasite Plasmodium yoelii . We observed expression of hPDGFRβ mainly in cells associated with the vasculature suggesting that TRAP:hPDGFRβ interaction may play a role in the recognition of blood vessels by invading sporozoites.