Malaria parasite prevalence in endemic populations is an essential indicator for monitoring the progress of malaria control, and has traditionally been assessed by microscopy. However, surveys increasingly use sensitive molecular methods that detect higher numbers of infected individuals, questioning our understanding of the true infection burden and resources required to reduce it. Here we analyse a series of data sets to characterize the distribution and epidemiological factors associated with low-density, submicroscopic infections. We show that submicroscopic parasite carriage is common in adults, in low-endemic settings and in chronic infections. We find a strong, non-linear relationship between microscopy and PCR prevalence in population surveys (n=106), and provide a tool to relate these measures. When transmission reaches very low levels, submicroscopic carriers are estimated to be the source of 20–50% of all human-to-mosquito transmissions. Our findings challenge the idea that individuals with little previous malaria exposure have insufficient immunity to control parasitaemia and suggest a role for molecular screening. Malaria can persist at levels that escape detection by standard microscopy, but can be detected by PCR. Okell et al.now show that rates of submicroscopic infection can be predicted using more widely available microscopy data, and are most epidemiologically significant in areas with low malaria transmission.

Background Over the past decade malaria intervention coverage has been scaled up across Africa. However, it remains unclear what overall reduction in transmission is achievable using currently available tools. Methods and Findings We developed an individual-based simulation model for Plasmodium falciparum transmission in an African context incorporating the three major vector species (Anopheles gambiae s.s., An. arabiensis, and An. funestus) with parameters obtained by fitting to parasite prevalence data from 34 transmission settings across Africa. We incorporated the effect of the switch to artemisinin-combination therapy (ACT) and increasing coverage of long-lasting insecticide treated nets (LLINs) from the year 2000 onwards. We then explored the impact on transmission of continued roll-out of LLINs, additional rounds of indoor residual spraying (IRS), mass screening and treatment (MSAT), and a future RTS,S/AS01 vaccine in six representative settings with varying transmission intensity (as summarized by the annual entomological inoculation rate, EIR: 1 setting with low, 3 with moderate, and 2 with high EIRs), vector–species combinations, and patterns of seasonality. In all settings we considered a realistic target of 80% coverage of interventions. In the low-transmission setting (EIR∼3 ibppy [infectious bites per person per year]), LLINs have the potential to reduce malaria transmission to low levels (<1% parasite prevalence in all age-groups) provided usage levels are high and sustained. In two of the moderate-transmission settings (EIR∼43 and 81 ibppy), additional rounds of IRS with DDT coupled with MSAT could drive parasite prevalence below a 1% threshold. However, in the third (EIR = 46) with An. arabiensis prevailing, these interventions are insufficient to reach this threshold. In both high-transmission settings (EIR∼586 and 675 ibppy), either unrealistically high coverage levels (>90%) or novel tools and/or substantial social improvements will be required, although considerable reductions in prevalence can be achieved with existing tools and realistic coverage levels. Conclusions Interventions using current tools can result in major reductions in P. falciparum malaria transmission and the associated disease burden in Africa. Reduction to the 1% parasite prevalence threshold is possible in low- to moderate-transmission settings when vectors are primarily endophilic (indoor-resting), provided a comprehensive and sustained intervention program is achieved through roll-out of interventions. In high-transmission settings and those in which vectors are mainly exophilic (outdoor-resting), additional new tools that target exophagic (outdoor-biting), exophilic, and partly zoophagic mosquitoes will be required. Please see later in the article for the Editors' Summary

Current malaria elimination guidelines are based on the concept that malaria transmission becomes heterogeneous in the later phases of malaria elimination [1]. In the pre-elimination and elimination phases, interventions have to be targeted to entire villages or towns with higher malaria incidence until only individual episodes of malaria remain and become the centre of attention [1]. With increasing evidence of clustering of malaria episodes within villages, we argue that there is an intermediate step. Heterogeneity in malaria transmission within villages is present long before areas enter the pre-elimination phase, and identifying and targeting hotspots of malaria transmission should form the cornerstone of both successful malaria control and malaria elimination.

Mosquito feeding assays play an important role in quantifying malaria transmission potential in epidemiological and clinical studies. At present, membrane feeding assays are incompletely standardised. This affects our understanding of the precision of the assay and its suitability for evaluating transmission-blocking interventions. Here, we present a detailed protocol for membrane feeding using

Abstract It is currently unknown whether all Plasmodium falciparum infected mosquitoes are equally infectious. We assessed sporogonic development using cultured gametocytes in the Netherlands and naturally circulating strains in Burkina Faso. We quantified the number of sporozoites expelled into artificial skin in relation to intact oocysts, ruptured oocysts, and residual salivary gland sporozoites. Sporozoites were quantified by highly sensitive qPCR; intact and ruptured oocysts by fluorescence microscopy following antibody staining of circumsporozoite protein. In laboratory conditions, higher total sporozoite burden in mosquitoes was associated with a shorter duration of sporogony (p<0.001). Overall, 53% (116/216) of P. falciparum infected An. stephensi mosquitoes expelled sporozoites into artificial skin. The medians of expelled and residual salivary gland sporozoites were 136 (IQR: 34-501) and 23,947 (IQR: 9127-78,380), respectively. There was a strong positive correlation between ruptured oocyst number and salivary gland sporozoite load (ρ=0.8; p<0.0001) and a weaker positive correlation between salivary gland sporozoite load and the number of sporozoites expelled (ρ=0.35; p=0.0002). In Burkina Faso, An. coluzzii mosquitoes were infected by natural gametocyte carriers. Among mosquitoes that were salivary gland sporozoite positive, 89% (33/37) expelled sporozoites with a median of 1035 expelled sporozoites (IQR: 171-2969) and harbored a median of 45,100 residual salivary gland sporozoites (IQR: 20,310-164,900). Again, we observed a strong correlation between ruptured oocyst number and salivary gland sporozoite load (ρ=0.9; p<0.0001) and a positive correlation between salivary gland sporozoite load and the number of sporozoites expelled (ρ=0.7; p<0.0001). Mosquito salivary glands in Burkina Faso harbored 1-3 distinct parasite clones; several mosquitoes expelled multiple parasite clones during probing. Whilst sporozoite expelling was regularly observed from mosquitoes with low infection burdens, our findings indicate that mosquito infection burden is associated with the number of expelled sporozoites. Future work is required to determine the direct implications of these findings for transmission potential.

Asexual blood stage culture of Plasmodium falciparum is routinely performed but reproducibly inducing commitment to and maturation of viable gametocytes remains difficult. Culture media can be supplemented with human serum substitutes to induce commitment but these generally only allow for long-term culture of asexual parasites and not transmission-competent gametocytes due to their different lipid composition. Recent insights demonstrated the important roles lipids play in sexual commitment; elaborating on this we exposed ring stage parasites (20–24 hours hpi) for one day to AlbuMAX supplemented media to trigger induction to gametocytogenesis. We observed a significant increase in gametocytes after AlbuMAX induction compared to serum. We also tested the transmission potential of AlbuMAX inducted gametocytes and found a significant higher oocyst intensity compared to serum. We conclude that AlbuMAX supplemented media induces commitment, allows a more stable and predictable production of transmittable gametocytes than serum alone.

Anopheles stephensi, an efficient Asian malaria vector, recently spread into the Horn of Africa and may increase malaria receptivity in African urban areas. We assessed occurrence, genetic complexity, blood meal source and infection status of An. stephensi in Awash Sebat Kilo town, Ethiopia. We used membrane feeding assays to assess competence of local An. stephensi to P. vivax and P. falciparum isolates from clinical patients. 75.3% of the examined waterbodies were infested with An. stephensi developmental stages that were genetically closely related to isolates from Djibouti and Pakistan. Both P. vivax and P. falciparum were detected in wild-caught adult An. stephensi. Local An. stephensi was more receptive to P. vivax compared to a colony of An. arabiensis. We conclude that An. stephensi is an established vector in this part of Ethiopia, highly permissive for local P. vivax and P. falciparum isolates and presents an important new challenge for malaria control.

Abstract Asexual blood stage culture of Plasmodium falciparum is routinely performed but reproducibly inducing commitment to and maturation of viable gametocytes remains difficult. Culture media can be supplemented with human serum substitutes to induce commitment but these generally only allow for long-term culture of asexual parasites and not transmission-competent gametocytes due to their different lipid composition. Recent insights demonstrated the important roles lipids play in sexual commitment; elaborating on this we exposed ring stage parasites (20-24 hours hpi) for one day to AlbuMAX supplemented media to trigger induction to gametocytogenesis. We observed a significant increase in gametocytes after AlbuMAX induction compared to serum. We also tested the transmission potential of AlbuMAX inducted gametocytes and found a significant higher oocyst intensity compared to serum. We conclude that AlbuMAX supplemented media induces commitment, allows a more stable and predictable production of transmittable gametocytes than serum alone. Highlights Gametocytes are formed when asexual parasites commit to sexual differentiation. Sexual commitment can be promoted by environmental stressors in media formulations. Short exposure of young asexual parasites to the serum substitute AlbuMAX achieves high proportion of committed gametocytes that are transmission-competent.

Abstract After infection of the human host, the initial stage of the Plasmodium falciparum (Pf) lifecycle takes place in the liver. However, understanding of the host-parasite interaction has been limited by the rapid loss of functionality in cultured primary human hepatocytes (PHHs). Here, we link loss of hepatic functionality to drastic loss in Pf permissiveness, which we effectively prevent by using a novel medium containing serum-replacement and signal transduction inhibitors. Integrating transcriptomic analysis and phenotypic assessment of infection outcome, we identified several host signalling pathways that influence Pf liver stage development. Inhibition of the Wnt pathway in particular plays a major role in determining the size and maturity of Pf-liver schizonts, via retaining metabolic activity and epithelial nature of hepatocytes. Host signalling pathways determining Pf liver stage permissiveness provide insight into the complex host-parasite interaction and may accelerate development of novel therapeutic strategies for Pf-liver stages. (145)