Abstract Background Accurate assessment of the serotype distribution associated with pneumococcal colonization and disease is essential for the evaluation and formulation of pneumococcal vaccines and informing vaccine policy. Methods We evaluated pneumococcal serotyping concordance between latex agglutination, PneumoCaT by whole genome sequencing (WGS) and DNA microarray using samples from community carriage surveillance in Blantyre, Malawi. Nasopharyngeal swabs were collected, following WHO recommendations, between 2015 and 2017, using stratified random sampling among study populations. Participants included healthy children 3–6 years old (PCV13 vaccinated as part of EPI), healthy children 5–10 years (age-ineligible for PCV13), and HIV-infected adults (18–40yrs) on ART. For phenotypic serotyping we used a 13-valent latex kit (SSI, Denmark). For genomic serotyping we applied PneumoCaT pipeline to whole genome sequence libraries. For molecular serotyping by microarray we used the BUGS Bioscience DNA microarray. Results 1347 samples were analysed. Concordance was 90.7% (95% CI: 89.0–92.2) between latex and PneumoCaT; 95.2% (93.9–96.3) between latex and microarray; and 96.6% (95.5–97.5) between microarray and PneumoCaT. By detecting carried vaccine serotype (VT) pneumococcus in low relative abundance (median 8%), microarray increased VT detection by 31.5% compared to latex serotyping. Conclusion All three serotyping methods were highly concordant in identifying dominant serotypes. Latex serotyping is accurate in identifying vaccine-serotypes and requires the least expertise and resources for field-implementation and analysis. However, WGS, which adds population structure, and microarray, which adds multiple-serotype carriage, should be considered at regional reference laboratories while investigating the importance of VT in low relative abundance in transmission and disease.

Since the introduction of the 13-valent pneumococcal conjugate vaccine (PCV13) in Malawi in 2011, there has been persistent carriage of vaccine serotype (VT) Streptococcus pneumoniae , despite high vaccine coverage. To determine if there has been a genetic change within the VT capsule polysaccharide (cps) loci since the vaccine’s introduction, we compared 1022 whole-genome-sequenced VT isolates from 1998 to 2019. We identified the clonal expansion of a multidrug-resistant, penicillin non-susceptible serotype 23F GPSC14-ST2059 lineage, a serotype 14 GPSC9-ST782 lineage and a novel serotype 14 sequence type GPSC9-ST18728 lineage. Serotype 23F GPSC14-ST2059 had an I253T mutation within the capsule oligosaccharide repeat unit polymerase Wzy protein, which is predicted in silico to alter the protein pocket cavity. Moreover, serotype 23F GPSC14-ST2059 had SNPs in the DNA binding sites for the cps transcriptional repressors CspR and SpxR. Serotype 14 GPSC9-ST782 harbours a non-truncated version of the large repetitive protein (Lrp), containing a Cna protein B-type domain which is also present in proteins associated with infection and colonisation. These emergent lineages also harboured genes associated with antibiotic resistance, and the promotion of colonisation and infection which were absent in other lineages of the same serotype. Together these data suggest that in addition to serotype replacement, modifications of the capsule locus associated with changes in virulence factor expression and antibiotic resistance may promote vaccine escape. In summary, the study highlights that the persistence of vaccine serotype carriage despite high vaccine coverage in Malawi may be partly caused by expansion of VT lineages post-PCV13 rollout.

Abstract Since the introduction of the 13-valent pneumococcal conjugate vaccine (PCV13) in Malawi in 2011, there has been persistent carriage of vaccine serotype (VT) Streptococcus pneumoniae , despite high vaccine coverage. To determine if there has been a genetic change within the VT capsule polysaccharide (cps) loci since the vaccine’s introduction, we compared 1,022 whole-genome-sequenced VT isolates from 1998 to 2019. We identified the clonal expansion of a multidrug-resistant, penicillin non-susceptible serotype 23F GPSC14-ST2059 lineage, a serotype 14 GPSC9-ST782 lineage and a novel serotype 14 sequence type GPSC9-ST18728 lineage. Serotype 23F GPSC14-ST2059 had an I253T mutation within the capsule oligosaccharide repeat unit polymerase Wzy protein, which is predicted in silico to alter the protein pocket cavity. Moreover, serotype 23F GPSC14-ST2059 had SNPs in the DNA binding sites for the cps transcriptional repressors CspR and SpxR. Serotype 14 GPSC9-ST782 harbour a non-truncated version of the large repetitive protein (Lrp), containing a Cna protein B-type domain which is also present in proteins associated with infection and colonisation. These emergent lineages also harboured genes associated with antibiotic resistance, and the promotion of colonisation and infection which were absent in other lineages of the same serotype. Together these data suggest that in addition to serotype replacement, modifications of the capsule locus associated with changes in virulence factor expression and antibiotic resistance may promote vaccine escape. In summary, the study highlights that the persistence of vaccine serotype carriage despite high vaccine coverage in Malawi may be partly caused by expansion of VT lineages post PCV13 rollout. Impact Statement Our findings highlight the potential for clonal expansion of multidrug-resistant, penicillin-non-susceptible vaccine serotype lineages with capsule locus modifications, within a high carriage and disease burden population. This shift has occurred among young children where there has been high vaccine coverage, posing challenges for effective vaccine scheduling and design. Furthermore, this study emphasises the importance of ongoing Streptococcus pneumoniae genomic surveillance as new or modified pneumococcal vaccines are implemented. 2. Data summary Whole genome sequencing assemblies for the PCVPA survey have been deposited in the BioProject PRJNA1011974.