Abstract The role of humoral immunity on the efficacy of artemisinin combination therapy (ACT) has not been investigated, yet naturally acquired immunity is key determinant of antimalarial therapeutic response. We conducted a therapeutic efficacy study in high transmission settings of western Kenya, which showed artesunate-mefloquine (ASMQ) and dihydroartemisinin-piperaquine (DP) were more efficacious than artemether-lumefantrine (AL). To investigate the underlying prophylactic mechanism, we compared a broad range of humoral immune responses in cohort I study participants treated with ASMQ or AL, and applied machine-learning (ML) models using immunoprofile data to analyze individual participants’ treatment outcome. We showed ML models could predict treatment outcome for ASMQ but no AL with high (72-92%) accuracy. Simulated PK profiling provided evidence demonstrating specific humoral immunity confers protection in the presence of sub-therapeutic residual mefloquine concentration. We concluded patient humoral immunity and partner drug interact to provide long prophylactic effect of ASMQ.

Immunization through repeated direct venous inoculation of Plasmodium falciparum (Pf) sporozoites (PfSPZ) under chloroquine chemoprophylaxis, using the PfSPZ Chemoprophylaxis Vaccine (PfSPZ-CVac), induces high-level protection against controlled human malaria infection (CHMI). Humoral and cellular immunity contribute to vaccine efficacy but only limited information about the implicated Pf-specific antigens is available. Here, we examined Pf-specific antibody profiles, measured by protein arrays representing the full Pf proteome, of 40 placebo- and PfSPZ-immunized malaria-naïve volunteers from an earlier published PfSPZ-CVac dose-escalation trial. For this purpose, we both utilized and adapted supervised machine learning methods to identify predictive antibody profiles at two different time points: after immunization and before CHMI. We developed an adapted multitask support vector machine (SVM) approach and compared it to standard methods, i.e. single-task SVM, regularized logistic regression and random forests. Our results show, that the multitask SVM approach improved the classification performance to discriminate the protection status based on the underlying antibody-profiles while combining time- and dose-dependent data in the prediction model. Additionally, we developed the new f E ature di S tance ex P lainabilit Y (ESPY) method to quantify the impact of single antigens on the non-linear multitask SVM model and make it more interpretable. In conclusion, our multitask SVM model outperforms the studied standard approaches in regard of classification performance. Moreover, with our new explanation method ESPY, we were able to interpret the impact of Pf-specific antigen antibody responses that predict sterile protective immunity against CHMI after immunization. The identified Pf-specific antigens may contribute to a better understanding of immunity against human malaria and may foster vaccine development.

We analyzed the antibody and cytokine responses of twenty-three patients with multisystem inflammatory syndrome of children (MIS-C) that appeared with a three-to-six-week delay following a mild or asymptomatic SARS-CoV-2 infection. These responses were compared to healthy convalescent pediatric COVID-19 patients approximately twenty-eight days after the onset of symptoms. Both groups had strong IgG responses to SARS-CoV-2 spike (S) and nucleocapsid (N) proteins, but the MIS-C patients had weaker antibody responses to certain epitopes in the SARS-CoV-2 S and N proteins and to the S and N proteins of endemic human coronaviruses (HCoV) compared to pediatric convalescent COVID patients. HCoV antibody reactivity was correlated with age. In contrast, MIS-C patients had elevated serum levels of several proinflammatory cytokines compared to convalescent COVID patients, including interleukins IL-6, IL-8, IL-18 and chemokines CCL2, CCL8, CXCL5, CXCL9 and CXCL10 as well as tumor necrosis factor alpha and interferon gamma. Moreover, many cytokine responses of MIS-C patients were positively correlated with antibody responses to the SARS-CoV-2 S, N, membrane and ORF3a proteins while pediatric convalescent COVID patient cytokine responses were more often negatively correlated with antibody responses to the S, N and ORF3a proteins of SARS-CoV-2.

Plasmodium gametocytes are the sexual forms of the malaria parasite essential for transmission to mosquitoes. To better understand how gametocytes differ from asexual blood-stage parasites, we performed a systematic analysis of available omics data for P. falciparum and other Plasmodium species. 18 transcriptomic and proteomic data sets were evaluated for the presence of curated gold standards of 41 gametocyte-specific versus 46 non-gametocyte genes and integrated using Bayesian probabilities, resulting in gametocyte-specificity scores for all P. falciparum genes. To illustrate the utility of the gametocyte score, we explored newly predicted gametocyte-specific genes as potential biomarkers of gametocyte carriage and exposure. We analyzed the humoral immune response in field samples against 30 novel gametocyte-specific antigens and found five antigens to be differentially recognized by gametocyte carriers as compared to malaria-infected individuals without detectable gametocytes. We also validated the gametocyte-specificity of 15 identified gametocyte transcripts on culture material and samples from naturally infected individuals, resulting in eight transcripts that were >1000-fold higher expressed in gametocytes compared to asexual parasites and whose transcript abundance allowed gametocyte detection in naturally infected individuals. Our integrated genome-wide gametocyte-specificity scores provide a comprehensive resource to identify targets and monitor P. falciparum gametocytemia.

ABSTRACT Background Given the resurgence of syphilis, research endeavors to improve current assays for serological diagnosis and management of this disease are a priority. A proteome-scale platform for high-throughput profiling of the humoral response to Treponema pallidum ( T. pallidum ) proteins during infection could identify antigens suitable to ameliorate the performance and capabilities of treponemal tests (TTs), which may require weeks to become positive following infection, cannot distinguish between active and previously treated infections, or assess treatment response. Additionally, because infection-induced immunity is partially protective, profiling the response to T. pallidum outer membrane proteins (OMPs) could help select vaccine candidates. Methods We developed a pan-proteome array (PPA) based on the Nichols and SS14 strain complete proteomes and used it to define the IgM and IgG humoral response to 1,009 T. pallidum proteins in sera collected longitudinally from long-term infected rabbits, and from rabbits that were infected, treated, and re-infected. Findings Approximately a third of the pathogen’s proteome was recognized in infected animals, with a marked IgG response detectable between day-10 and day-20 post-infection. We found early, gradual, and late IgG kinetic profiles, strain-dependent differences in humoral reactivity, and post-treatment fluctuation in reactivity for several antigens. Very few antigens elicited an IgM response. Several OMPs were significantly and differentially recognized, but few elicited a robust response. Interpretation The PPA allowed the identification of antigens that could facilitate early diagnosis and of a core set of OMP that could explain protection upon re-infection. No antigen appeared suitable to monitor treatment response. Funding NIH SBIR-R43AI149804 RESEARCH IN CONTEXT Evidence before this study In April 2024, we searched the PubMed database for articles on preclinical studies using high throughput proteome arrays containing at least 10% of the predicted T. pallidum proteome that aimed at identifying antibody reactivity to T. pallidum antigens during experimental syphilis infection. We could retrieve only one manuscript. In this work, an array containing the T. pallidum partial proteome as annotated in the first sequenced Nichols strain genome (GCA_000008605.1) in 1998 was assembled using recombinant antigens expressed in Escherichia coli ( E. coli ). The resulting array was probed using pooled sera from three rabbits infected with the Nichols stain of T. pallidum , attained from infected animals at five time points following intratesticular infection. The small number of reactive antigens (n = 106) identified in this early study was likely to be an incomplete set of all antigens recognized during infection because not all the predicted targets in the T. pallidum proteome were successfully expressed and tested. In retrospect, additional limitations of the study included an initial suboptimal annotation of the Nichols genome used to define the pathogen’s proteome, which has now changed with the availability of a re-sequenced Nichols strain genome devoid of sequencing errors that affected the initial annotation process, and the refinement of bioinformatic pipelines for the identification of open reading frames (ORFs). Furthermore (as acknowledged by the authors), the possible presence of amplification errors in their expression clones might have affected the sequence of some protein targets and antibody binding to the targets. As a result, some of the T. pallidum antigens known to elicit a robust humoral response during experimental infection were not detected in this antigenic screen. Lastly, employing only the Nichols strain in this early study did not consider that a significant portion of the circulating syphilis strains belong to the SS14 clade of T. pallidum . Added value of this study This novel PPA, combined with a more robust experiential design than ever reported, allowed us to overcome most of the limitations associated with the study mentioned above, as we were able to a) use the most recent annotations for the selected T. pallidum strains based on accurate genome sequences, b) print the pathogen’s virtually complete proteome in the study array, c) analyze individual sera to account for rabbit-to-rabbit variability in the humoral response to infection rather than pooled sera, d) detect both IgM and IgG over 10 or 20 timepoints, depending on the experimental design, e) obtain information on how the humoral response evolved upon treatment and re-infection and, finally, f) evaluate all of the above in animals infected with two T. pallidum strains whose genetic background is representative of the two currently circulating clades of the syphilis agent. Implications of all the available evidence Our study provides new and more comprehensive data on how humoral immunity for two classes of antibodies develops during infection and how it evolves in response to treatment and re-infection. The analysis of sera collected at tightly spaced time points post-inoculation and for an extensive period post-infection provides a wealth of information to improve the diagnostic performance of existing tests detecting treponemal antigens. The analysis of differential immunity specific to the pathogen’s putative OMPs provides a rationale for vaccine candidate selection.