1. Abstract Background Malaria caused by Plasmodium falciparum is one of the major threats to human health globally. Despite huge efforts in malaria control and eradication, highly effective vaccines are urgently needed, including vaccines that can block malaria transmission. Chimeric virus-like particles (VLP) have emerged as a promising strategy to develop new malaria vaccine candidates. Methods We developed yeast cell lines and processes for the expression of malaria transmission-blocking vaccine candidates Pfs25 and Pfs230 as VLP and VLP were analyzed for purity, size, protein incorporation rate and expression of malaria antigens. Results In this study, a novel platform for the display of Plasmodium falciparum antigens on chimeric VLP is presented. Leading transmission-blocking vaccine candidates Pfs25 and Pfs230 were genetically fused to the small surface protein (dS) of the duck hepatitis B virus (DHBV). The resulting fusion proteins were co-expressed in recombinant Hansenula polymorpha (syn. Pichia angusta, Ogataea polymorpha ) strains along with the wild-type dS as the VLP scaffold protein. Through this strategy, chimeric VLP containing Pfs25 or the Pfs230-derived fragments Pfs230c or Pfs230D1M were purified. Up to 100 mg chimeric VLP were isolated from 100 g dry cell weight with a maximum protein purity of 90 % on the protein level. Expression of the Pfs230D1M construct was more efficient than Pfs230c and enabled VLP with higher purity. VLP showed reactivity with transmission-blocking antibodies and supported the surface display of the malaria antigens on the native VLP. Conclusion The incorporation of leading Plasmodium falciparum transmission-blocking antigens into the dS-based VLP scaffold is a promising novel strategy for their display on nano-scaled particles. Competitive processes for efficient production and purification were established in this study.

Abstract The most advanced malaria vaccine only has approximately 30% efficacy in target populations, and avenues to improve next generation vaccines need to be identified. Functional antibodies are key effectors of both vaccine induced and naturally acquired immunity, with induction driven by T-follicular helper cells (TfH) CD4+ T cells. We assessed circulating TfH (cTfH) responses and functional antibody production in human volunteers experimentally infected with Plasmodium falciparum . Longitudinal single-cell RNA-sequencing of cTfH revealed peak transcriptional activation and clonal expansion of major cTfH subsets occurred at day 8 following infection and a population structure of cTfH capturing phenotypical subsets of Th1- and Th2-like cells. Among 40 volunteers, infection resulted in the emergence of activated ICOS+ cTfH cells. During peak infection, activation was restricted to Th2-like cTfH cells, while Th1-like cTfH cell activation occurred one week after treatment. To link cTfH activation to antibody induction, we assessed the magnitude and function of anti-malarial IgM and IgG after infection. The functional breadth and magnitude of parasite-specific antibodies was positively associated with Th2-cTfH activation. In contrast, Th1-cTfH activation was associated with the induction of plasma cells, which we have previously shown have a detrimental role in germinal cell formation and antibody development. Thus, we identified that during P. falciparum malaria infection in humans, the activation of Th2-cTfH but not other subsets correlates with the development of functional antibodies required for protective immunity. Data for the first time identify a specific cellular response that can be targeted by future malaria vaccines to improve antibody induction.

ABSTRACT T-follicular helper (Tfh) cells are key drivers of antibodies that protect from malaria. However, little is known regarding the host and parasite factors that influence Tfh and functional antibody development. Here, we use samples from a large cross-sectional study of children residing in an area of high malaria transmission in Uganda to characterize Tfh cells and functional antibodies to multiple parasites stages. We identify a dramatic re-distribution of the Tfh cell compartment with age that is independent of malaria exposure, with Th2-Tfh cells predominating in early childhood, while Th1-Tfh cell gradually increase to adult levels over the first decade of life. Functional antibody acquisition is age-dependent and hierarchical acquired based on parasite stage, with merozoite responses followed by sporozoite and gametocyte antibodies. Antibodies were boosted in children with current infection, and were higher in females. The children with the very highest antibody levels had increased Tfh cell activation and proliferation, consistent with a key role of Tfh cells in antibody development. Together, these data reveal a complex relationship between the circulating Tfh compartment, antibody development and protection from malaria.

Background: RTS,S is the leading malaria vaccine candidate, but only confers partial efficacy against malaria in children. RTS,S is based on the major Plasmodium falciparum sporozoite surface antigen, circumsporozoite protein (CSP). The induction of anti-CSP antibodies is important for protection, however, it is unclear how protective antibodies function. Methods: We quantified the induction of functional anti-CSP antibody responses in healthy malaria-naive adults (N=45) vaccinated with RTS,S/AS01. This included the ability to mediate effector functions via the fragment crystallizable (Fc) region, such as interacting with human complement proteins and Fcγ-receptors (FcγRs) that are expressed on immune cells, which promote various immunological functions. Results: Our major findings were i) RTS,S-induced antibodies mediate Fc-dependent effector functions, ii) functional antibodies were generally highest after the second vaccine dose; iii) functional antibodies targeted multiple regions of CSP, iv) participants with higher levels of functional antibodies had a reduced probability of developing parasitemia following homologous challenge (p<0.05); v) non-protected subjects had higher levels of anti-CSP IgM. Conclusions: Our data suggests a role for Fc-dependent antibody effector functions in RTS,S-induced immunity. Enhancing the induction of these functional activities may be a strategy to improve the protective efficacy of RTS,S or other malaria vaccines.

RTS,S is the leading malaria vaccine in development, but has demonstrated only moderate protective efficacy in clinical trials. RTS,S is a virus-like particle (VLP) that uses the human hepatitis B virus as scaffold to display the malaria sporozoite antigen, circumsporozoite protein (CSP). Particle formation requires fourfold excess scaffold antigen, and as a result, CSP represents only a small portion of the final vaccine construct. Alternative VLP or nanoparticle platforms that reduce the amount of scaffold antigen and increase the amount of the target CSP antigen present in particles may enhance vaccine immunogenicity and efficacy. Here, we describe the production and characterization of a novel VLP that uses the small surface antigen (dS) of duck hepatitis B virus to display CSP. The CSP-dS fusion protein successfully formed VLPs without the need for excess scaffold antigen, and thus CSP represented a larger portion of the vaccine construct. Importantly, this is the first report of a dS-based vaccine that formed particles without excess scaffold protein. CSP-dS formed large particles approximately 31-74 nm in size and were confirmed to display CSP on the surface. The CSP-dS VLP was highly immunogenic in mice and induced antibodies to multiple regions of CSP, even when administered at a lower vaccine dosage. Vaccine-induced antibodies demonstrated functional activity, including the ability to interact with complement and Fcγ-receptors, both previously identified as important in malaria immunity. Our novel platform to produce VLPs without excess scaffold protein has wide implications for the future development of innovative vaccines for malaria and other infectious diseases.