Intracellular bacteria and parasites typically invade host cells through the formation of an internalization vacuole around the invading pathogen. Plasmodium sporozoites, the infective stage of the malaria parasite transmitted by mosquitoes, have an alternative mechanism to enter cells. We observed breaching of the plasma membrane of the host cell followed by rapid repair. This mode of entry did not result in the formation of a vacuole around the sporozoite, and was followed by exit of the parasite from the host cell. Sporozoites traversed the cytosol of several cells before invading a hepatocyte by formation of a parasitophorous vacuole, in which they developed into the next infective stage. Sporozoite migration through several cells in the mammalian host appears to be essential for the completion of the life cycle.

Antibodies constitute a critical component of the naturally acquired immunity that develops following frequent exposure to malaria. However, specific antibody titres have been reported to decline rapidly in the absence of reinfection, supporting the widely perceived notion that malaria infections fail to induce durable immunological memory responses. Currently, direct evidence for the presence or absence of immune memory to malaria is limited. In this study, we analysed the longevity of both antibody and B cell memory responses to malaria antigens among individuals who were living in an area of extremely low malaria transmission in northern Thailand, and who were known either to be malaria naïve or to have had a documented clinical attack of P. falciparum and/or P. vivax in the past 6 years. We found that exposure to malaria results in the generation of relatively avid antigen-specific antibodies and the establishment of populations of antigen-specific memory B cells in a significant proportion of malaria-exposed individuals. Both antibody and memory B cell responses to malaria antigens were stably maintained over time in the absence of reinfection. In a number of cases where antigen-specific antibodies were not detected in plasma, stable frequencies of antigen-specific memory B cells were nonetheless observed, suggesting that circulating memory B cells may be maintained independently of long-lived plasma cells. We conclude that infrequent malaria infections are capable of inducing long-lived antibody and memory B cell responses.

Abstract The laboratory mouse is the workhorse of immunology, used as a model of mammalian immune function, but how well immune responses of laboratory mice reflect those of free-living animals is unknown. Here we comprehensively characterize serological, cellular and functional immune parameters of wild mice and compare them with laboratory mice, finding that wild mouse cellular immune systems are, comparatively, in a highly activated (primed) state. Associations between immune parameters and infection suggest that high level pathogen exposure drives this activation. Moreover, wild mice have a population of highly activated myeloid cells not present in laboratory mice. By contrast, in vitro cytokine responses to pathogen-associated ligands are generally lower in cells from wild mice, probably reflecting the importance of maintaining immune homeostasis in the face of intense antigenic challenge in the wild. These data provide a comprehensive basis for validating (or not) laboratory mice as a useful and relevant immunological model system.

Abstract Potent protection against malaria can be induced by attenuated live-immunization with Plasmodium falciparum (Pf) sporozoites (SPZ). However, a better understanding of the critical processes involved in the establishment of protective immunity is needed. We explored the safety and vaccine efficacy of early chemo-attenuation of PfSPZ under atovaquone-proguanil (AP). AP caused early arrest of P. berghei liver stages. Despite the absence of replication, robust protection in mice correlated with parasite-specific effector-memory CD8 + T-cell responses. In a phase I clinical trial a single dose of AP prevented Pf infections in the liver of adult, human subjects who received three doses of 5.12x10 4 or 1.5x10 5 PfSPZ by direct venous inoculation combined with oral AP. However, only 2 of 8 (25%) and 2 of 10 (20%), respectively, were protected against controlled human malaria infection (CHMI) 10 weeks after the last vaccine dose, despite levels of IgG antibodies to the Pf circumsporozoite protein (PfCSP) comparable to those achieved in fully protected volunteers after immunization with 5.12x10 4 PfSPZ with chloroquine chemoprophylaxis active only against subsequent blood stages. We identify lower IgG recognition of the secreted liver stage-specific antigens LISP2 and LSA1 and the multi-stage antigen MSP5 as immune signatures of inferior vaccine efficacy compared to PfSPZ with chloroquine chemoprophylaxis. In conclusion, we show that immune signatures of liver stage antigens, but neither an established rodent malaria model nor concentrations of antibodies against the major surface protein of sporozoites, permit prediction of vaccine efficacy. Thus, this study provides a clear rationale for the development of live sporozoite vaccination protocols that boost exposure to Pf liver stage antigens. Significance Statement Our research demonstrates that attenuation of liver infection of high doses of Plasmodium falciparum sporozoites by concomitant single-dose administration of atovaquone-proguanil is safe in humans. However, vaccine efficacy was modest when compared to an identical protocol using chloroquine that acts only on the subsequent blood infection. Immune signatures of secreted P. falciparum liver stage antigens, but neither an established rodent malaria model nor concentrations of sporozoite antibodies, permit prediction of vaccine efficacy.

ABSTRACT Vaccine discovery and development critically depends on predictive assays, which prioritise protective antigens. Immunogenicity is considered one important criterion for progression of candidate vaccines to further clinical evaluation, including phase I/II trials. Here, we tested this assumption in an infection and vaccination model for malaria pre-erythrocytic stages. We engineered Plasmodium berghei parasites that harbour a well-characterised epitope for stimulation of CD8+ T cells either as an antigen in the circumsporozoite protein (CSP), the surface coat protein of extracellular sporozoites or in the upregulated in sporozoites 4 (UIS4), a major protein associated with the parasitophorous vacuole membrane (PVM) that surrounds the intracellular exo-erythrocytic forms (EEF). We show that the antigen origin results in profound differences in immunogenicity with a sporozoite antigen eliciting robust and superior antigen-specific CD8+ T cell responses, whilst an EEF antigen evokes poor responses. However, despite their contrasting immunogenic properties, both sporozoite and EEF antigens gain access to antigen presentation pathways in hepatocytes, as recognition and targeting by vaccine-induced, antigen-specific effector CD8+ T cells results in high levels of protection when targeting both antigens. Our study is the first demonstration that poor immunogenicity of EEF antigens does not preclude their susceptibility to antigen-specific CD8+ T cell killing. Our findings that antigen immunogenicity is an inadequate predictor of vaccine susceptibility have wide-ranging implications on antigen prioritisation for the design and testing of next-generation pre-erythrocytic malaria vaccines.

Abstract The Philippines is a high-incidence country for tuberculosis, with the increasing prevalence of multi- (MDR-TB) and extensively-drug (XDR-TB) resistant Mycobacterium tuberculosis strains posing difficulties to disease control. Understanding the genetic diversity of circulating strains can provide insights into underlying drug resistance mutations and transmission dynamics, thereby assisting the design of diagnostic tools, including those using next generation sequencing (NGS) platforms. By analysing genome sequencing data of 732 isolates from Philippines drug-resistance survey collections spanning from 2011 to 2019, we found that the majority belonged to lineages L1 (531/732; 72.5%) and L4 (European-American; n = 174; 23.8%), with the Manila strain (L1.2.1.2.1) being the most prominent (475/531). Approximately two-thirds of isolates were found to be at least MDR-TB (483/732; 66.0%), and potential XDR-TB genotypic resistance was observed (3/732; 0.4%), highlighting an emerging problem in the country. Genotypic resistance was highly concordant with laboratory drug susceptibility testing. By finding isolates with (near-)identical genomic variation, five major clusters containing a total of 114 isolates were identified: all containing either L1 or L4 isolates with at least MDR-TB resistance and spanning multiple years of collection. Closer inspection of clusters revealed transmission in prisons, some involving isolates with XDR-TB, and mutations linked to third-line drug bedaquiline. We have also identified previously unreported mutations linked to resistance for isoniazid, rifampicin, ethambutol, and fluoroquinolones. Overall, this study provides important insights into the genetic diversity, transmission and circulating drug resistance mutations of M. tuberculosis in the Philippines, thereby informing clinical and surveillance decision-making, which is increasingly using NGS platforms.

ABSTRACT The circumsporozoite protein (CSP) builds up the surface coat of sporozoites and is the leading malaria pre-erythrocytic-stage vaccine candidate. CSP has been shown to induce robust CD8+ T cell responses that are capable of eliminating developing parasites in hepatocytes resulting in protective immunity. In this study, we characterised the importance of the immunodominant CSP-derived epitope, SYIPSAEKI, of Plasmodium berghei in both sporozoite- and vaccine-induced protection in murine infection models. In BALB/c mice, where SYIPSAEKI is efficiently presented in the context of the major histocompatibility complex class I (MHC-I) molecule H-2-K d , we established that epitope-specific CD8+ T cell responses contribute to parasite killing following sporozoite immunisation. Yet, sterile protection was achieved in the absence of this epitope substantiating the concept that other antigens can be sufficient for parasite-induced protective immunity. Furthermore, we demonstrated that SYIPSAEKI-specific CD8+ T cell responses elicited by viral-vectored CSP-expressing vaccines effectively targeted parasites in hepatocytes. The resulting sterile protection strictly relied on the expression of SYIPSAEKI. In C57BL/6 mice, which are unable to present the immunodominant epitope, CSP-based vaccines did not confer complete protection, despite the induction of high levels of CSP-specific antibodies. These findings underscore the significance of CSP in protection against malaria pre-erythrocytic stages and demonstrate that a significant proportion of the protection against the parasite is mediated by CD8+ T cells specific for the immunodominant CSP-derived epitope.

Human ovale malaria is caused by the two closely related species Plasmodium ovale curtisi and P. ovale wallikeri. Both species are known to relapse from quiescent hepatic forms months or years after the primary infection occurred. Although some studies have succeeded in establishing mosquito transmission for ovale malaria, none have specifically described transmission and human hepatocyte infection of both sibling species. Here we describe a simplified protocol for successful transmission of both P. ovale curtisi and P. ovale wallikeri to Anopheles coluzzii mosquitoes, and streamlined monitoring of infection using sensitive parasite DNA detection, by loop-activated amplification, in blood-fed mosquitoes. In one experimental infection with P. ovale curtisi and one with P. ovale wallikeri, viable sporozoites were isolated from mosquito salivary glands, and used to successfully infect cultured human hepatocytes. This protocol provides a method for the utilisation of pre-treatment clinical blood samples from ovale malaria patients, collected in EDTA, for mosquito infection studies and generation of the hepatic life cycle stages of P. ovale curtisi and P. ovale wallikeri. We also demonstrate the utility of LAMP as a rapid and sensitive alternative to dissection for estimating the prevalence of infection in Anopheles mosquitoes fed with Plasmodium-infected blood.