ABSTRACT The development of effective malaria vaccines remains a global health priority. Currently, the most advanced vaccine, known as RTS,S, has only shown modest efficacy in clinical trials. Thus, the development of more efficacious vaccines by improving the formulation of RTS,S for increased efficacy or to interrupt malaria transmission are urgently needed. The RTS,S vaccine is based on the presentation of a fragment of the sporozoite antigen on the surface of virus-like particles (VLPs) based on human hepatitis B virus (HBV). In this study, we have developed and evaluated a novel VLP platform based on duck HBV (known as Metavax) for malaria vaccine development. This platform can incorporate large and complex proteins into VLPs and is produced in a Hansenula cell line compatible with cGMP vaccine production. Here, we have established the expression of leading P. falciparum malaria vaccine candidates as VLPs. This includes Pfs230 and Pfs25, which are candidate transmission-blocking vaccine antigens. We demonstrated that the VLPs effectively induce antibodies to malaria vaccine candidates with minimal induction of antibodies to the duck-HBV scaffold antigen. Antibodies to Pfs230 also recognised native protein on the surface of gametocytes, and antibodies to both Pfs230 and Pfs25 demonstrated transmission-reducing activity in standard membrane feeding assays. These results establish the potential utility of this VLP platform for malaria vaccines, which may be suitable for the development of multi-component vaccines that achieve high vaccine efficacy and transmission-blocking immunity.

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 development of transmission-blocking vaccines against Plasmodium falciparum malaria could facilitate malaria elimination. However, limitations in the knowledge of the human immune responses against P. falciparum transmission stages, known as gametocytes, represent a critical roadblock to vaccine development. We evaluated human antibodies acquired through natural malaria exposure to whole gametocytes and recombinant antigens expressed by transmission stages, including the major transmission-blocking vaccine candidates Pfs230 and Pfs48/45 and other transmission stages, Pf38, Pf12 and Pf41. Among individuals residing in Kenya and Papua New Guinea, we found substantial antibody responses to whole gametocytes and to all recombinant transmission stage antigens with high levels of IgG, IgG subclasses and IgM. Complement fixation by antibodies to gametocytes is key for effective transmission-blocking activity. We found that purified IgM was substantially more potent than IgG at mediating complement fixation and activation. Higher antibody levels were generally observed in individuals positive for P. falciparum infection, including gametocyte positive individuals, and these antibodies generally increased with age. Our findings reveal that IgM is a prominent feature of antibody responses to gametocytes and that antibodies target multiple antigens. The further demonstration that IgM has high functional activity against gametocytes suggests IgM plays an important role in immunity to transmission stages. Our data provide new insights to inform the development of potent transmission-blocking vaccines.