Safety, immunogenicity, and cross-species protection of a plasmid DNA encoding Plasmodium falciparum SERA5 polypeptide, microbial epitopes and chemokine genes in mice and olive baboons

Abstract

Incorporation of biomolecular epitopes to malarial antigens should be explored in the development of strain-transcending malarial vaccines. The present study sought to determine safety, immunogenicity and cross-species efficacy ofPlasmodium falciparum serine repeat antigen 5 polypeptide co-expressed with epitopes of Bacille-Calmette Guerin (BCG), tetanus toxoid (TT) and a chemokine gene. Olive baboons and BALB/c mice were randomly assigned into vaccine and control groups. The vaccine group animals were primed and boosted twice with pIRES plasmids encoding the SERA5+ BCG+ TT alone, or with either CCL5 or CCL20 and the control group with pIRES plasmid vector backbone. Mice and baboons were challenged withP. berghei ANKA and P. knowlesi H strain parasites, respectively. Safety was determined by observing for injection sites reactogenicities, hematology and clinical chemistry. Parasitaemia and survivorship profiles were used to determine cross-species efficacy, and T cell phenotypes, Th1-, Th2-type, T-regulatory immune responses and antibody responses were assessed to determine vaccine immunogenicity. The pSeBCGTT plasmid DNA vaccines were safe and induced Th1-, Th2-type, and T-regulatory responses vaccinated animals showed enhanced CD4⁺ (P<0.01), CD 8⁺ T cells (P<0.001) activation and IgG anti-SE36 antibodies responses (P<0.001) at week 4 and 8 post vaccination compared to the control group. Vaccinated mice had a 31.45-68.69% cumulative parasite load reduction and 60% suppression in baboons (P<0.05) and enhanced survivorship (P<0.001) with no clinical signs of malaria compared to the control group. The results showed that the vaccines were safe, immunogenic and conferred partial cross-species protection.

Keywords

malaria / DNA vaccines / serine repeat antigen / chemokines / cross-species / protection / immunogenicity / safety

References

[1] WHO. World Malaria Report[EB/OL]. Geneva; 2014, http://www.who.int/malaria/publications/world_malaria_report_2014/en/.

[2] Birkett AJ, Moorthy  VS, Loucq C ,  Malaria vaccine R&D in the decade of vaccines: breakthroughs, challenges and opportunities[J]. Vaccine, 2013, 31(Suppl 2): B233–B243

[3] Rajahram GS, Barber  BE, William T ,  Deaths due to Plasmodium knowlesi malaria in Sabah, Malaysia: association with reporting as Plasmodium malariae and delayed parenteral artesunate[J]. Malar J, 2012, 11: 284

[4] Barber BE, William  T, Dhararaj P ,  Epidemiology of Plasmodium knowlesi malaria in north-east Sabah, Malaysia: family clusters and wide age distribution[J]. Malar J, 2012, 11: 401

[5] William T, Menon  J, Rajahram G ,  Severe Plasmodium knowlesi malaria in a tertiary care hospital, Sabah, Malaysia[J]. Emerg Infect Dis, 2011, 17(7): 1248–1255

[6] William T, Rahman  HA, Jelip J ,  Increasing incidence of Plasmodium knowlesi malaria following control of P. falciparum and P. vivax Malaria in Sabah, Malaysia[J]. PLoS Negl Trop Dis, 2013, 7(1): e2026

[7] White NJ, Pukrittayakamee  S, Hien TT ,  Malaria[J]. Lancet, 2014, 383(9918): 723–735

[8] Arez AP, Pinto  J, Pålsson K ,  Transmission of mixed Plasmodium species and Plasmodium falciparum genotypes[J]. Am J Trop Med Hyg, 2003, 68(2): 161–168

[9] Scorza T, Grubb  K, Smooker P ,  Induction of strain-transcending immunity against Plasmodium chabaudi adami malaria with a multiepitope DNA vaccine[J]. Infect Immun, 2005, 73(5): 2974–2985

[10] Crompton PD, Pierce  SK, Miller LH . Advances and challenges in malaria vaccine development[J]. J Clin Invest, 2010, 120(12): 4168–4178

[11] Arisue N, Kawai  S, Hirai M ,  Clues to evolution of the SERA multigene family in 18 Plasmodium species[J]. PLoS One, 2011, 6(3): e17775

[12] Tanabe K, Arisue  N, Palacpac NMQ ,  Geographic differentiation of polymorphism in the Plasmodium falciparum malaria vaccine candidate gene SERA5[J]. Vaccine, 2012, 30(9): 1583–1593

[13] Palacpac NMQ, Ntege  E, Yeka A ,  Phase 1b randomized trial and follow-up study in Uganda of the blood-stage malaria vaccine candidate BK-SE36[J]. PLoS One, 2013, 8(5): e64073

[14] Okech B, Mujuzi  G, Ogwal A ,  High titers of IgG antibodies against Plasmodium falciparum serine repeat antigen 5 (SERA5) are associated with protection against severe malaria in Ugandan children[J]. Am J Trop Med Hyg, 2006, 74(2): 191–197

[15] Owalla TJ, Palacpac  NMQ, Shirai H ,  Association of naturally acquired IgG antibodies against Plasmodium falciparum serine repeat antigen-5 with reduced placental parasitemia and normal birth weight in pregnant Ugandan women: a pilot study[J]. Parasitol Int, 2013, 62(3): 237–239

[16] Le TP, Coonan  KM, Hedstrom RC ,  Safety, tolerability and humoral immune responses after intramuscular administration of a malaria DNA vaccine to healthy adult volunteers[J]. Vaccine, 2000, 18(18): 1893–1901

[17] Kofta W, Wedrychowicz  H. c-DNA vaccination against parasitic infections: advantages and disadvantages[J]. Vet Parasitol, 2001, 100(1-2): 3–12

[18] Dumonteil E. DNA vaccines against protozoan parasites: advances and challenges[J]. J Biomed Biotechnol, 2007, 2007(6): 90520

[19] Coban C, Kobiyama  K, Aoshi T ,  Novel strategies to improve DNA vaccine immunogenicity[J]. Curr Gene Ther, 2011, 11(6): 479–484

[20] Coler RN, Carter  D, Friede M ,  Adjuvants for malaria vaccines[J]. Parasite Immunol, 2009, 31(9): 520–528

[21] Ivory C, Chadee  K. DNA vaccines: designing strategies against parasitic infections[J]. Genet Vaccines Ther, 2004, 2(1): 17

[22] Kanoi BN, Egwang  TG. New concepts in vaccine development in malaria[J]. Curr Opin Infect Dis, 2007, 20(3): 311–316

[23] Santiago HC, Oliveira  CF, Santiago L ,  Involvement of the chemokine RANTES (CCL5) in resistance to experimental infection with Leishmania major[J]. Infect Immun, 2004, 72(8): 4918–4923

[24] D'Hooghe TM, Kyama  CM, Chai D ,  Nonhuman primate models for translational research in endometriosis[J]. Reprod Sci, 2009, 16(2): 152–161

[25] Ozwara H, Langermans  JAM, Maamun J ,  Experimental infection of the olive baboon (Paplio anubis) with Plasmodium knowlesi: severe disease accompanied by cerebral involvement[J]. Am J Trop Med Hyg, 2003, 69(2): 188–194

[26] Nyawira T, Gicheru  M, Kagasi E ,  Acute Plasmodium knowlesi infection in olive baboons (Papio anubis) is accompanied by high-level of gamma interferon[J]. Int J Biol, 2012, 4: 92–101.

[27] Ichagichu M, Ngotho  M, Karanja SM ,  Preclinical drug evaluation system in the Plasmodium knowlesi baboon model of malaria: the methotrexate study[J]. J Med Primatol, 2013, 42(2): 62–70

[28] Chowdhury DR, Angov  E, Kariuki T ,  A potent malaria transmission blocking vaccine based on codon harmonized full length Pfs48/45 expressed in Escherichia coli[J]. PLoS One, 2009, 4(7): e6352

[29] Sabbatani S, Fiorino  S, Manfredi R . The emerging of the fifth malaria parasite (Plasmodium knowlesi): a public health concern[J]? Braz J Infect Dis, 2010, 14(3): 299–309

[30] Sabbatani S, Fiorino  S, Manfredi R . Plasmodium knowlesi: from Malaysia, a novel health care threat[J]. Infez Med, 2012, 20(1): 5–11

[31] Mustafa B, Michael  GM, Esther KA ,  Immunity to Plasmodium knowlesi H strain malaria in olive baboons[J]. Int J Integr Biol, 2010, 10: 147–152.

[32] Singh AP, Ozwara  H, Kocken CHM ,  Targeted deletion of Plasmodium knowlesi Duffy binding protein confirms its role in junction formation during invasion[J]. Mol Microbiol, 2005, 55(6): 1925–1934

[33] Onditi FI, Nyamongo  OW, Omwandho CO ,  Parasite accumulation in placenta of non-immune baboons during Plasmodium knowlesi infection[J]. Malar J, 2015, 14: 118

[34] Kilkenny C, Browne  WJ, Cuthill IC ,  Improving bioscience research reporting: The arrive guidelines for reporting  animal  research[J].  Animals  (Basel),  2013,  4: 35–44.

[35] Butcher GA. Factors affecting the in vitro culture of Plasmodium falciparum and Plasmodium knowlesi[J]. Bull World Health Organ, 1979, 57(Suppl 1): 17–26

[36] Barnwell JW, Howard  RJ, Coon HG ,  Splenic requirement for antigenic variation and expression of the variant antigen on the erythrocyte membrane in cloned Plasmodium knowlesi malaria[J]. Infect Immun, 1983, 40(3): 985–994

[37] Horii T, Shirai  H, Jie L ,  Evidences of protection against blood-stage infection of Plasmodium falciparum by the novel protein vaccine SE36[J]. Parasitol Int, 2010, 59(3): 380–386

[38] Ansong D, Asante  KP, Vekemans J ,  T cell responses to the RTS,S/AS01(E) and RTS,S/AS02(D) malaria candidate vaccines administered according to different schedules to Ghanaian children[J]. PLoS One, 2011, 6(4): e18891

[39] Köhler C, Tebo  AE, Dubois B , , and the 1-95/C Study Team. Temporal variations in immune responses to conserved regions of Plasmodium falciparum merozoite surface proteins related to the severity of a prior malaria episode in Gabonese children[J]. Trans R Soc Trop Med Hyg, 2003, 97(4): 455–461. 

[40] Wipasa J, Okell  L, Sakkhachornphop S ,  Short-lived IFN-g effector responses, but long-lived IL-10 memory responses, to malaria in an area of low malaria endemicity[J]. PLoS Pathog, 2011, 7(2): e1001281

[41] Tuteja R. DNA vaccine against malaria: a long way to go[J]. Crit Rev Biochem Mol Biol, 2002, 37(1): 29–54

[42] Richie TL, Charoenvit  Y, Wang R ,  Clinical trial in healthy malaria-naïve adults to evaluate the safety, tolerability, immunogenicity and efficacy of MuStDO5, a five-gene, sporozoite/hepatic stage Plasmodium falciparum DNA vaccine combined with escalating dose human GM-CSF DNA[J]. Hum Vaccin Immunother, 2012, 8(11): 1564–1584

[43] Reyes-Sandoval A, Berthoud  T, Alder N ,  Prime-boost immunization with adenoviral and modified vaccinia virus Ankara vectors enhances the durability and polyfunctionality of protective malaria CD8+ T-cell responses[J]. Infect Immun, 2010, 78(1): 145–153

[44] Moorthy VS, Newman  RD, Okwo-Bele JM , and the Malaria Vaccine Funders Group. Malaria vaccine technology roadmap[J]. Lancet, 2013, 382(9906): 1700–1701

[45] Scorza T, Grubb  K, Cambos M ,  Vaccination with a Plasmodium chabaudi adami multivalent DNA vaccine cross-protects A/J mice against challenge with P. c. adami DK and virulent Plasmodium chabaudi chabaudi AS parasites[J]. Int J Parasitol, 2008, 38(7): 819–827

[46] Sugiyama T, Suzue  K, Okamoto M ,  Production of recombinant SERA proteins of Plasmodium falciparum in Escherichia coli by using synthetic genes[J]. Vaccine, 1996, 14(11): 1069–1076

[47] Fox CB, Baldwin  SL, Vedvick TS ,  Effects on immunogenicity by formulations of emulsion-based adjuvants for malaria vaccines[J]. Clin Vaccine Immunol, 2012, 19(10): 1633–1640

[48] Hodder AN, Crewther  PE, Matthew ML ,  The disulfide bond structure of Plasmodium apical membrane antigen-1[J]. J Biol Chem, 1996, 271(46): 29446–29452

[49] Stowers AW, Kennedy  MC, Keegan BP ,  Vaccination of monkeys with recombinant Plasmodium falciparum apical membrane antigen 1 confers protection against blood-stage malaria[J]. Infect Immun, 2002, 70(12): 6961–6967

[50] Kocken CHM, Ozwara  H, van der Wel A,  Plasmodium knowlesi provides a rapid in vitro and in vivo transfection system that enables double-crossover gene knockout studies[J]. Infect Immun, 2002, 70(2): 655–660

[51] Mahanty S, Saul  A, Miller LH . Progress in the development of recombinant and synthetic blood-stage malaria vaccines[J]. J Exp Biol, 2003, 206(Pt 21): 3781–3788

[52] Richie TL, Saul  A. Progress and challenges for malaria vaccines[J]. Nature, 2002, 415(6872): 694–701

[53] Fidock DA, Rosenthal  PJ, Croft SL ,  Antimalarial drug discovery: efficacy models for compound screening[J]. Nat Rev Drug Discov, 2004, 3(6): 509–520

[54] Targett GA, Greenwood  BM. Malaria vaccines and their potential role in the elimination of malaria[J]. Malar J, 2008, 7(Suppl 1): S10

[55] Kornbluth RS, Stone  GW. Immunostimulatory combinations: designing the next generation of vaccine adjuvants[J]. J Leukoc Biol, 2006, 80(5): 1084–1102

[56] Shimizu Y, Inaba  K, Kaneyasu K ,  A genetically engineered live-attenuated simian-human immunodeficiency virus that co-expresses the RANTES gene improves the magnitude of cellular immunity in rhesus macaques[J]. Virology, 2007, 361(1): 68–79

[57] Chavan R, Marfatia  KA, An IC ,  Expression of CCL20 and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, but not Flt3-L, from modified vaccinia virus ankara enhances antiviral cellular and humoral immune responses[J]. J Virol, 2006, 80(15): 7676–7687

Acknowledgments

The authors would like to thank Margaret Mendi, James Ichagichu (deceased) and Thomas Adino for technical and logistical support, staff of the Tropical and Infectious Diseases and Animal Sciences Departments of IPR, Gene Art for engineering the vaccine constructs and the Uganda Council of Science and Technology (UCST)/World Bank for providing the funds for the work, and Prof. Toshihiro Horii for kindly donating the BIKEN-SE36 antigen..

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 2017 by the Journal of Biomedical Research. All rights reserved.