Charakterisierung der natürlich erworbenen humoralen Immunantwort gesunder Erwachsener auf Antigene des Malariaimpfstoffkandidaten GMZ2 in Gabun

Abstract

Die durch Plasmodium falciparum (Pf) verursachte Malaria tropica bedroht weltweit bis zu 3,3 Mrd. Menschen mit vielen Todesfällen, allein 438 000 im Jahr 2015. Sie zählt zu den größten Herausforderungen des öffentlichen Gesundheitssystems in hochendemischen Gebieten mit einer sehr hohen Morbidität und Mortalität für Kinder in Afrika südlich der Sahara. Der Entwicklung eines hocheffektiven Malariaimpfstoffes wird eine zentrale Rolle in der weltweiten Malariaeliminierung beigemessen. Die natürlich erworbene, nicht sterile Pf-Immunität ist ein Modell für die Entwicklung von Impfstoffen, allerdings ist sie bislang nicht gut verstanden. Es existiert in der klinischen Praxis noch kein hochwirksamer Impfstoff; der fortgeschrittenste Impfstoffkandidat RTS,S bietet allenfalls moderaten und kurzlebigen Schutz. Antikörper spielen eine wichtige Rolle in der natürlich erworbenen Immunität gegen die asexuellen Blutstadien des Pf, die für Symptome und Komplikationen einer Malaria verantwortlich sind. Ziel der Studie war, durch die Analyse der humoralen Pf-Blutstadienimmunität malariaexponierter, klinisch gesunder Erwachsener in Gabun, einem Endemiegebiet für Pf, einen Beitrag zum Verständnis der natürlich erworbenen Pf-Immunität unter Berücksichtigung epidemiologischer Einflussfaktoren zu leisten. Dazu wurden die Antikörper Immunglobulin G (IgG) und Immunglobulin M (IgM), sowie klassische und atypische Memory-B-Zellen semi-immuner Individuen gegen das Pf-Fusionsprotein GMZ2, einem Malariaimpfstoffkandidaten, untersucht und hochaffine Memory-B-Zellen für Folgestudien isoliert. Die Studie wurde in der für Pf hochendemischen Region um das Albert-Schweitzer-Hospital Lambaréné in Gabun, Zentralafrika, durchgeführt. Von 60 gesunden erwachsenen Individuen wurden GMZ2-spezifische IgG und IgM im Serum mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) und GMZ2-reaktive naive, klassische und atypische Memory-B-Zellen mittels Zytometrie untersucht. Zusätzlich wurden Global Positioning System-Daten (GPS) der Wohnorte der Individuen, Angaben zu Malariapräventionsmaßnahmen und Fieber erhoben und eine hämatologische und parasitologische Routinediagnostik durchgeführt. Die Ergebnisse wurden nach regionalen Subpopulationen und insbesondere im Stadt-Land-Vergleich miteinander verglichen. Alle eingeschlossenen Individuen (19-51 Jahre) im über 2.000 km2 großen Studiengebiet zeigten hohe IgG- und IgM-Spiegel gegen GMZ2; die IgG-Reaktivität (MW 3,343 OD, SD 0,309 OD bei 0,1 μg/ml) war im Mittel 13-mal höher, als die der naiven Referenzprobe (p = 0,0006), die IgM-Reaktivität (MW 3,003 OD, SD 0,618 OD bei 0,1 μg/ml) um den Faktor 6 (p = 0,0281) bei größerer Streuung der Messwerte. Bei allen Individuen ließen sich im Vergleich zur Pf-naiven Referenzprobe hohe Raten an zirkulierenden klassischen und atypischen IgG+GMZ2+ Memory-B-Zellen nachweisen. Atypische IgG+GMZ2+ Memory-B-Zellen wiesen höhere Frequenzen auf, als die der klassischen IgG+GMZ2+ Memory-B-Zellen und waren insbesondere bei Pf-positiven Individuen relativ erhöht. Individuen aus der Stadt Lambaréné wiesen eine signifikant niedrigere IgG-Reaktivität gegen GMZ2 auf, als die der Individuen aus ländlichen Regionen (p = 0,0048) sowie der Individuen aus der Stadt Ndjolé (p = 0,0297). Letztere unterschieden sich nicht signifikant von Individuen aus ländlichen Regionen. Die IgM-Reaktivität zeigte zwischen den regionalen Subpopulationen keine signifikanten Unterschiede. Ein Vergleich der Memory-B-Zellen gegen GMZ2 zeigte im regionalen Vergleich keine statistisch signifikanten Unterschiede, jedoch im Trend höhere Werte für Individuen aus der medizinisch unterversorgten Region um die Stadt Ndjolé nördlich von Lambaréné. Für eine detaillierte Untersuchung der regionalen Subpopulation war die Stichprobe jedoch zu klein. Zudem wurden keine hochsensitiven Pf-Detektionsmethoden für submikroskopische Infektionen eingesetzt. Für eine in den Entwicklungs-Milleniumszielen definierte weltweite Malariaeradikation ist die Entwicklung eines hocheffektiven Malariaimpfstoffes sowie ein umfassendes Verständnis epidemiologischer Einflussfaktoren von zentraler Bedeutung. Dafür sind weiterführende Erkenntnisse über die effektiven und inhibierenden Funktionen der humoralen Pf-Immunantwort, insbesondere der IgG-, IgM-Funktionen und der verschiedenen Memory-B-Zellklassen, notwendig.

Plasmodium falciparum (Pf) induced tropical malaria threatens up to 3.3 billion people and is responsible for many deaths; 438,000 in 2015 alone. With a very high morbidity and mortality for children in sub-Saharan Africa it is one of the key challenges for public health in highly endemic areas. The development of an effective malaria vaccine has been given a central role in the quest for global malaria elimination. Naturally acquired, non-sterile immunity to Pf is a basis for vaccine development. However, it is understood only in part. A clinically applied highly effective vaccine does not yet exist. The most advanced clinical trials vaccine candidate RTS,S only imbues moderate and short-lived protection. Antibodies play an important role in the non-sterile, naturally acquired immunity to the asexual blood stages of Pf, which are responsible for the clinical manifestations and complications of malaria. The aim of the study was to achieve a contribution to the understanding of the naturally acquired immunity against Pf by analysing the asexual blood stage immunity of life-long exposed, clinically healthy adults while taking the influence of epidemiological factors into account. To this end, Immunoglobulin G (IgG), Immunoglobulin M (IgM) and classical and atypical memory B cells of semi-immune individuals have been examined against the Pf fusion protein GMZ2, a malaria vaccine candidate. Highly affine memory B cells were then isolated for follow-up studies. The study was conducted in a highly malaria-endemic region around the Albert Schweitzer Hospital in Lambaréné, Gabon, Central Africa. GMZ2-specific IgG and IgM from 60 healthy adult individuals were examined in serum by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA); respectively GMZ2 specific naive, classical and atypical memory B cells were examined by cytometry. Data on the individual’s residence global positioning system (GPS) locations, malaria prevention measures and history of fever were collected and routine haematological and parasitological diagnostics were performed. The individual results were regrouped into regional subpopulations and compared against each other, specifically regarding urban and rural residencies. All enrolled individuals (19-51 years) in the > 2,000 km2 study area showed high IgG and IgM levels against GMZ2; the IgG reactivity (M 3.343, SD 0.309 at 0.1 μg/ml) was on average 13 times higher than that of the naive reference sample (p = 0.0006); IgM reactivity (M 3.003, 0.618 SD at 0.1 μg/ml) was also found to be raised by a factor of 6 (p = 0.0281) although with a larger variance of measured values. When compared against the naive reference sample, high rates of circulating classical and atypical IgG+ memory B cells against GMZ2 were also detected in all individuals. Atypical IgG+GMZ2+ memory B cells were relatively increased, especially in Pf-positive individuals. Residents of the city of Lamberéné showed a significantly lower IgG reactivity against GMZ2 than residents of rural areas (p = 0.0048) and to the residents of the city of Ndjole (p = 0.0297). Whereas residents of Ndjolé showed no significant difference to the residents of rural areas. The IgM reactivity was similar between urban and rural subpopulations. A comparison of the memory B cells against GMZ2 by these geographical subpopulations revealed no statistically significant results, but did however, show a trend for higher frequencies of atypical memory B cells in the remote region around the city Ndjolé north of Lambaréné. However, the sample size was too small for a detailed analysis of regional subpopulation. In addition, no highly sensitive Pf detection methods for submicroscopic infections have been used. The development of a highly effective malaria vaccine would greatly facilitate achievement of malaria control and eradication, one of the Millennium Development Goals. Therefore, a better understanding of the effective and inhibitory functions of humoral Pf immunity, in particular the understanding of the role of IgG, IgM and the various memory B cell classes, is required.