Mécanismes de protection des anticorps ciblant les sporozoïtes de Plasmodium

Protection mechanisms of antibodies targeting Plasmodium sporozoites

• Auteur / Autrice : Manuela Camille Aguirre Botero
• Direction : Rogerio Amino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Infectiologie
• Date : Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Infection et Immunité Paludéenne
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département des Parasites et insectes-vecteurs (2014-….)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Gamain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Silvie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Blandine Franke-Fayard, Elena A. Levashina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sporozoïtes

Anticorps monoclonaux

Paludisme

Mots clés libres

Paludisme

Plasmodium

Anticorps monoclonaux

Malaria

Plasmodium

Monoclonal antibodies

Résumé

Les sporozoïtes de Plasmodium sont inoculés dans la peau de l'hôte vertébré lors de la piqûre d'un moustique infecté. Pour quitter la peau et atteindre le foie, où ces parasites continuent à se développer à l'intérieur des hépatocytes, les sporozoïtes dépendent de leur motilité pour trouver et envahir les vaisseaux sanguins cutanés. Ce stade motile et infectieux est caractérisé par la présence de la protéine circumsporozoïte (CSP) à sa surface. Les vaccins ciblant la CSP peuvent conférer une protection contre l'infection chez l'homme, médiée par l'action d'anticorps dirigés contre la région de répétition centrale de cette protéine. Des études antérieures ont montré que ce type d'anticorps inhibe la fonction des sporozoïtes en limitant leur motilité et en tuant directement le parasite. Cependant, la manière dont ces activités se traduisent par une protection contre l'infection par les sporozoïtes in vivo n'a pas encore été élucidée. Nous présentons ici une étude approfondie sur les mécanismes d'action et l'efficacité protectrice des anticorps monoclonaux humains (hmAbs) ciblant la CSP de P. falciparum (Pf), le parasite infectant l'homme le plus mortelle. En premier lieu, nous avons adressé l'efficacité différentielle dans la neutralisation des sporozoïtes dans les tissus de 13 hmAbs différents avec des activités de liaison et de protection distinctes ; en utilisant un parasite infectant les rongeurs, P. berghei, dans lequel la CSP endogène a été remplacée par la PfCSP. Tous les hmAbs protecteurs neutralisent principalement les parasites après le passage des sporozoïtes à travers la peau. Les hmAb les plus efficaces peuvent également neutraliser les sporozoïtes après injection intraveineuse. Alors que la protection après l'inoculation cutanée corrèle avec l'effet létale et l'inhibition de motilité in vitro, l'imagerie intravitale a démontré que les sporozoïtes sont toujours capables d'entrer dans la circulation sanguine, suggérant une perte générale de fitness après la migration cutanée plutôt qu'un blocage direct dans le derme. La migration in vitro dans un substrat 3D, mais pas sur 2D, améliore la cytotoxicité des hmAbs et recapitule la protection observée après l'inoculation des sporozoïtes dans la peau. Pour mieux comprendre l'action des mAbs anti-CSP en dehors de la peau, nous avons étudié la dynamique de l'élimination des parasites dans le foie en utilisant l'imagerie in vivo et des essais in vitro. Nos résultats montrent que la protection médiée par les mAbs dans le foie est principalement basée sur leur activité cytotoxique, qui inhibe la motilité des sporozoïtes et leur extravasation sinusoïdale. Cependant, ces effets n'expliquent pas entièrement la réduction de l'infection aux stades de développement ultérieurs puisque, la plupart des parasites meurent après 5 h post-inoculation intraveineuse et certains hmAbs hautement cytotoxiques ne protègent pas l'hôte après l'inoculation intraveineuse de sporozoïtes. Les expériences in vitro ont confirmé l'effet inhibiteur des mAbs sur l'invasion des sporozoïtes et le développement des stades hépatiques. Remarquablement, les hmAbs les plus efficaces pourraient inhiber l'invasion cellulaire in vitro à des concentrations non létales. Les essais in vitro mesurant l'invasion cellulaire et l'effet tardif des mAbs dans le développement intracellulaire corrélaient avec la protection mesurée après l'inoculation intraveineuse. Cette étude offre des informations sur les différents modes d'action des mAbs anti-CSP dans la peau et le foie. La neutralisation efficace du parasite dans le foie dépendrait non seulement de la cytotoxicité des mAbs mais aussi de l'inhibition de l'infection cellulaire, alors que la protection dépendante des mAbs dans la peau semble être principalement due à la cytotoxicité des anticorps. Le test de cytotoxicité 3D in vitro, combiné à l'infection des hépatocytes, pourrait aider à sélectionner des mAbs thérapeutiques et à développer des vaccins dirigés contre la CSP.

Plasmodium sporozoites are inoculated into the skin of the vertebrate host during the bite of an infected mosquito. To leave the skin and reach the liver, where these parasites continue developing within hepatocytes, sporozoites rely on their motility to find and invade cutaneous blood vessels. This motile and infective stage is characterized by the massive presence of the circumsporozoite protein (CSP) on its surface. Antibodies binding to the central repeat region of this protein are the basis of protection against sporozoite infection elicited by CSP-based vaccines and have been shown to confer protection in humans. Previous studies have shown that this type of antibody inhibits sporozoite function by limiting its motility and directly killing the parasite. However, how these activities translate into protection against sporozoite infection in vivo remains elusive. Here, we present a comprehensive investigation of the mechanisms of action and protective efficacy of human monoclonal antibodies (hmAbs) targeting the CSP of P. falciparum, the most lethal human-infecting parasite. First, we elucidate their differential efficacy in neutralizing sporozoites in tissues by comparing 13 different hmAbs with distinct binding and protective activities using a rodent-infecting parasite, P. berghei, in which the endogenous CSP was replaced by the P. falciparum CSP. All protective hmAbs mainly neutralize parasites after sporozoite passage through the skin. Significantly, the most effective antibodies can also neutralize sporozoites after intravenous injection. While protection after skin inoculation correlated with the killing activity and inhibition of motility in vitro, intravital imaging showed that sporozoites are still able to enter the bloodstream, suggesting a general loss of fitness after skin migration rather than direct blockade in the dermis. In vitro migration in a 3D-, but not on a 2D-substrate, enhances hmAb cytotoxicity and recapitulates the protection observed after sporozoite inoculation in the skin. To better understand the action of potent anti-CSP mAbs outside the skin, we also investigated the dynamics of parasite killing in the liver using in vivo bioluminescence and intravital imaging as well as in vitro cell infection assays. Our results show that antibody-mediated protection in the liver is primarily based on its cytotoxic activity, which inhibits sporozoite motility and sinusoidal extravasation. However, these effects do not fully explain the reduction in infection at later developmental stages since, in vivo, most parasites die after 5 h post-intravenous inoculation and some highly cytotoxic hmAbs do not protect the host following intravenous inoculation of sporozoites. In vitro experiments confirmed the inhibitory effect of mAbs on sporozoite invasion and intracellular development of liver stages. Remarkably, the most potent hmAbs inhibit cell invasion in vitro at non-killing concentrations. Interestingly, in vitro assays measuring the inhibition of cell invasion and the late effect of mAbs in the intracellular parasite development correlate strongly with the protection measured after intravenous inoculation. Overall, this study provides valuable insights into the different modes of action of anti-CSP mAbs in the skin and liver. In the skin, protection is associated with the 3D-matrix enhanced antibody cytotoxicity exerted on moving sporozoites, while potent and effective neutralization of the parasite in the liver depends not only on cytotoxicity but also on the inhibition of cell infection. Furthermore, the developed in vitro 3D cytotoxicity assay, combined with the hepatocyte infection assay, may be helpful for the further selection of potent therapeutic mAbs and contribute to the development of CSP-based vaccines.