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Abstract

Plasmodium falciparum (Pf) is a unicellular parasite and the major causative agent of human malaria. The sporozoite form of the parasite is transferred from mosquitos to humans and can infect hepatocytes in the liver. Both Pf-specific antibodies, generated with the help of CD4+ T follicular helper cells, and CD8+ T cells can limit disease progression at an early stage by preventing the infection of hepatocytes and eliminating infected cells, respectively. However, so far no vaccine is capable of eliciting strong humoral and cellular immune responses that can reliably confer long-term protection. Therefore, a better understanding of immune responses induced by current vaccines is necessary to guide the development of alternative vaccination strategies. While many studies focused on the evolution of protective B cell responses during malaria immunizations, little is known about the kinetics of emergence and maintenance of T cell subsets. In this study, a newly developed platform for the single-cell, high-throughput sequencing and expression-cloning of human T cell receptors (TCRs) was applied to characterize the TCR repertoire of CD8+ effector memory T (TEM) cells and CD4+ circulating T follicular helper (cTFH) cells induced during immunization with radiation-attenuated sporozoites (Pf RAS). This study revealed that the two subsets show contrary dynamics in their repertoire upon immunization. In activated CD8+ TEM cells, the repertoire was dominated by large, persistent clones which did not respond to Pf RAS immunization. The recruitment of smaller, highly diverse clones of yet unknown specificity resulted in the diversification of the repertoire upon immunization. In contrast, in the cTFH cell compartment the Pf RAS immunization led to the clonal expansion of activated cells, which dominated the otherwise highly polyclonal repertoire. The activated cTFH cells were highly enriched for clones reacting to the C-terminal region of the circumsporozoite protein (C-CSP), the most abundant protein on the surface of sporozoites. While most of the C-CSP-reactive cTFH cells carried diverse TCRs, some formed clusters of highly similar TCRs that could be detected within but also between donors, indicating convergence in the otherwise highly diverse TCR repertoire. Identification of epitopes targeted by the Pf-specific TCRs could complement the information about the dynamics of Pf-specific clones and would thereby provide helpful insight into how different T cell epitopes shape the T cell repertoire during immunizations. This information could help to optimize existing vaccines, e.g. by reducing subunit vaccines to epitopes which dominate the Pf-specific T cell responses and are highly conserved between Pf strains, thereby enhancing protection from heterologous infection.

Translation of abstract (German)

Plasmodium falciparum (Pf) ist ein einzelliger Parasit und der wichtigste Erreger der Malaria im Menschen. Die Parasiten werden im Sporozoiten-Stadium von Mücken auf den Menschen übertragen und können dort Hepatozyten in der Leber infizieren. Sowohl Pf-spezifische Antikörper, die unter Hilfe von CD4+ follikulären T-Helferzellen gebildet wurden, als auch CD8+ T-Zellen können den Krankheitsverlauf in einem frühen Stadium eingrenzen, indem sie die Infektion von Hepatozyten verhindern oder infizierte Zellen eliminieren. Allerdings gibt es bis jetzt keinen Impfstoff, der starke humorale und zelluläre Immunantworten hervorrufen kann, welche einen zuverlässigen Langzeitschutz vermitteln. Daher ist ein besseres Verständnis der durch derzeitige Impfstoffe hervorgerufenen Immunantworten erforderlich, um die Entwicklung von alternativen Impfstrategien zu ermöglichen. Während sich die meisten Studien auf die Entstehung von schützenden B-Zell-Antworten in Malaria-Immunisierungen fokussiert haben, ist weiterhin wenig über die Kinetik der Entstehung sowie Aufrechterhaltung von T-Zell-Antworten bekannt. In dieser Studie wurde eine neu entwickelte Plattform für die Hochdurchsatz-Einzelzell-Sequenzierung und Expressionsklonierung von humanen T-Zell-Rezeptoren (TCRs) angewendet, um das TCR Repertoire von CD8+ Effektor-Gedächtnis-T-Zellen (TEM) und CD4+ zirkulierenden follikulären T-Helferzellen (cTFH) zu charakterisieren, welche durch die Immunisierung mit bestrahlten Sporozoiten hervorgerufen wurden. Diese Studie verdeutlicht, dass die zwei T-Zellpopulationen nach Immunisierung entgegengesetzte Veränderungen in ihrem Repertoire aufweisen. In aktivierten CD8+ TEM-Zellen wurde das Repertoire von großen, langlebigen Klonen dominiert, die nicht auf die Pf RAS Immunisierung reagiert haben. Die Rekrutierung von kleinen, sehr diversen Klonen von unbekannter Spezifität resultierte in einer Diversifizierung des Repertoires nach der Immunisierung. Im Gegensatz dazu führte die Pf RAS Immunisierung im cTFH-Zell-Kompartiment zu einer klonalen Expansion aktivierter Zellen, welche das ansonsten sehr polyklonale Repertoire dominierten. Aktivierten cTFH-Zellen waren stark angereichert mit Klonen, die reaktiv gegen die C-terminale Region des Circumsporozoit Proteins (C-CSP) waren, welches das häufigste Protein auf der Oberfäche von Sporozoiten ist. Während die meisten der C-CSP-reaktiven cTFH-Zellen sehr diverse TCRs aufwiesen, konnten Gruppen von TCRs mit hoher Ähnlichkeit innerhalb und zwischen Spendern entdeckt werden, was auf eine Konvergenz in dem ansonsten sehr diversen TCR Repertoire hindeutet. Die Identifizierung von Epitopen, die von diesen Pf-spezifischen TCRs erkannt werden, könnte die Informationen über die Dynamik der Pf-spezifischen Klone komplettieren und dadurch hilfreiche Einblicke darüber geben, wie verschiedene Epitope das T-Zell-Repertoire nach Immunisierung verändern. Diese Information könnte dabei helfen bestehende Impfstoffe zu verbessern, indem zum Beispiel Untereinheiten-Impfstoffen auf Epitope reduziert werde, welche die Pf-spezifischen T-Zell-Antworten dominieren und zudem hochkonserviert sind zwischen Pf Stämmen, wodurch der Schutz gegen heterologe Infektionen erhöht werden kann.