Journal of Infectious Diseases Advance Access published April 8, 2014 1 

Dynamics of the antibody response to Plasmodium falciparum infection in African children

Michael T White1,*, Jamie T Griffin1, Onome Akpogheneta2,3, David J Conway2,3, Kwadwo A Koram4, Eleanor M Riley5,†, Azra C Ghani1,† MRC Centre for Outbreak Analysis & Modelling, Department of Infectious Disease Epidemiology, Imperial College 

London  Medical Research Council Laboratories, Fajara, The Gambia 

3

Department of Pathogen Molecular Biology, London School of Hygiene & Tropical Medicine, Keppel Street, London 

4

Noguchi Memorial Institute for Medical Research, University of Ghana, Legon, Ghana 

5

Department of Immunology and Infection, London School of Hygiene & Tropical Medicine, Keppel Street, London 

us

2

*



Ac

ce

pt ed

M

These authors contributed equally to this study.

an

Corresponding author: Dr Michael T. White, MRC Centre for Outbreak Analysis and Modelling, Department of  Infectious Disease Epidemiology, Imperial College London, London, W2 1PG, UK, e‐mail: [email protected],  phone: 0044 20 7594 3946 

© The Author 2014. Published by Oxford University Press on behalf of the Infectious Diseases Society of America. All  rights reserved. For Permissions, please e‐mail: [email protected]

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

cr ipt

1



Abstract  Background 

cr ipt

Acquired immune responses to malaria have widely been perceived to be short‐lived, with previously immune  individuals suffering a loss of immunity when they move from malaria‐endemic areas. However long‐lived P.  falciparum specific antibody responses lasting for an individual’s lifetime are frequently observed.   Methods and Findings 

us

cohort studies of African children to estimate the half‐lives of circulating Immunoglobulin G (IgG) antibodies and IgG 

an

antibody secreting cells (ASC). Antibody responses in African children can be described by a model including both  short‐lived ASCs (half‐life in the range 2‐10 days) responsible for boosting antibody titres following infection, and  long‐lived ASCs (half‐life in the range 3‐9 years) responsible for maintaining sustained humoral responses. 

M

Comparison of antibody responses in the younger Ghanaian cohort and the older Gambian cohort suggests that  young children are less able to generate the long‐lived ASCs necessary to maintain the circulating antibodies that 

Conclusions 

pt ed

may provide protection against reinfection.   

The rapid decay of antibodies following exposure to malaria and the maintenance of sustained antibody responses 

 

Ac

 

ce

can be explained in terms of populations of short‐lived and long‐lived ASCs. 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

We fit mathematical models of the dynamics of antibody titres to Plasmodium falciparum antigens from longitudinal 



Introduction  In malaria‐endemic areas, young children bear the major burden of disease whereas older children and adults  acquire substantial protection from severe malaria and death following exposure, but rarely, if ever, acquire sterile 

cr ipt

immunity[1]. It is widely perceived that acquired immune responses to malaria are short‐lived[1, 2], and that  previously immune individuals suffer a loss of immunity when they move away from malaria‐endemic areas. 

However, the true picture is more complex[3, 4]. Infants and young children are particularly vulnerable to malaria  after physiological adaptations and maternally‐acquired antibodies have waned and before the development of  

us

acquisition of immunity to malaria requires multiple infections. Although substantial protection from severe malaria 

an

and death is acquired after a small number of infections[6], episodes of febrile disease may continue for many years.  While frequent reinfection is required to maintain high concentrations of anti‐malarial antibodies, and antibody  responses can appear transient, especially in young children[2, 7‐9], there is evidence that other components of the 

M

immune response to malaria are long‐lived[3]. Circulating memory B cells (MBC) specific for P. falciparum antigens  can be detected at least eight years after the most recent infection[10, 11] and may persist for the lifetime of the  individual[12]. Furthermore, estimates of the half‐life of antibody seropositivity indicate that individuals may remain 

pt ed

seropositive for life for antibodies to conserved or relatively conserved antigens, even in areas of low ongoing  malaria transmission[13].  

The cellular and molecular determinants of the duration of anti‐malarial antibody responses have been investigated  in mouse models[14, 15] but remain poorly studied in humans. MBCs specific to Plasmodium antigens are detectable 

ce

among human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and studies have reported their expansion and  contraction[16], and their longevity[10, 11, 17]. However, there are no comparable studies of longevity of ASCs in 

Ac

humans exposed to malaria. Such studies would be difficult to undertake, as ASCs are located primarily in bone  marrow and lymphoid organs and are detectable in blood only in the short window between differentiation and 

migration to the bone marrow[15]. However, mouse models reveal a strong correlation between numbers of ASCs in  tissues and serum antibody concentrations, suggesting that antibody titres are a good surrogate for ASC  numbers[14].  

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

effective adaptive immunity[5]. In contrast to other childhood infections, such as measles, rubella and varicella, 

4  To obtain quantitative estimates of the immune parameters determining the antibody response to malaria, we  analysed data from two longitudinal cohort studies of antibody responses to P. falciparum infection in African  children. In the first study, 151 Ghanaian children were followed from birth for over 2 years to investigate the 

cr ipt

association between maternal antibody and protection from malaria[18]. Serum samples were analysed by enzyme‐ linked immunosorbent assays (ELISA) for the presence of antibodies to the antigens apical membrane antigen 1 

(AMA‐1), merozoite surface protein 1 (MSP‐1), merozoite surface protein 2 (MSP‐2), and circumsporozoite protein 

(CSP). Infants in malaria‐endemic areas are born with maternally‐acquired IgG antibodies but no ASCs of their own, 

IgG titres upon exposure to P. falciparum antigens, after which antibody titres decay again. In the second study, 124  Gambian children were followed for 3 months during the dry season (when there was little or no ongoing malaria 

an

transmission) to investigate antibody dynamics following exposure to P. falciparum during the previous wet  season[8, 9]. Serum samples were analysed by ELISA for antibodies to the antigens AMA‐1, MSP‐1, MSP‐2, and 

M

erythrocyte binding antigen 175 (EBA‐175). The Gambian children ranged in age from 1 to 6 years, too old for  maternal antibodies to be present in appreciable quantities[5]. Figure 1 shows the population‐level pattern of  boosting and decay of antibodies in both cohorts of children, as well as sample antibody trajectories from individual 

pt ed

children.  Longitudinal measurements of parasitaemia were available for most children. However, there was poor agreement  between detection of parasites and boosting of antibody titres, with P. falciparum parasites frequently detected  without a boost in titres, titres boosted without detectable infection, and titres to one antigen boosted without an 

ce

accompanying boost to titres of other antigens. This could be due to poor sensitivity or specificity of the parasite  detection methods, polymorphism of parasite antigens, persistent antigen presentation by follicular dendritic  cells[19],  bystander activation[20] or clonal imprinting (original antigenic sin[7]). We therefore analysed the 

Ac

dynamics of antibodies to each antigen separately. When antibody titres were boosted above some threshold 

between consecutive samples (Figure S1), we assumed antigen exposure to have occurred (which may or may not 

coincide with detection of parasites).  

 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

us

hence antibody titres decay in the first months of life. Throughout follow‐up, children acquire ASC and boost their 



Results  Three nested models of the immunological processes that might underlie antibody dynamics (Figure 2) were fitted to  the Ghanaian and Gambian data. The simplest, Model 1, assumes that antibodies are generated in a single, short 

cr ipt

pulse following P. falciparum infection and thereafter decay exponentially. Model 2 assumes that ASCs are 

generated in response to infection and decay exponentially. Throughout their life the population of ASCs generates  antibodies which also decay exponentially. Finally Model 3 is similar to Model 2 but assumes that infection induces  two populations of ASCs, one of which is short‐lived and the other long‐lived[21]; these two ASC populations are 

us

datasets are shown in Table 1. Sample model fits for four children are presented in Figure 3. 

an

Under the simplest model (Model 1), we estimate antibody half‐lives in the range 9‐40 days in Ghanaian children and  60‐103 days in Gambian children. Under Model 2, the observed antibody response in the Ghanaian children was  estimated to be due to ASCs with half‐life in the range of 2‐5 days, generating antibodies with half‐life in the range of 

M

17‐30 days. The antibody response in the Gambian children was estimated to be due to ASCs with half‐life in the  range of 95‐270 days, generating antibodies with half‐life in the range of 11‐12 days. Models 1 and 2 capture the 

pt ed

short‐lived phase of the antibody response in the Ghanaian cohort, but identify a phase of intermediate duration on  the Gambian cohort. 

In contrast, Model 3, in which two populations of ASCs are incorporated (thus more accurately representing the  underlying immunological processes), produced consistent estimates for the half‐lives of both antibodies and ASCs 

ce

between the Ghanaian and Gambian children. The half‐life of antibodies was estimated to be 14‐21 days in Ghanaian  children and 4‐11 days in Gambian children. These half‐lives of the antibody response are similar to an estimate of  9.8 days previously reported in Kenyan children[2]. The half‐life of maternally acquired antibodies from the 

Ac

Ghanaian cohort was estimated to be 13‐45 days. These figures are consistent with estimates of the half‐life of  passively acquired IgG in adults, which varies from 11‐70 days depending on initial serum concentration and IgG  subclass[22].  As different malaria antigens have been found to induce different IgG subclasses (e.g. with IgG1 

predominating for AMA‐1 and IgG3 predominating for MSP‐2) and the extent of this varies with age and duration of  exposure[23],  an analysis of the proportions and kinetics of each IgG subclass for each antigen may begin to explain  the differences in estimated antibody half‐life shown in Table 1. Differences in estimated half‐lives between antigens 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

both assumed to generate antibodies but to decay at different rates. The parameters providing the best fit to both 

6  may be partially due to differences in the proportion of different IgG subclasses since different subclasses  are  catabolised at different rates [24]. The shorter half‐life of a child’s own IgG antibodies compared to maternally  acquired IgG antibodies may be explained by antibodies being used up to clear parasites in the case of active 

cr ipt

infection.   Under Model 3, the half‐life of short‐lived ASCs was estimated to be 2‐3 days in Ghanaian children and 4‐10 days in  Gambian children, whilst the half‐life of long‐lived ASCs was estimated to be 5‐9 years in Ghanaian infants and 3‐5  years in Gambian children. These estimates suggest a sustained, long‐lived immune response in the order of years 

us

responses (Model 1 and Kinyanjui[2]). Furthermore, 81‐95% of ASCs are estimated to be short‐lived in Ghanaian  children compared to 68‐83% in Gambian children. This difference in the production of long‐lived ASCs may be in 

an

part attributable to differences in age as has previously been observed for the Gambian cohort[8]. Whilst there were  insufficient data to formally fit an age effect, the results are consistent with the capacity to mount a sustained 

M

response (captured here as a higher proportion of long‐lived ASCs) improving with age. Moreover, in the youngest  infants (less than 100 days old) from the Ghanaian cohort, antibody titres were rarely boosted, even though the  infants were regularly exposed to Plasmodium parasites. This suggests that young infants may be unable to mount 

pt ed

their own B cell response, perhaps because high avidity maternal antibodies sequester the antigen and reduce its  availability to prime the child’s naïve B cells. 

 

ce

Discussion 

The models described here are necessary simplifications of the complex processes underlying the generation of 

Ac

antibody responses. Antigen exposure is assumed to induce rapid proliferation and differentiation of naïve B cells or  MBCs into ASCs and sudden bursts of IgG secretion from newly minted ASCs leads to a sharp increase in antibody  titre (boosting). However blood‐stage malaria infections can persist for weeks or months (up to at least 40 weeks for  a single parasite clone in the Ghanaian cohort[25]), continuously exposing emerging naïve B cells and MBCs to 

antigen and generating less discrete waves of ASCs and antibodies. A model incorporating data on the duration of  infection may provide additional insights into the maintenance of long‐lived antibody responses. Furthermore, the  simple models investigated here do not distinguish between primary infection and re‐infection[26]. It has been 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

rather than days, revealing the limitations of models that do not capture the observed biphasic decay in humoral 

7  observed in mice that functional MBCs generated in a primary malaria infection give rise to a faster ASC and  antibody response upon re‐infection[14]. Alternative model formulations could consider the possibility of faster and  stronger secondary antibody responses and a greater likelihood of MBCs differentiating into long‐lived ASCs 

cr ipt

compared to naïve B cells. However, our data were insufficient to distinguish between these models of increased  complexity. More complex models could be tested against data from mouse studies, where frequent sampling of  both the humoral and cellular components of immunity is possible [14, 15]. 

The data and model presented here can explain both the transient antibody response observed in very young 

us

infection. It also suggests that there may be a lower age limit for the efficient generation of long‐lived antibody  secreting cells.This information may be useful in interpreting the recent RTS,S/AS01 malaria vaccine trials in which a 

an

bi‐phasic exponential decay of anti‐CSP antibody titres was observed  (with titres waning rapidly in the first few  weeks after vaccination followed by a slower decay during extended follow up over several years [27])  and in which 

M

vaccine efficacy was higher in those receiving the vaccine at  5‐17 months of age group than in those vaccinated at 6‐ 10 weeks of age[28, 29]. Comparable longitudinal studies of other naturally acquired infections are needed to  determine whether the kinetics of humoral immune responses to malaria are typical of other infections or are in 

pt ed

some way aberrant. More extensive sampling of narrowly‐defined age cohorts throughout child development will  also be important, as a substantial age effect on antibody longevity has previously been seen among children  between 3 and 8 years old in The Gambia [Alpogheneta et al. 2008]. Also, the findings of Model 3 incorporating both  short and long‐lived components of the anti‐malarial antibody response need to be validated against data from 

ce

other longitudinal studies. Importantly, these studies will need both a period of frequent sampling to detect the  short‐lived antibody decay and extended follow up to capture long term trends. Finally, the indication that malaria  infections can give rise to very long‐lived ASCs, which continue to secrete low levels of antibodies for very long 

Ac

periods of time in the absence of re‐infection, provides a plausible explanation for the maintenance of protective 

immunity after decades of negligible malaria exposure in migrants [3] or long periods of effective malaria control in  previously endemic areas  [30] and has implications for the use of serology for mapping temporal changes in malaria  transmission [31].    

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

children and the development of sustained humoral immunity following repeated exposure to P. falciparum 



Materials and Methods Model 1 

cr ipt

IgG antibody is generated in boosts following exposure to P. falciparum antigens and decays with half‐life d a days.  When IgG antibody is generated at rate  the antibody dynamics can be described by 

dA    rA dt

us

log(2) log(2) is acquired at  is the rate of decay of antibody. If maternal antibody Am decaying at rate m  dm da

birth and antibody is generated in boosts of size i following antigen exposure at time   i then equation (1) can be 

an

solved to give 

A(t )  Am e  mt   H (t , i ) i e r (t  i )

(2)

where H is a step function defined as 

M

i

pt ed

0 t   i H (t , i )   1 t   i

(3)

At the start of follow up the Gambian children do not have maternal antibody, but instead have some initial titre of  naturally‐acquired antibody A0 . 

ce

Model 2 

Model 2 assumes rapid proliferation of ASCs following exposure to P. falciparum antigens. These plasma cells persist 

Ac

with half‐life d b days secreting IgG antibody throughout their life. When ASCs are generated at a rate  , the antibody 

kinetics can be described by 

dB    cB dt dA  gB  rA dt

(4)

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

where r 

(1)

9  where  c 

log(2) is the rate of decay of cells, and g is the rate at which antibody is secreted by plasma cells. If  db

maternal antibody is acquired at birth and plasma cells are generated in boosts of size i at times  i then equation (4) 

A(t )  Am e  mt   H (t , i ) i

i r c

e

 c ( t  i )

cr ipt

can be solved to give 

 e  r (t  i )



(5)

The constant g has been absorbed into the boost size i by normalization. At the start of follow up the Gambian 

us

some amount of ASCs B0 . 

an

Model 3 

Model 2 is extended so that following antigen exposure, short‐lived ASCs with half‐life d s days (of the order of 

M

days/weeks) and long‐lived ASCs with half‐life dl (of the order of months/years) are generated. Short‐lived ASCs are  responsible for the rapid rise in antibody titres following initial antigen exposure. Long‐lived ASCs form a vital part of 

pt ed

immunological memory and are responsible for maintaining antibody titres after the infection has been cleared. If  plasma cells are generated at rate  , a proportion  of which are short‐lived and  1   long‐lived, then the antibody 

Ac

ce

dynamics can be described by 

where cs 

dBs    cs Bs dt dBl  (1   )   cl Bl dt dA  gBs  gBl  rA dt

(6)

log(2) log(2) is the rate of decay of long‐lived  is the rate of decay of short‐lived plasma cells, and cl  dl ds

plasma cells. If maternal antibody is acquired at birth and plasma cells are generated in boosts of size i at 

times  i then equation (6) can be solved to give 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

children do not have maternal antibody, but instead have some initial titre of naturally‐acquired antibody A0 , and 

10 

  1    cl ( t  i )  r ( t  i )  e A(t )  Am e  mt   H (t , i )  i  e  cs ( t  i )  e  r (t  i )  e  r  cl i  r  cs 









(7)

Setting   1 , Model 3 simplifies to Model 2. At the start of follow up the Gambian children do not have maternal 

Bs 0 , and long‐lived ASCs  Bl 0 .  Model fitting 

us

The models were fitted to individual‐level longitudinal data on antibody titres from the Ghanaian and Gambian  cohorts. A mixed‐effects framework was utilised where the mean and standard deviation of each parameter is 

an

estimated. For example, for Model 1 we estimate the mean antibody half‐life of all children in the cohort da, and the  standard deviation of the antibody half‐life within the cohort Σa. Parameters were estimated using Bayesian Markov  Chain Monte Carlo methods (see Supplementary Information for more details). Posterior median parameter 

M

estimates are presented in Table 1. We do not present formal statistical model comparisons due to the challenges of  comparing mixed‐effects models (see Supplementary Information for further discussion). 

 

Ac

ce

 

pt ed

 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

cr ipt

antibody, but instead have some initial titre of naturally‐acquired antibody A0 , and some amount of short‐lived ASCs 

11 

References 1. Langhorne J, Ndungu FM, Sponaas AM, Marsh K. Immunity to malaria: more questions than answers. Nat Immunol 

cr ipt

2008; 9:725‐32.  2. Kinyanjui SM, Conway DJ, Lanar DE, Marsh K. IgG antibody responses to Plasmodium falciparum merozoite  antigens in Kenyan children have a short half‐life. Malar J 2007; 6. 

3. Struik SS, Riley EM. Does malaria suffer from lack of memory? Immunol Rev 2004; 201:268‐90. 

us

malaria infection. Immunology Immunopathogenesis Malaria 2005; 297:71‐102. 

infection? Parasite Immunol 2001; 23:51‐9. 

an

5. Riley EM, Wagner GE, Akanmori BD, Koram KA. Do maternally acquired antibodies protect infants from malaria 

M

6. Gupta S, Snow RW, Donnelly CA, Marsh K, Newbold C. Immunity to non‐cerebral severe malaria is acquired after  one or two infections. Nat Med 1999; 5:340‐3. 

pt ed

7. Taylor RR, Egan A, McGuinness D, et al. Selective recognition of malaria antigens by human serum antibodies is  not genetically determined but demonstrates some features of clonal imprinting. Int Immunol 1996; 8:905‐15.  8. Akpogheneta OJ, Duah NO, Tetteh KKA, et al. Duration of naturally acquired antibody responses to blood‐stage  Plasmodium falciparum is age dependent and antigen specific. Infect Immun 2008; 76:1748‐55. 

ce

9. Akpogheneta OJ, Dunyo S, Pinder M, Conway DJ. Boosting antibody responses to Plasmodium falciparum  merozoite antigens in children with highly seasonal exposure to infection. Parasite Immunol 2010; 32:296‐304. 

Ac

10. Wipasa J, Suphavilai C, Okell LC, et al. Long‐Lived Antibody and B Cell Memory Responses to the Human Malaria  Parasites, Plasmodium falciparum and Plasmodium vivax. PloS Path 2010; 6. 

11. Ndungu FM, Olotu A, Mwacharo J, et al. Memory B cells are a more reliable archive for historical antimalarial  responses than plasma antibodies in no‐longer exposed children. PNAS USA 2012; 109:8247‐52. 

12. Migot F, Chougnet C, Henzel D, et al. Anti‐malaria antibody‐producing B cell frequencies in adults after a  Plasmodium falciparum outbreak in Madagascar. Clin Exp Immunol 1995; 102:529‐34. 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

4. Achtman AH, Bull PC, Stephens R, Langhorne J. Longevity of the immune response and memory to blood‐stage 

12  13. Drakeley CJ, Corran PH, Coleman PG, et al. Estimating medium‐ and long‐term trends in malaria transmission by  using serological markers of malaria exposure. PNAS USA 2005; 102:5108‐13. 

after a Single Plasmodium chabaudi Infection in Mice. PloS Path 2009; 5. 

cr ipt

14. Ndungu FM, Cadman ET, Coulcher J, et al. Functional Memory B Cells and Long‐Lived Plasma Cells Are Generated 

15. Nduati EW, Ng DHL, Ndungu FM, Gardner P, Urban BC, Langhorne J. Distinct kinetics of memory B‐cell and 

plasma‐cell responses in peripheral blood following a blood‐stage Plasmodium chabaudi infection in mice. PloS One 

16. Weiss GE, Traore B, Kayentao K, et al. The Plasmodium falciparum‐Specific Human Memory B Cell Compartment 

an

Expands Gradually with Repeated Malaria Infections. PloS Path 2010; 6. 

17. Dorfman JR, Bejon P, Ndungu FM, et al. B cell memory to 3 Plasmodium falciparum blood‐stage antigens in a  malaria‐endemic area. J Infect Dis 2005; 191:1623‐30. 

M

18. Riley EM, Wagner GE, Ofori MF, et al. Lack of association between maternal antibody and protection of African  infants from malaria infection. Infect Immun 2000; 68:5856‐63. 

pt ed

19. Tew JG, Wu JH, Qin DH, Helm S, Burton GF, Szakal AK. Follicular dendritic cells and presentation of antigen and  costimulatory signals to B cells. Immunol Rev 1997; 156:39‐52.  20. Bernasconi NL, Traggiai E, Lanzavecchia A. Maintenance of serological memory by polyclonal activation of human  memory B cells. Science 2002; 298:2199‐202. 

ce

21. Slifka MK, Antia R, Whitmire JK, Ahmed R. Humoral immunity due to long‐lived plasma cells. Immunity 1998;  8:363‐72. 

Ac

22. Waldmann TA. Disorders of immunoglobulin metabolism.  N Eng J Med 1969; 281:1170‐7. 

23. Tongren JE, Drakeley CJ, McDonald SLR, et al. Target antigen, age, and duration of antigen exposure  independently regulate immunoglobulin G subclass switching in malaria. Infect Immun 2006; 74:257‐64. 

24. Spiegelberg HL. Biological activities of immunoglobulins of different classes and subclasses. Advances Immunol  1974; 19:259‐94. 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

us

2010; 5:e15007. 

13  25. Franks S, Koram KA, Wagner GE, et al. Frequent and persistent, asymptomatic Plasmodium falciparum infections  in African infants, characterized by multilocus genotyping. J Infect Dis 2001; 183:796‐804.  26. Moncunill G, Mayor A, Jimenez A, et al. Cytokine and Antibody Responses to Plasmodium falciparum in Naive 

cr ipt

Individuals during a First Malaria Episode: Effect of Age and Malaria Exposure. PloS One 2013; 8. 

27. Olotu A, Fegan G, Wambua J, et al. Four‐Year Efficacy of RTS,S/AS01E and Its Interaction with Malaria Exposure.  N Eng J Med 2013; 368:1111‐20. 

African Children. N Eng J Med 2011; 365:1863‐75. 

Eng J Med 2012; 367:2284‐95. 

an

29. Mian‐McCarthy S, Agnandji ST, Lell B, et al. A Phase 3 Trial of RTS,S/AS01 Malaria Vaccine in African Infants. N 

M

30. Deloron P, Chougnet C. Is immunity to malaria really short‐lived. Parasitology Today 1992; 8:375‐8.  31. Corran P, Coleman P, Riley E, Drakeley C. Serology: a robust indicator of malaria transmission intensity? Trends 

         

Ac

 

ce

 

pt ed

Parasitol 2007; 23:575‐82. 

 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

us

28. Agnandji ST, Lell B, Soulanoudjingar SS, et al. First Results of Phase 3 Trial of RTS,S/AS01 Malaria Vaccine in 

14 

Funding sources MTW was supported by a grant from The Bill & Melinda Gates Foundation. JTG was supported by a fellowship from  the UK Medical Research Council. ACG acknowledges support from the UK Medical Research Council and The Bill & 

 

Conflict of Interests

us

The authors declare they have no conflict of interest. 

an

Figure legends

M

Figure 1 Figure title: Population‐level antibody dynamics 

Population‐level dynamics of antibody titres to AMA‐1 (blue), MSP‐1 (pink), MSP‐2 (yellow), CSP (green) and EBA‐175 

pt ed

(purple) in cohorts of 151 Ghanaian children and 124 Gambian children. The solid coloured lines show polynomial  fits of the median antibody titre in each cohort. The shaded regions capture 50% and 95% of the variation in the  observed data. Antibody trajectories from two randomly‐selected children from each cohort are shown in dashed  lines. Ghanaian children were followed from birth for approximately 800 days. Maternal blood samples were 

ce

collected by venepuncture, and children’s samples were collected at birth, 2, 4, and 6 weeks after birth, and then  every 4 weeks, by heel prick. Blood samples were tested for parasites by microscopy and parasite DNA by 

Ac

polymerase chain reaction (PCR). The Gambian children were followed for approximately 3 months after the end of  the rainy season. Blood samples were collected every 2 weeks and tested for malaria parasites by microscopy. In the  Ghanaian children there is some evidence for a bi‐phasic decay, with antibody titres dropping rapidly immediately  after boosting and then decaying at a slower rate over a period of months to years. For the Gambian children, a slow 

decay in antibody titres is observed, punctuated by occasional boosts followed by rapid decay. 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

cr ipt

Melinda Gates Foundation. Sample and data collection in Ghana was funded by the Wellcome Trust (040328). 

15 

Figure 2 Figure title: Schematic representation of the fitted models.  

cr ipt

The top row represents how each model captures the underlying immunological processes, the middle row depicts  the change in antibody titres over time (red – maternally‐acquired antibodies; blue – antibodies generated by short‐ lived ASCs; green – antibodies generated by long‐lived ASCs) and the bottom row shows the mathematical 

description. In Model 1, antibodies (A) are generated in sharp boosts following infection (at rate α) and then decay 

exponentially (at rate r).  In Model 2, ASCs (B) are generated (at rate β) in response to antigen exposure and decay at 

us

following antigen exposure, a proportion ρ being short‐lived ASCs (Bs) and decaying at rate cs, and a proportion 1‐ρ 

an

being long‐lived ASCs (Bl) and decaying at rate cl. Antibodies (A) are produced by all ASCs at rate g and decay at rate 

M

r.  In all three models IgG antibody can additionally be acquired maternally. 

Figure 3

pt ed

Figure title: Sample model fits for individual‐level antibody dynamics.  Model predicted antibody dynamics for two Ghanaian children under Model 1 (a‐b), Model 2 (c‐d), and Model 3   (e‐f). Model predicted antibody dynamics for two Gambian children under Model 1 (g‐h), Model 2 (i‐j), and Model 3  (k‐l). Dots represent data points, and the continuous lines represent model fits. The presence (red) or absence 

ce

(black) of P. falciparum parasites detected by microscopy is indicated at the top of each plot. There was poor  agreement between the time of detection of parasites and boosting of antibody titres. Furthermore, in a given 

Ac

individual the times of boosting of antibodies to different antibodies often differ. Note that the sustained antibody  response in Ghanaian child 2 following infection is poorly captured by Models 1 and 2 (b,d), but is captured by Model  3 (f).   

      

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

rate c. Antibodies (A) are produced by ASCs at rate g and decay at rate r. In Model 3, ASCs are generated (at rate β) 

16   

Table 1  

 

AMA-1

MSP-1

MSP-2

CSP

EBA-175

 

 

 

 

 

maternal antibody ½‐life 

dm  

45 (37 ‐ 56) 

30 (25 ‐ 38) 

21 (18 ‐ 24)  

13 (7 ‐ 24) 

– 

IgG antibody ½‐life

da  

25 (18 ‐ 37) 

40 (31 ‐ 56) 

33 (27 ‐ 43) 

9 (7 ‐ 13) 

– 

Model 2 

 

 

 

 

 

 

maternal antibody ½‐life 

dm  

44 (37 ‐ 56) 

32 (26 ‐ 43) 

IgG antibody ½‐life

da  

30 (25 ‐ 37) 

29 (24 ‐ 36) 

ASC ½‐life

db  

2 (1 ‐ 8) 

5 (3 ‐ 8) 

Model 3 

 

 

 

maternal antibody ½‐life 

dm  

46 (38 ‐ 57) 

33 (27 ‐ 45) 

IgG antibody ½‐life

da  

17 (13 ‐ 21) 

short‐lived ASC  ½‐life

ds  

long‐lived ASC  ½‐life 

dl  

16 (10 ‐ 30) 

– 

28 (22 ‐ 34) 

17 (13 ‐ 23) 

– 

5 (4 ‐ 9) 

3 (2 ‐ 5) 

– 

 

 

 

27 (22 ‐ 36) 

24 (13 ‐ 52) 

– 

19 (16 ‐ 23) 

21 (16 ‐ 26) 

14 (11 ‐ 20) 

– 

2.5 (2.1 ‐ 3.1) 

2.4 (1.9 ‐ 3.1) 

2.3 (1.9 ‐ 2.8) 

3.0 (2.4 ‐ 4.0) 

– 

2956  

1901  

3444  

2881  

– 

(1829 ‐ 4513) 

(1115 ‐ 3228) 

(2107 ‐ 4702) 

(1530 ‐ 4639) 

0.95 (0.89 ‐ 0.98) 

0.84 (0.74 ‐ 0.92) 

0.95 (0.89 ‐ 0.98) 

0.81 (0.64 ‐ 0.97) 

– 

 

 

 

 

M

an

22 (19 ‐ 26) 

pt ed

proportion short‐lived  

 

us

 

Gambian cohort (1 – 6 years)    

 

ce

Model 1 

da  

60 (39 ‐ 100) 

72 (49 ‐ 113) 

60 (32 ‐ 112) 

– 

103 (65 ‐ 176) 

Model 2 

 

 

 

 

 

 

IgG antibody ½‐life

da  

12 (9 ‐ 16) 

11 (8 ‐ 16) 

11 (8 ‐ 14) 

– 

12 (9 ‐ 16) 

ASC ½‐life

db  

214 (123 ‐ 442) 

108 (66 ‐ 224) 

95 (48 ‐ 232) 

– 

270 (147 ‐ 567) 

Model 3 

 

 

 

 

 

 

IgG antibody ½‐life

da  

7 (6 ‐ 9) 

7 (6 ‐ 9) 

4 (3 ‐ 5) 

– 

11 (6 ‐ 18) 

short‐lived ASC  ½‐life

ds  

4 (3 ‐ 8) 

10 (5 ‐ 17) 

4 (3 ‐ 5) 

– 

10 (5 ‐ 18) 

long‐lived ASC  ½‐life 

dl  

1050  

859  

1020  

– 

1607  

Ac

IgG antibody ½‐life

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

Model 1 

cr ipt

Ghanaian cohort (0 – 2 years) 

17  proportion short‐lived  

 

(612 ‐ 1742) 

(473 ‐ 1565) 

(547 ‐ 1939) 

0.83 (0.74 ‐ 0.89) 

0.70 (0.61 ‐ 0.82) 

0.75 (0.67 ‐ 0.82) 

(1030 ‐ 2549)  – 

0.68 (0.59 ‐ 0.77) 

 

Table title: Estimated parameters for antibody dynamics in each cohort.   

cr ipt

 

Posterior median parameter estimates and 95% credible intervals for all three Models fitted to both the Ghanaian 

us

long‐lived ASCs (dl) and the proportion of the response (1‐ρ) that is long‐lived are correlated – a sustained antibody 

an

response may be due to a small number of long‐lived cells or a larger number of cells with shorter half‐life. The  estimated half‐lives for the long‐lived ASCs are greater than the duration of longitudinal follow up in both cohorts,  and hence are partially informed by prior information on the duration of antibody response. Estimates of the 

Ac

ce

pt ed

M

variation between individuals of each parameter are presented in Table S2.  

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

and Gambian datasets. All units, apart from proportions, are in days. In Model 3, the estimates of the half‐lives of 

pt ed

ce

M

cr ipt us an

 

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

Ac  

18 

ce

pt ed

 

M

cr ipt us an

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

Ac

 

19 

pt ed

ce

M

 

cr ipt us an

Downloaded from http://jid.oxfordjournals.org/ at Ondokuz Mayis University on May 19, 2014

Ac

20 

Dynamics of the antibody response to Plasmodium falciparum infection in African children.

Acquired immune responses to malaria have widely been perceived to be short-lived, with previously immune individuals losing immunity when they move f...
749KB Sizes 0 Downloads 3 Views