SARS-CoV-2 enters cells using its Spike protein, which is also the main target of neutralizing antibodies. Therefore, assays to measure how antibodies and sera affect Spike-mediated viral infection are important for studying immunity. Because SARS-CoV-2 is a biosafety-level-3 virus, one way to simplify such assays is to pseudotype biosafety-level-2 viral particles with Spike. Such pseudotyping has now been described for single-cycle lentiviral, retroviral, and vesicular stomatitis virus (VSV) particles, but the reagents and protocols are not widely available. Here, we detailed how to effectively pseudotype lentiviral particles with SARS-CoV-2 Spike and infect 293T cells engineered to express the SARS-CoV-2 receptor, ACE2. We also made all the key experimental reagents available in the BEI Resources repository of ATCC and the NIH. Furthermore, we demonstrated how these pseudotyped lentiviral particles could be used to measure the neutralizing activity of human sera or plasma against SARS-CoV-2 in convenient luciferase-based assays, thereby providing a valuable complement to ELISA-based methods that measure antibody binding rather than neutralization.

A safe, effective, and scalable vaccine is needed to halt the ongoing SARS-CoV-2 pandemic. We describe the structure-based design of self-assembling protein nanoparticle immunogens that elicit potent and protective antibody responses against SARS-CoV-2 in mice. The nanoparticle vaccines display 60 SARS-CoV-2 spike receptor-binding domains (RBDs) in a highly immunogenic array and induce neutralizing antibody titers 10-fold higher than the prefusion-stabilized spike despite a 5-fold lower dose. Antibodies elicited by the RBD nanoparticles target multiple distinct epitopes, suggesting they may not be easily susceptible to escape mutations, and exhibit a lower binding:neutralizing ratio than convalescent human sera, which may minimize the risk of vaccine-associated enhanced respiratory disease. The high yield and stability of the assembled nanoparticles suggest that manufacture of the nanoparticle vaccines will be highly scalable. These results highlight the utility of robust antigen display platforms and have launched cGMP manufacturing efforts to advance the SARS-CoV-2-RBD nanoparticle vaccine into the clinic.

Abstract Influenza vaccines that confer broad and durable protection against diverse virus strains would have a major impact on global health. However, next-generation vaccine design efforts have been complicated by challenges including the genetic plasticity of the virus and the immunodominance of certain epitopes in its glycoprotein antigens. Here we show that computationally designed, two-component nanoparticle immunogens induce potently neutralizing and broadly protective antibody responses against a wide variety of influenza viruses. The nanoparticle immunogens display 20 hemagglutinin (HA) trimers in a highly immunogenic array, and their assembly in vitro enables precisely controlled co-display of multiple distinct HAs in defined ratios. Nanoparticle immunogens displaying the four HAs of licensed quadrivalent influenza vaccines (QIV) elicited hemagglutination inhibition and neutralizing antibody responses to vaccine-matched strains that were equivalent or superior to commercial QIV in mice, ferrets, and nonhuman primates. The nanoparticle immunogens—but not QIV—simultaneously induced broadly protective antibody responses to heterologous viruses, including H5N1 and H7N9, by targeting the subdominant yet conserved HA stem. Unlike previously reported influenza vaccine candidates, our nanoparticle immunogens can alter the intrinsic immunodominance hierarchy of HA to induce both potent receptor-blocking and broadly cross-reactive stem-directed antibody responses and are attractive candidates for a next-generation influenza vaccine that could replace current seasonal vaccines. One Sentence Summary Nanoparticle immunogens displaying four seasonal influenza hemagglutinins elicit neutralizing antibodies directed at both the immunodominant head and the conserved stem and confer broad protective immunity.

Understanding the ability of SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to neutralize and protect against emerging variants of concern and other sarbecoviruses is key for guiding vaccine development decisions and public health policies. We show that a clinical stage multivalent SARS-CoV-2 receptor-binding domain nanoparticle vaccine (SARS-CoV-2 RBD-NP) protects mice from SARS-CoV-2-induced disease after a single shot, indicating that the vaccine could allow dose-sparing. SARS-CoV-2 RBD-NP elicits high antibody titers in two non-human primate (NHP) models against multiple distinct RBD antigenic sites known to be recognized by neutralizing antibodies. We benchmarked NHP serum neutralizing activity elicited by RBD-NP against a lead prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike immunogen using a panel of single-residue spike mutants detected in clinical isolates as well as the B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern. Polyclonal antibodies elicited by both vaccines are resilient to most RBD mutations tested, but the E484K substitution has similar negative consequences for neutralization, and exhibit modest but comparable neutralization breadth against distantly related sarbecoviruses. We demonstrate that mosaic and cocktail sarbecovirus RBD-NPs elicit broad sarbecovirus neutralizing activity, including against the SARS-CoV-2 B.1.351 variant, and protect mice against severe SARS-CoV challenge even in the absence of the SARS-CoV RBD in the vaccine. This study provides proof of principle that sarbecovirus RBD-NPs induce heterotypic protection and enables advancement of broadly protective sarbecovirus vaccines to the clinic.

A safe, effective, and scalable vaccine is urgently needed to halt the ongoing SARS-CoV-2 pandemic. Here, we describe the structure-based design of self-assembling protein nanoparticle immunogens that elicit potent and protective antibody responses against SARS-CoV-2 in mice. The nanoparticle vaccines display 60 copies of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein receptor-binding domain (RBD) in a highly immunogenic array and induce neutralizing antibody titers roughly ten-fold higher than the prefusion-stabilized S ectodomain trimer despite a more than five-fold lower dose. Antibodies elicited by the nanoparticle immunogens target multiple distinct epitopes on the RBD, suggesting that they may not be easily susceptible to escape mutations, and exhibit a significantly lower binding:neutralizing ratio than convalescent human sera, which may minimize the risk of vaccine-associated enhanced respiratory disease. The high yield and stability of the protein components and assembled nanoparticles, especially compared to the SARS-CoV-2 prefusion-stabilized S trimer, suggest that manufacture of the nanoparticle vaccines will be highly scalable. These results highlight the utility of robust antigen display platforms for inducing potent neutralizing antibody responses and have launched cGMP manufacturing efforts to advance the lead RBD nanoparticle vaccine into the clinic.

The development of a portfolio of SARS-CoV-2 vaccines to vaccinate the global population remains an urgent public health imperative. Here, we demonstrate the capacity of a subunit vaccine under clinical development, comprising the SARS-CoV-2 Spike protein receptor-binding domain displayed on a two-component protein nanoparticle (RBD-NP), to stimulate robust and durable neutralizing antibody (nAb) responses and protection against SARS-CoV-2 in non-human primates. We evaluated five different adjuvants combined with RBD-NP including Essai O/W 1849101, a squalene-in-water emulsion; AS03, an alpha-tocopherol-containing squalene-based oil-in-water emulsion used in pandemic influenza vaccines; AS37, a TLR-7 agonist adsorbed to Alum; CpG 1018-Alum (CpG-Alum), a TLR-9 agonist formulated in Alum; or Alum, the most widely used adjuvant. All five adjuvants induced substantial nAb and CD4 T cell responses after two consecutive immunizations. Durable nAb responses were evaluated for RBD-NP/AS03 immunization and the live-virus nAb response was durably maintained up to 154 days post-vaccination. AS03, CpG-Alum, AS37 and Alum groups conferred significant protection against SARS-CoV-2 infection in the pharynges, nares and in the bronchoalveolar lavage. The nAb titers were highly correlated with protection against infection. Furthermore, RBD-NP when used in conjunction with AS03 was as potent as the prefusion stabilized Spike immunogen, HexaPro. Taken together, these data highlight the efficacy of the RBD-NP formulated with clinically relevant adjuvants in promoting robust immunity against SARS-CoV-2 in non-human primates.

ABSTRACT The unprecedented global demand for SARS-CoV-2 vaccines has demonstrated the need for highly effective vaccine candidates that are thermostable and amenable to large-scale manufacturing. Nanoparticle immunogens presenting the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 Spike protein (S) in repetitive arrays are being advanced as second-generation vaccine candidates, as they feature robust manufacturing characteristics and have shown promising immunogenicity in preclinical models. Here, we used previously reported deep mutational scanning (DMS) data to guide the design of stabilized variants of the RBD. The selected mutations fill a cavity in the RBD that has been identified as a linoleic acid binding pocket. Screening of several designs led to the selection of two lead candidates that expressed at higher yields than the wild-type RBD. These stabilized RBDs possess enhanced thermal stability and resistance to aggregation, particularly when incorporated into an icosahedral nanoparticle immunogen that maintained its integrity and antigenicity for 28 days at 35-40°C, while corresponding immunogens displaying the wild-type RBD experienced aggregation and loss of antigenicity. The stabilized immunogens preserved the potent immunogenicity of the original nanoparticle immunogen, which is currently being evaluated in a Phase I/II clinical trial. Our findings may improve the scalability and stability of RBD-based coronavirus vaccines in any format and more generally highlight the utility of comprehensive DMS data in guiding vaccine design.

Abstract Influenza virus neuraminidase (NA) is a major antiviral drug target and has recently reemerged as a key target of antibody-mediated protective immunity. Here we show that recombinant NAs across all non-bat subtypes adopt various tetrameric conformations, including a previously unreported “open” state that may help explain poorly understood variations in NA stability across viral strains and subtypes. We used homology-directed protein design to uncover the structural principles underlying these distinct tetrameric conformations and stabilize multiple recombinant NAs in the “closed” state. In addition to improving thermal stability, conformational stabilization improved affinity to protective antibodies elicited by viral infection, including antibodies targeting a quaternary epitope and the broadly conserved catalytic site. The stabilized NA proteins can also be integrated into viruses without affecting fitness. Our findings provide a deeper understanding of NA structure, stability, and antigenicity, as well as a roadmap towards structure-based discovery of NA-directed therapeutics and vaccines.

Nanomaterials are becoming important tools for vaccine development owing to their tunable and adaptable nature. Unique properties of nanomaterials afford opportunities to modulate trafficking through various tissues, complement or augment adjuvant activities, and specify antigen valency and display. This versatility has enabled recent work designing nanomaterial vaccines for a broad range of diseases, including cancer, inflammatory diseases, and various infectious diseases. Recent successes of nanoparticle vaccines during the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic have fueled enthusiasm further. In this review, the most recent developments in nanovaccines for infectious disease, cancer, inflammatory diseases, allergic diseases, and nanoadjuvants are summarized. Additionally, challenges and opportunities for clinical translation of this unique class of materials are discussed.

Immunogen design approaches aim to control the specificity and quality of antibody responses to enable the creation of next-generation vaccines with improved potency and breadth. However, our understanding of the relationship between immunogen structure and immunogenicity is limited. Here we use computational protein design to generate a self-assembling nanoparticle vaccine platform based on the head domain of influenza hemagglutinin (HA) that enables precise control of antigen conformation, flexibility, and spacing on the nanoparticle exterior. Domain-based HA head antigens were presented either as monomers or in a native-like closed trimeric conformation that prevents exposure of trimer interface epitopes. These antigens were connected to the underlying nanoparticle by a rigid linker that was modularly extended to precisely control antigen spacing. We found that nanoparticle immunogens with decreased spacing between closed trimeric head antigens elicited antibodies with improved hemagglutination inhibition (HAI) and neutralization potency as well as binding breadth across diverse HAs within a subtype. Our "trihead" nanoparticle immunogen platform thus enables new insights into anti-HA immunity, establishes antigen spacing as an important parameter in structure-based vaccine design, and embodies several design features that could be used to generate next-generation vaccines against influenza and other viruses.