A vaccine for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is needed to control the coronavirus disease 2019 (COVID-19) global pandemic. Structural studies have led to the development of mutations that stabilize Betacoronavirus spike proteins in the prefusion state, improving their expression and increasing immunogenicity1. This principle has been applied to design mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a SARS-CoV-2 spike protein that is stabilized in the prefusion conformation. Here we show that mRNA-1273 induces potent neutralizing antibody responses to both wild-type (D614) and D614G mutant2 SARS-CoV-2 as well as CD8+ T cell responses, and protects against SARS-CoV-2 infection in the lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a phase III trial to evaluate its efficacy. mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a stabilized prefusion-state severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, elicits robust immune responses and protects mice against replication of SARS-CoV-2 in the upper and lower airways.

Vaccines to prevent coronavirus disease 2019 (Covid-19) are urgently needed. The effect of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vaccines on viral replication in both upper and lower airways is important to evaluate in nonhuman primates.Nonhuman primates received 10 or 100 μg of mRNA-1273, a vaccine encoding the prefusion-stabilized spike protein of SARS-CoV-2, or no vaccine. Antibody and T-cell responses were assessed before upper- and lower-airway challenge with SARS-CoV-2. Active viral replication and viral genomes in bronchoalveolar-lavage (BAL) fluid and nasal swab specimens were assessed by polymerase chain reaction, and histopathological analysis and viral quantification were performed on lung-tissue specimens.The mRNA-1273 vaccine candidate induced antibody levels exceeding those in human convalescent-phase serum, with live-virus reciprocal 50% inhibitory dilution (ID50) geometric mean titers of 501 in the 10-μg dose group and 3481 in the 100-μg dose group. Vaccination induced type 1 helper T-cell (Th1)-biased CD4 T-cell responses and low or undetectable Th2 or CD8 T-cell responses. Viral replication was not detectable in BAL fluid by day 2 after challenge in seven of eight animals in both vaccinated groups. No viral replication was detectable in the nose of any of the eight animals in the 100-μg dose group by day 2 after challenge, and limited inflammation or detectable viral genome or antigen was noted in lungs of animals in either vaccine group.Vaccination of nonhuman primates with mRNA-1273 induced robust SARS-CoV-2 neutralizing activity, rapid protection in the upper and lower airways, and no pathologic changes in the lung. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Vaccines prevent infectious disease largely by inducing protective neutralizing antibodies against vulnerable epitopes. Several major pathogens have resisted traditional vaccine development, although vulnerable epitopes targeted by neutralizing antibodies have been identified for several such cases. Hence, new vaccine design methods to induce epitope-specific neutralizing antibodies are needed. Here we show, with a neutralization epitope from respiratory syncytial virus, that computational protein design can generate small, thermally and conformationally stable protein scaffolds that accurately mimic the viral epitope structure and induce potent neutralizing antibodies. These scaffolds represent promising leads for the research and development of a human respiratory syncytial virus vaccine needed to protect infants, young children and the elderly. More generally, the results provide proof of principle for epitope-focused and scaffold-based vaccine design, and encourage the evaluation and further development of these strategies for a variety of other vaccine targets, including antigenically highly variable pathogens such as human immunodeficiency virus and influenza. Computational protein design methods are used to generate new candidates for a human respiratory syncytial virus (RSV) vaccine; artificial protein scaffolds that mimic the structure of a RSV epitope are shown to induce RSV-specific neutralizing antibodies in macaques. William Schief and colleagues explore computational protein design methods to generate novel candidates for a human respiratory syncytial virus (RSV) vaccine. Artificial protein scaffolds that mimic the structure of an RSV epitope or antigenic determinant are shown to induce RSV-neutralizing antibodies in macaques. The protein design method used here, that builds a protein around a functional motif in order to stabilize the conformation of that motif, could have broad application in vaccine development.

SUMMARY/ABSTRACT Nipah virus (NiV) is a pathogenic paramyxovirus that causes fatal encephalitis in humans. Two envelope glycoproteins, the attachment protein (G) and fusion protein (F), facilitate entry into host cells. Due to its vital role, NiV F presents an attractive target for developing vaccines and therapeutics. Several neutralization-sensitive epitopes on the NiV F apex have been described, however the antigenicity of most of the F protein’s surface remains uncharacterized. Here, we immunize mice with prefusion-stabilized NiV F and isolate ten monoclonal antibodies that neutralize pseudotyped virus. Cryo-electron microscopy reveals eight neutralization-sensitive epitopes on NiV F, four of which have not previously been described. Novel sites span the lateral and basal faces of NiV F, expanding the known library of vulnerable epitopes. This work identifies new epitopes as targets for therapeutics, provides a molecular basis for NiV neutralization, and lays a foundation for development of new antibodies targeting NiV F.

A SARS-CoV-2 vaccine is needed to control the global COVID-19 public health crisis. Atomic-level structures directed the application of prefusion-stabilizing mutations that improved expression and immunogenicity of betacoronavirus spike proteins. Using this established immunogen design, the release of SARS-CoV-2 sequences triggered immediate rapid manufacturing of an mRNA vaccine expressing the prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike trimer (mRNA-1273). Here, we show that mRNA-1273 induces both potent neutralizing antibody and CD8 T cell responses and protects against SARS-CoV-2 infection in lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a Phase 2 clinical trial with a trajectory towards Phase 3 efficacy evaluation.