Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the global COVID-19 pandemic. Rapidly spreading SARS-CoV-2 variants may jeopardize newly introduced antibody and vaccine countermeasures. Here, using monoclonal antibodies (mAbs), animal immune sera, human convalescent sera and human sera from recipients of the BNT162b2 mRNA vaccine, we report the impact on antibody neutralization of a panel of authentic SARS-CoV-2 variants including a B.1.1.7 isolate, chimeric strains with South African or Brazilian spike genes and isogenic recombinant viral variants. Many highly neutralizing mAbs engaging the receptor-binding domain or N-terminal domain and most convalescent sera and mRNA vaccine-induced immune sera showed reduced inhibitory activity against viruses containing an E484K spike mutation. As antibodies binding to spike receptor-binding domain and N-terminal domain demonstrate diminished neutralization potency in vitro against some emerging variants, updated mAb cocktails targeting highly conserved regions, enhancement of mAb potency or adjustments to the spike sequences of vaccines may be needed to prevent loss of protection in vivo. A comprehensive analysis of antibody neutralization activity against a panel of authentic isolates and chimeric SARS-CoV-2 variants shows markedly diminished neutralizing activity against the variant B.1.351, first identified in South Africa.

Neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 spike (S) protein are a goal of COVID-19 vaccines and have received emergency use authorization as therapeutics. However, viral escape mutants could compromise efficacy. To define immune-selected mutations in the S protein, we exposed a VSV-eGFP-SARS-CoV-2-S chimeric virus, in which the VSV glycoprotein is replaced with the S protein, to 19 neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) against the receptor-binding domain (RBD) and generated 50 different escape mutants. Each mAb had a unique resistance profile, although many shared residues within an epitope of the RBD. Some variants (e.g., S477N) were resistant to neutralization by multiple mAbs, whereas others (e.g., E484K) escaped neutralization by convalescent sera. Additionally, sequential selection identified mutants that escape neutralization by antibody cocktails. Comparing these antibody-mediated mutations with sequence variation in circulating SARS-CoV-2 revealed substitutions that may attenuate neutralizing immune responses in some humans and thus warrant further investigation.

Summary

 Virus-induced interlukin-1β (IL-1β) and IL-18 production in macrophages are mediated via caspase-1 pathway. Multiple microbial components, including viral RNA, are thought to trigger assembly of the cryopyrin inflammasome resulting in caspase-1 activation. Here, we demonstrated that Nlrp3^−/− and Casp1^−/− mice were more susceptible than wild-type mice after infection with a pathogenic influenza A virus. This enhanced morbidity correlated with decreased neutrophil and monocyte recruitment and reduced cytokine and chemokine production. Despite the effect on innate immunity, cryopyrin-deficiency was not associated with any obvious defect in virus control or on the later emergence of the adaptive response. Early epithelial necrosis was, however, more severe in the infected mutants, with extensive collagen deposition leading to later respiratory compromise. These findings reveal a function of the cryopyrin inflammasome in healing responses. Thus, cryopyrin and caspase-1 are central to both innate immunity and to moderating lung pathology in influenza pneumonia.

SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines are about 95% effective in preventing COVID-191–5. The dynamics of antibody-secreting plasmablasts and germinal centre B cells induced by these vaccines in humans remain unclear. Here we examined antigen-specific B cell responses in peripheral blood (n = 41) and draining lymph nodes in 14 individuals who had received 2 doses of BNT162b2, an mRNA-based vaccine that encodes the full-length SARS-CoV-2 spike (S) gene1. Circulating IgG- and IgA-secreting plasmablasts that target the S protein peaked one week after the second immunization and then declined, becoming undetectable three weeks later. These plasmablast responses preceded maximal levels of serum anti-S binding and neutralizing antibodies to an early circulating SARS-CoV-2 strain as well as emerging variants, especially in individuals who had previously been infected with SARS-CoV-2 (who produced the most robust serological responses). By examining fine needle aspirates of draining axillary lymph nodes, we identified germinal centre B cells that bound S protein in all participants who were sampled after primary immunization. High frequencies of S-binding germinal centre B cells and plasmablasts were sustained in these draining lymph nodes for at least 12 weeks after the booster immunization. S-binding monoclonal antibodies derived from germinal centre B cells predominantly targeted the receptor-binding domain of the S protein, and fewer clones bound to the N-terminal domain or to epitopes shared with the S proteins of the human betacoronaviruses OC43 and HKU1. These latter cross-reactive B cell clones had higher levels of somatic hypermutation as compared to those that recognized only the SARS-CoV-2 S protein, which suggests a memory B cell origin. Our studies demonstrate that SARS-CoV-2 mRNA-based vaccination of humans induces a persistent germinal centre B cell response, which enables the generation of robust humoral immunity. Analysis of antigen-specific B cells in lymph nodes of individuals vaccinated with BNT162b2 reveals lasting germinal centre responses, explaining the robust humoral immunity induced by SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused a pandemic with millions of human infections. One limitation to the evaluation of potential therapies and vaccines to inhibit SARS-CoV-2 infection and ameliorate disease is the lack of susceptible small animals in large numbers. Commercially available laboratory strains of mice are not readily infected by SARS-CoV-2 because of species-specific differences in their angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptors. Here, we transduced replication-defective adenoviruses encoding human ACE2 via intranasal administration into BALB/c mice and established receptor expression in lung tissues. hACE2-transduced mice were productively infected with SARS-CoV-2, and this resulted in high viral titers in the lung, lung pathology, and weight loss. Passive transfer of a neutralizing monoclonal antibody reduced viral burden in the lung and mitigated inflammation and weight loss. The development of an accessible mouse model of SARS-CoV-2 infection and pathogenesis will expedite the testing and deployment of therapeutics and vaccines.

Long-lived bone marrow plasma cells (BMPCs) are a persistent and essential source of protective antibodies1–7. Individuals who have recovered from COVID-19 have a substantially lower risk of reinfection with SARS-CoV-28–10. Nonetheless, it has been reported that levels of anti-SARS-CoV-2 serum antibodies decrease rapidly in the first few months after infection, raising concerns that long-lived BMPCs may not be generated and humoral immunity against SARS-CoV-2 may be short-lived11–13. Here we show that in convalescent individuals who had experienced mild SARS-CoV-2 infections (n = 77), levels of serum anti-SARS-CoV-2 spike protein (S) antibodies declined rapidly in the first 4 months after infection and then more gradually over the following 7 months, remaining detectable at least 11 months after infection. Anti-S antibody titres correlated with the frequency of S-specific plasma cells in bone marrow aspirates from 18 individuals who had recovered from COVID-19 at 7 to 8 months after infection. S-specific BMPCs were not detected in aspirates from 11 healthy individuals with no history of SARS-CoV-2 infection. We show that S-binding BMPCs are quiescent, which suggests that they are part of a stable compartment. Consistently, circulating resting memory B cells directed against SARS-CoV-2 S were detected in the convalescent individuals. Overall, our results indicate that mild infection with SARS-CoV-2 induces robust antigen-specific, long-lived humoral immune memory in humans. SARS-CoV-2 infection induces long-lived bone marrow plasma cells that correlate with anti-SARS-CoV-2 spike protein antibody titres in individuals who have recovered from COVID-19.

Immunologic memory promotes faster and more-efficient responses after re-exposure to pathogens. Ahmed and colleagues characterize a subset of human B cells that arise after vaccination against or exposure to influenza or Ebola virus and contribute to the memory cell pool. Antigen-specific B cells bifurcate into antibody-secreting cells (ASCs) and memory B cells (MBCs) after infection or vaccination. ASCs (plasmablasts) have been extensively studied in humans, but less is known about B cells that become activated but do not differentiate into plasmablasts. Here we have defined the phenotype and transcriptional program of a subset of antigen-specific B cells, which we have called 'activated B cells' (ABCs), that were distinct from ASCs and were committed to the MBC lineage. We detected ABCs in humans after infection with Ebola virus or influenza virus and also after vaccination. By simultaneously analyzing antigen-specific ASCs and ABCs in human blood after vaccination against influenza virus, we investigated the clonal overlap and extent of somatic hypermutation (SHM) in the ASC (effector) and ABC (memory) lineages. Longitudinal tracking of vaccination-induced hemagglutinin (HA)-specific clones revealed no overall increase in SHM over time, which suggested that repeated annual immunization might have limitations in enhancing the quality of influenza-virus-specific antibody.

COVID-19-associated morbidity and mortality have been attributed to a pathologic host response. Two divergent hypotheses have been proposed: hyperinflammatory cytokine storm; and failure of host protective immunity that results in unrestrained viral dissemination and organ injury. A key explanation for the inability to address this controversy has been the lack of diagnostic tools to evaluate immune function in COVID-19 infections. ELISpot, a highly sensitive, functional immunoassay, was employed in 27 patients with COVID-19, 51 patients with sepsis, 18 critically ill nonseptic (CINS) patients, and 27 healthy control volunteers to evaluate adaptive and innate immune status by quantitating T cell IFN-ɣ and monocyte TFN-α production. Circulating T cell subsets were profoundly reduced in COVID-19 patients. Additionally, stimulated blood mononuclear cells produced less than 40%-50% of the IFN-ɣ and TNF-α observed in septic and CINS patients, consistent with markedly impaired immune effector cell function. Approximately 25% of COVID-19 patients had increased IL-6 levels that were not associated with elevations in other canonical proinflammatory cytokines. Collectively, these findings support the hypothesis that COVID-19 suppresses host functional adaptive and innate immunity. Importantly, IL-7 administered ex vivo restored T cell IFN-ɣ production in COVID-19 patients. Thus, ELISpot may functionally characterize host immunity in COVID-19 and inform prospective therapies.

Significance In 2014, Ebola virus became a household term. The ongoing outbreak in West Africa is the largest Ebola virus outbreak ever recorded, with over 20,000 cases and over 8,000 deaths to date. Very little is known about the human cellular immune response to Ebola virus infection, and this lack of knowledge has hindered development of effective therapies and vaccines. In this study, we characterize the human immune response to Ebola virus infection in four patients. We define the kinetics of T- and B-cell activation, and determine which viral proteins are targets of the Ebola virus-specific T-cell response in humans.

Patients with chronic inflammatory disease (CID) treated with immunosuppressive medications have increased risk for severe COVID-19. Although mRNA-based SARS-CoV-2 vaccination provides protection in immunocompetent persons, immunogenicity in immunosuppressed patients with CID is unclear.To determine the immunogenicity of mRNA-based SARS-CoV-2 vaccines in patients with CID.Prospective observational cohort study.Two U.S. CID referral centers.Volunteer sample of adults with confirmed CID eligible for early COVID-19 vaccination, including hospital employees of any age and patients older than 65 years. Immunocompetent participants were recruited separately from hospital employees. All participants received 2 doses of mRNA vaccine against SARS-CoV-2 between 10 December 2020 and 20 March 2021. Participants were assessed within 2 weeks before vaccination and 20 days after final vaccination.Anti-SARS-CoV-2 spike (S) IgG+ binding in all participants, and neutralizing antibody titers and circulating S-specific plasmablasts in a subset to assess humoral response after vaccination.Most of the 133 participants with CID (88.7%) and all 53 immunocompetent participants developed antibodies in response to mRNA-based SARS-CoV-2 vaccination, although some with CID developed numerically lower titers of anti-S IgG. Anti-S IgG antibody titers after vaccination were lower in participants with CID receiving glucocorticoids (n = 17) than in those not receiving them; the geometric mean of anti-S IgG antibodies was 357 (95% CI, 96 to 1324) for participants receiving prednisone versus 2190 (CI, 1598 to 3002) for those not receiving it. Anti-S IgG antibody titers were also lower in those receiving B-cell depletion therapy (BCDT) (n = 10). Measures of immunogenicity differed numerically between those who were and those who were not receiving antimetabolites (n = 48), tumor necrosis factor inhibitors (n = 39), and Janus kinase inhibitors (n = 11); however, 95% CIs were wide and overlapped. Neutralization titers seemed generally consistent with anti-S IgG results. Results were not adjusted for differences in baseline clinical factors, including other immunosuppressant therapies.Small sample that lacked demographic diversity, and residual confounding.Compared with nonusers, patients with CID treated with glucocorticoids and BCDT seem to have lower SARS-CoV-2 vaccine-induced antibody responses. These preliminary findings require confirmation in a larger study.The Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, Marcus Program in Precision Medicine Innovation, National Center for Advancing Translational Sciences, and National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases.