Several vaccines have been introduced to combat the coronavirus infectious disease-2019 (COVID-19) pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Current SARS-CoV-2 vaccines include mRNA-containing lipid nanoparticles or adenoviral vectors that encode the SARS-CoV-2 Spike (S) protein of SARS-CoV-2, inactivated virus, or protein subunits. Despite growing success in worldwide vaccination efforts, additional capabilities may be needed in the future to address issues such as stability and storage requirements, need for vaccine boosters, desirability of different routes of administration, and emergence of SARS-CoV-2 variants such as the Delta variant. Here, we present a novel, well-characterized SARS-CoV-2 vaccine candidate based on extracellular vesicles (EVs) of Salmonella typhimurium that are decorated with the mammalian cell culture-derived Spike receptor-binding domain (RBD). RBD-conjugated outer membrane vesicles (RBD-OMVs) were used to immunize the golden Syrian hamster ( Mesocricetus auratus ) model of COVID-19. Intranasal immunization resulted in high titers of blood anti-RBD IgG as well as detectable mucosal responses. Neutralizing antibody activity against wild-type and Delta variants was evident in all vaccinated subjects. Upon challenge with live virus, hamsters immunized with RBD-OMV, but not animals immunized with unconjugated OMVs or a vehicle control, avoided body mass loss, had lower virus titers in bronchoalveolar lavage fluid, and experienced less severe lung pathology. Our results emphasize the value and versatility of OMV-based vaccine approaches.

Abstract The global evolution of SARS-CoV-2 depends in part upon the evolutionary dynamics within individual hosts with varying immune histories. To characterize the within-host evolution of acute SARS-CoV-2 infection, we deep sequenced saliva and nasal samples collected daily from immune and unvaccinated individuals early during infection. We show that longitudinal sampling facilitates high-confidence genetic variant detection and reveals evolutionary dynamics missed by less-frequent sampling strategies. Within-host dynamics in both naïve and immune individuals appeared largely stochastic; however, we identified clear mutational hotspots within the viral genome, consistent with selection and differing between naïve and immune individuals. In rare cases, minor genetic variants emerged to frequencies sufficient for forward transmission. Finally, we detected significant genetic compartmentalization of virus between saliva and nasal swab sample sites in many individuals. Altogether, these data provide a high-resolution profile of within-host SARS-CoV-2 evolutionary dynamics.

Abstract The first pandemic of the 21st century was caused by an H1N1 influenza A virus (IAV) introduced from pigs into humans, highlighting the importance of swine as reservoirs for pandemic viruses. Two major lineages of swine H1 circulate in North America: the 1A classical swine lineage (including the 2009 pandemic H1N1) and 1B human seasonal-like lineage. Here, we investigated the evolution of these H1 IAV lineages in North American swine and their potential pandemic risk. We assessed the antigenic distance between the HA of representative swine H1 and human seasonal vaccine strains (1978-2015) in hemagglutination inhibition (HI) assays using a panel of monovalent anti-sera raised in pigs. Antigenic cross-reactivity varied by strain but was associated with genetic distance. Generally, swine 1A lineage viruses that seeded the 2009 H1 pandemic were antigenically most similar to H1 pandemic vaccine strains, with the exception of viruses in the genetic clade 1A.1.1.3 that had a two-amino acid deletion mutation near the receptor-binding site, dramatically reducing antibody recognition. The swine 1B lineage strains, which arose from previously circulating (pre-2009 pandemic) human seasonal viruses, were more antigenically similar to pre-2009 human seasonal H1 vaccine viruses than post-2009 strains. Human population immunity was measured by cross-reactivity in HI assays to representative swine H1 strains. There was a broad range of titers against each swine strain that was not associated with age, sex, or location. However, there was almost no cross-reactivity in human sera to the 1A.1.1.3 and 1B.2.1 genetic clades of swine viruses, and the 1A.1.1.3 and 1B.2.1 clades were also the most antigenically distant from all human vaccine strains. Our data demonstrate that antigenic distances of representative swine strains from human vaccine strains represent a rational assessment of swine IAV for zoonotic risk research and pandemic preparedness prioritization. Importance Human H1 influenza A viruses (IAV) spread to pigs in North America, resulting in sustained circulation of two major groups of H1 viruses in swine. We quantified the genetic diversity of H1 in swine and measured antigenic phenotypes. We demonstrated that swine H1 lineages were significantly different from human vaccine strains and this antigenic dissimilarity increased over time as the viruses evolved in swine. Pandemic preparedness vaccine strains for human vaccines also demonstrated a loss in similarity with contemporary swine strains. Human sera revealed a range of responses to swine IAV, including two groups of viruses with little to no immunity. Surveillance and risk assessment of IAV diversity in pig populations are essential to detect strains with reduced immunity in humans, providing critical information for pandemic preparedness.

The evolution of SARS-CoV-2 variants and their respective phenotypes represents an important set of tools to understand basic coronavirus biology as well as the public health implications of individual mutations in variants of concern. While mutations outside of Spike are not well studied, the entire viral genome is undergoing evolutionary selection, particularly the central disordered linker region of the nucleocapsid (N) protein. Here, we identify a mutation (G215C), characteristic of the Delta variant, that introduces a novel cysteine into this linker domain, which results in the formation of a disulfide bond and a stable N-N dimer. Using reverse genetics, we determined that this cysteine residue is necessary and sufficient for stable dimer formation in a WA1 SARS-CoV-2 background, where it results in significantly increased viral growth both

Abstract Human enterovirus D68 (EV-D68) is a globally reemerging respiratory pathogen that is associated with the development of acute flaccid myelitis (AFM) in children. Currently, there are no approved vaccines or treatments for EV-D68 infection, and there is a paucity of data related to the virus and host specific factors that predict disease severity and progression to the neurologic syndrome. Published animal models of EV-D68 infection to date have been limited to mice, cotton rat and ferrets, and investigation of the susceptibility of nonhuman primate (NHP) species to contemporary EV-D68 isolates has not yet been reported. In this study, we challenged juvenile NHPs – cynomolgus macaques, rhesus macaques, pigtailed macaques, and African green monkeys – with one of five different 2014 or 2018 EV-D68 isolates by the respiratory route. Animals were monitored for clinical respiratory and neurologic signs, and serially collected nasal swabs, bronchoalveolar lavage fluid (BALF) and cerebrospinal fluid (CSF) were evaluated for EV-D68 RNA and infectious virus. Infection with 2014 and 2018 EV-D68 isolates resulted in mild respiratory and gastrointestinal disease in some animals, but no evidence of neurological disease. Neither EV-D68 RNA nor infectious virus could be detected from any sample collected from animals challenged with 2014 EV-D68 isolates. Limited viral shedding – based on viral RNA quantified from nasal swabs and BALF – was detected from some animals infected with 2018 EV-D68 isolates. No virus was detectable in CSF. The rate of seroconversion was 100% for cynomolgus macaques infected with the 2018 EV-D68 isolates, but averaged between 0-50% for the 2014 isolates. Based on the results of this study, there is some evidence that infection with 2018 EV-D68 isolates may be more reliable at establishing limited infection than 2014 EV-D68 isolates. Regardless of virus isolate, however, EV-D68 infection of juvenile NHP species resulted in mild and nonspecific clinical disease and limited viral shedding. These data suggest that further refinements to the NHP model system (e.g., immunosuppression and/or direct viral inoculation) may be required to reproduce EV-D68 infection of the central nervous system and the associated AFM phenotype.

Influenza A (IAV) and SARS-CoV-2 (SCV2) viruses represent an ongoing threat to public health. Both viruses target the respiratory tract, which consists of a gradient of cell types, receptor expression, and temperature. Environmental temperature has been an un-derstudied contributor to infection susceptibility and understanding its impact on host responses to infection could help uncover new insights into severe disease risk factors. As the nasal passageways are the initial site of respiratory virus infection, in this study we investigated the effect of temperature on host responses in human nasal epithelial cells (hNECs) utilizing IAV and SCV2 in vitro infection models. We demonstrate that temperature affects SCV2, but not IAV, viral replicative fitness and that SCV2 infected cultures are slower to mount an infection-induced response, likely due to suppression by the virus. Additionally, we show that that temperature not only changes the basal transcriptomic landscape of epithelial cells, but that it also impacts the response to infection. The induction of interferon and other innate immune responses were not drastically affected by temperature, suggesting that while the baseline antiviral response at different temperatures remains consistent, there may be metabolic or signaling changes that affect how well the cultures are able to adapt to new pressures such as infection. Finally, we show that hNECs respond differently to IAV and SCV2 infection in ways that give insight into how the virus is able to manipulate the cell to allow for replication and release. Taken together, these data give new insight into the innate immune response to respiratory infections and can assist in identifying new treatment strategies for respiratory infections.

Abstract The first three months of the COVID-19 pandemic was dominated by two SARS-CoV-2 lineages: A-lineages (Clade 19B) and B-lineages (Clade 19A). However, with the emergence of the Spike D614G substitution in B.1 lineages (Clade 20A), both early lineages were outcompeted and remained near-extinction from mid-2020 onwards. In early-2021, there was a re-emergence and persistence of novel A-lineage variants with substitutions in the Spike gene resembling those found in Variants of Concern (VOCs). An early A.3 variant (MD-HP00076/2020) and three A.2.5 variants (MD-HP02153/2021, MD-HP05922/2021 and CA-VRLC091/2021) were isolated and characterized for their genomic sequences, antibody neutralization, and in vitro replication. All A.2.5 isolates had five Spike mutations relative to the A.3 variant sequence: D614G, L452R, Δ141-143, D215A, and ins215AGY. Plaque reduction neutralization assays demonstrated that A.2.5 isolates had a 2.5 to 5-fold reduction in neutralization using contemporaneous COVID-19 convalescent plasma when compared to A.3. In vitro viral characterization in VeroE6 cell lines revealed that the A.3 isolate grew faster and spread more than A.2.5. On VeroE6-TMPRSS2 cells, significant syncytia formation was also observed with the A.2.5 isolates, however Spike cleavage efficiency did not explain these differences. In human nasal epithelial cell (hNEC) cultures, the A.2.5 isolates grew significantly faster and to higher total infectious virus titers than A.3. All A.2.5 lineage isolates grew significantly faster at 37°C than at 33°C irrespective of cell type, and to higher peak titers except compared to A.3. This suggests A.2.5’s adapted to improve replication using similar mutations found in the B-lineage SARS-CoV-2 variants. Importance While both A- and B-lineage SARS-CoV-2 variants emerged and circulated together during the early months of the pandemic, the B-lineages that acquired Spike D614G eventually outcompeted all other variants. We show that the A-lineage variants eventually evolved mutations including Spike D614G and Spike L452R that improved their in vitro replication in human nasal epithelial cells in a temperature dependent manner, suggesting there are some highly selectable mutation landscapes that SARS-CoV-2 can acquire to adapt to replication and transmission in humans.

Abstract As the only bionormal nanovesicle, exosomes have high potential as a nanovesicle for delivering vaccines and therapeutics. We show here that the loading of type-1 membrane proteins into the exosome membrane is induced by exosome membrane anchor domains, EMADs, that maximize protein delivery to the plasma membrane, minimize protein sorting to other compartments, and direct proteins into exosome membranes. Using SARS-CoV-2 spike as an example and EMAD13 as our most effective exosome membrane anchor, we show that cells expressing a spike-EMAD13 fusion protein produced exosomes that carry dense arrays of spike trimers on 50% of all exosomes. Moreover, we find that immunization with spike-EMAD13 exosomes induced strong neutralizing antibody responses and protected hamsters against SARS-CoV-2 disease at doses of just 0.5-5 ng of spike protein, without adjuvant, demonstrating that antigen-display exosomes are particularly immunogenic, with important implications for both structural and expression-dependent vaccines.

Abstract Understanding Influenza B virus infections is of critical importance in our efforts to control severe influenza and influenza-related disease. Until 2020, two genetic lineages of influenza B virus – Yamagata and Victoria – circulated in the population. These lineages are antigenically distinct but differences in virus replication or the induction of host cell responses after infection have not been carefully studied. Recent IBV clinical isolates of both lineages were obtained from influenza surveillance efforts of the Johns Hopkins Center of Excellence in Influenza Research and Response and characterized in vitro . B/Victoria and B/Yamagata clinical isolates were recognized less efficiently by serum from influenza-vaccinated individuals in comparison to the vaccine strains. B/Victoria lineages formed smaller plaques on MDCK cells compared to B/Yamagata, but infectious virus production in primary human nasal epithelial cell (hNEC) cultures showed no differences. While ciliated epithelial cells were the dominant cell type infected by both lineages, B/Victoria lineages had a slight preference for MUC5AC-positive cells, while B/Yamagata lineages infected more basal cells. Finally, while both lineages induced a strong interferon response 48 hours after infection of hNEC cultures, the B/Victoria lineages showed a much stronger induction of interferon related signaling pathways compared to B/Yamagata. This demonstrates that the two influenza B virus lineages differ not only in their antigenic structure but in their ability to induce host innate immune responses.

Primary differentiated human epithelial cell cultures have been widely used by researchers to study viral fitness and virus-host interactions, especially during the COVID19 pandemic. These cultures recapitulate important characteristics of the respiratory epithelium such as diverse cell type composition, polarization, and innate immune responses. However, standardization and validation of these cultures remains an open issue. In this study, two different expansion medias were evaluated and the impact on the resulting differentiated culture was determined. Use of both Airway and Ex Plus media types resulted in high quality, consistent cultures that were able to be used for these studies. Upon histological evaluation, Airway-grown cultures were more organized and had a higher proportion of basal progenitor cells while Ex Plus- grown cultures had a higher proportion terminally differentiated cell types. In addition to having different cell type proportions and organization, the two different growth medias led to cultures with altered susceptibility to infection with SARS-CoV-2 but not Influenza A virus. RNAseq comparing cultures grown in different growth medias prior to differentiation uncovered a high degree of differentially expressed genes in cultures from the same donor. RNAseq on differentiated cultures showed less variation between growth medias but alterations in pathways that control the expression of human transmembrane proteases including TMPRSS11 and TMPRSS2 were documented. Enhanced susceptibility to SARS-CoV-2 cannot be explained by altered cell type proportions alone, rather serine protease cofactor expression also contributes to the enhanced replication of SARS-CoV-2 as inhibition with camostat affected replication of an early SARS-CoV-2 variant and a Delta, but not Omicron, variant showed difference in replication efficiency between culture types. Therefore, it is important for the research community to standardize cell culture protocols particularly when characterizing novel viruses.