Protective neutralizing antibodies Antibodies produced by survivors of coronavirus disease 2019 (COVID-19) may be leveraged to develop therapies. A first step is identifying neutralizing antibodies, which confer strong protection against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Rogers et al. used a high-throughput pipeline to isolate and characterize monoclonal antibodies from convalescent donors. Antibodies were selected for binding to the viral spike protein, which facilitates entry into host cells by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Most isolated antibodies bound to regions of the spike outside of the receptor binding domain (RBD); however, a larger proportion of the RBD-binding antibodies were neutralizing, with the most potent binding at a site that overlaps the ACE2 binding site. Two of the neutralizing antibodies were tested in Syrian hamsters and provided protection against SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 956

ABSTRACT The development of countermeasures to prevent and treat COVID-19 is a global health priority. In under 7 weeks, we enrolled a cohort of SARS-CoV-2-recovered participants, developed neutralization assays to interrogate serum and monoclonal antibody responses, adapted our high throughput antibody isolation, production and characterization pipeline to rapidly screen over 1000 antigen-specific antibodies, and established an animal model to test protection. We report multiple highly potent neutralizing antibodies (nAbs) and show that passive transfer of a nAb provides protection against high-dose SARS-CoV-2 challenge in Syrian hamsters. The study suggests a role for nAbs in prophylaxis, and potentially therapy, of COVID-19. The nAbs define protective epitopes to guide vaccine design.

The emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) underscores the need for strategies to rapidly develop neutralizing monoclonal antibodies that can function as prophylactic and therapeutic agents and to help guide vaccine design. Here, we demonstrate that engineering approaches can be used to refocus an existing antibody that neutralizes one virus but not a related virus. Through a rapid affinity maturation strategy, we engineered CR3022, a SARS-CoV-1–neutralizing antibody, to bind to the receptor binding domain of SARS-CoV-2 with >1000-fold increased affinity. The engineered CR3022 neutralized SARS-CoV-2 and provided prophylactic protection from viral challenge in a small animal model of SARS-CoV-2 infection. Deep sequencing throughout the engineering process paired with crystallographic analysis of engineered CR3022 elucidated the molecular mechanisms by which the antibody can accommodate sequence differences in the epitopes between SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2. This workflow provides a blueprint for the rapid broadening of neutralization of an antibody from one virus to closely related but resistant viruses.

ABSTRACT The emergence of SARS-CoV-2 underscores the need for strategies to rapidly develop neutralizing monoclonal antibodies that can function as prophylactic and therapeutic agents and to help guide vaccine design. Here, we demonstrate that engineering approaches can be used to refocus an existing neutralizing antibody to a related but resistant virus. Using a rapid affinity maturation strategy, we engineered CR3022, a SARS-CoV-1 neutralizing antibody, to bind SARS-CoV-2 receptor binding domain with >1000-fold improved affinity. The engineered CR3022 neutralized SARS-CoV-2 and provided prophylactic protection from viral challenge in a small animal model of SARS-CoV-2 infection. Deep sequencing throughout the engineering process paired with crystallographic analysis of an enhanced antibody elucidated the molecular mechanisms by which engineered CR3022 can accommodate sequence differences in the epitope between SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2. The workflow described provides a blueprint for rapid broadening of neutralization of an antibody from one virus to closely related but resistant viruses.

The rapid spread of SARS-CoV-2 variants poses a constant threat of escape from monoclonal antibody and vaccine countermeasures. Mutations in the ACE2 receptor binding site on the surface S protein have been shown to disrupt antibody binding and prevent viral neutralization. Here, we used a directed evolution-based approach to engineer three neutralizing antibodies for enhanced binding to S protein. The engineered antibodies showed increased in vitro functional activity in terms of neutralization potency and/or breadth of neutralization against viral variants. Deep mutational scanning revealed that higher binding affinity reduces the total number of viral escape mutations. Studies in the Syrian hamster model showed two examples where the affinity-matured antibody provided superior protection compared to the parental antibody. These data suggest that monoclonal antibodies for antiviral indications would benefit from affinity maturation to reduce viral escape pathways and appropriate affinity maturation in vaccine immunization could help resist viral variation.

Vaccination strategies aimed at maturing broadly neutralizing antibodies (bnAbs) from naïve precursors are hindered by unusual features that characterize these Abs, including insertions and deletions (indels). Longitudinal studies of natural HIV infection cases shed light on the complex processes underlying bnAb development and have suggested a role for superinfection as a potential enhancer of neutralization breadth. Here we describe the development of a potent bnAb lineage that was elicited by two founder viruses to inform vaccine design. The V3-glycan targeting bnAb lineage (PC39-1) was isolated from subtype C-infected IAVI Protocol C elite neutralizer, donor PC39, and is defined by the presence of multiple independent insertions in CDRH1 that range from 1-11 amino acids in length. Memory B cell members of this lineage are predominantly atypical in phenotype yet also span the class-switched and antibody-secreting cell compartments. Development of neutralization breadth occurred concomitantly with extensive recombination between founder viruses before each virus separated into two distinct population “arms” that evolved independently to escape the PC39-1 lineage. Ab crystal structures show an extended CDRH1 that can help stabilize the CDRH3. Overall, these findings suggest that early exposure of the humoral system to multiple related Env molecules could promote the induction of bnAbs by focusing Ab responses to conserved epitopes.

ABSTRACT The rapid spread of SARS-CoV-2 variants poses a constant threat of escape from monoclonal antibody and vaccine countermeasures. Mutations in the ACE2 receptor binding site on the surface S protein have been shown to disrupt antibody binding and prevent viral neutralization. Here, we use a directed evolution-based approach to engineer three neutralizing antibodies for enhanced binding to S protein. The engineered antibodies showed increased in vitro functional activity in terms of neutralization potency and/or breadth of neutralization against viral variants. Deep mutational scanning revealed that higher binding affinity reduced the total number of viral escape mutations. Studies in the Syrian hamster model showed two examples where the affinity matured antibody provided superior protection compared to the parental antibody. These data suggest that monoclonal antibodies for anti-viral indications could benefit from in vitro affinity maturation to reduce viral escape pathways and appropriate affinity maturation in vaccine immunization could help resist viral variation.

SUMMARY SIVmac239 infection of macaques is a favored model of human HIV infection. However, the SIVmac239 envelope (Env) trimer structure, glycan occupancy, and the targets and ability of neutralizing antibodies (nAbs) to protect against SIVmac239 remain unknown. Here, we report the isolation of SIVmac239 nAbs that recognize a glycan hole and the V1/V4 loop. A high-resolution structure of a SIVmac239 Env trimer-nAb complex shows many similarities to HIV and SIVcpz Envs, but with distinct V4 features and an extended V1 loop. Moreover, SIVmac239 Env has a higher glycan shield density than HIV Env that may contribute to poor or delayed nAb responses in SIVmac239-infected macaques. Passive transfer of a nAb protects macaques from repeated low dose intraveneous SIVmac239 challenge at serum titers comparable to those described for protection of humans against HIV infection. Our results provide structural insights for vaccine design and shed light on antibody-mediated protection in the SIV model.

Although efficacious vaccines have significantly reduced the morbidity and mortality due to COVID-19, there remains an unmet medical need for treatment options, which monoclonal antibodies (mAbs) can potentially fill. This unmet need is exacerbated by the emergence and spread of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) that have shown some resistance to vaccine responses. Here we report the isolation of two highly potently neutralizing mAbs (THSC20.HVTR04 and THSC20.HVTR26) from an Indian convalescent donor, that neutralize SARS-CoV-2 VOCs at picomolar concentrations including the delta variant (B.1.617.2). These two mAbs target non-overlapping epitopes on the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein thereby preventing the virus attachment to its host receptor, human angiotensin converting enzyme-2 (hACE2). Furthermore, the mAb cocktail demonstrated protection against the Delta variant at low antibody doses when passively administered in the K18 hACE2 transgenic mice model, highlighting their potential as cocktail for prophylactic and therapeutic applications. Developing the capacity to rapidly discover and develop mAbs effective against highly transmissible pathogens like coronaviruses at a local level, especially in a low- and middle-income country (LMIC) such as India, will enable prompt responses to future pandemics as an important component of global pandemic preparedness.