Coronaviruses make use of a large envelope protein called spike (S) to engage host cell receptors and catalyze membrane fusion. Because of the vital role that these S proteins play, they represent a vulnerable target for the development of therapeutics. Here, we describe the isolation of single-domain antibodies (VHHs) from a llama immunized with prefusion-stabilized coronavirus spikes. These VHHs neutralize MERS-CoV or SARS-CoV-1 S pseudotyped viruses, respectively. Crystal structures of these VHHs bound to their respective viral targets reveal two distinct epitopes, but both VHHs interfere with receptor binding. We also show cross-reactivity between the SARS-CoV-1 S-directed VHH and SARS-CoV-2 S and demonstrate that this cross-reactive VHH neutralizes SARS-CoV-2 S pseudotyped viruses as a bivalent human IgG Fc-fusion. These data provide a molecular basis for the neutralization of pathogenic betacoronaviruses by VHHs and suggest that these molecules may serve as useful therapeutics during coronavirus outbreaks.

Introductory paragraph Since the emergence of SARS-CoV-2 causing COVID-19, the world is being shaken to its core with numerous hospitalizations and hundreds of thousands of deaths. In search for key targets of effective therapeutics, robust animal models mimicking COVID-19 in humans are urgently needed. Here, we show that productive SARS-CoV-2 infection in the lungs of mice is limited and restricted by early type I interferon responses. In contrast, we show that Syrian hamsters are highly permissive to SARS- CoV-2 and develop bronchopneumonia and a strong inflammatory response in the lungs with neutrophil infiltration and edema. Moreover, we identify an exuberant innate immune response as a key player in pathogenesis, in which STAT2 signaling plays a dual role, driving severe lung injury on the one hand, yet restricting systemic virus dissemination on the other. Finally, we assess SARS-CoV- 2-induced lung pathology in hamsters by micro-CT alike used in clinical practice. Our results reveal the importance of STAT2-dependent interferon responses in the pathogenesis and virus control during SARS-CoV-2 infection and may help rationalizing new strategies for the treatment of COVID-19 patients.

ABSTRACT The pathogenic Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-1) and COVID-19 coronavirus (SARS-CoV-2) have all emerged into the human population with devastating consequences. These viruses make use of a large envelope protein called spike (S) to engage host cell receptors and catalyze membrane fusion. Because of the vital role that these S proteins play, they represent a vulnerable target for the development of therapeutics to combat these highly pathogenic coronaviruses. Here, we describe the isolation and characterization of single-domain antibodies (VHHs) from a llama immunized with prefusion-stabilized coronavirus spikes. These VHHs are capable of potently neutralizing MERS-CoV or SARS-CoV-1 S pseudotyped viruses. The crystal structures of these VHHs bound to their respective viral targets reveal two distinct epitopes, but both VHHs block receptor binding. We also show cross-reactivity between the SARS-CoV-1 S-directed VHH and SARS-CoV-2 S, and demonstrate that this cross-reactive VHH is capable of neutralizing SARS-CoV-2 S pseudotyped viruses as a bivalent human IgG Fc-fusion. These data provide a molecular basis for the neutralization of pathogenic betacoronaviruses by VHHs and suggest that these molecules may serve as useful therapeutics during coronavirus outbreaks.

Abstract We have identified camelid single-domain antibodies (VHHs) that cross-neutralize SARS-CoV-1 and −2, such as VHH72, which binds to a unique highly conserved epitope in the viral receptor-binding domain (RBD) that is difficult to access for human antibodies. Here, we establish a protein engineering path for how a stable, long-acting drug candidate can be generated out of such a VHH building block. When fused to human IgG1-Fc, the prototype VHH72 molecule prophylactically protects hamsters from SARS-CoV-2. In addition, we demonstrate that both systemic and intranasal application protects hACE-2-transgenic mice from SARS-CoV-2 induced lethal disease progression. To boost potency of the lead, we used structure-guided molecular modeling combined with rapid yeast-based Fc-fusion prototyping, resulting in the affinity-matured VHH72_S56A-Fc, with subnanomolar SARS-CoV-1 and −2 neutralizing potency. Upon humanization, VHH72_S56A was fused to a human IgG1 Fc with optimized manufacturing homogeneity and silenced effector functions for enhanced safety, and its stability as well as lack of off-target binding was extensively characterized. Therapeutic systemic administration of a low dose of VHH72_S56A-Fc antibodies strongly restricted replication of both original and D614G mutant variants of SARS-CoV-2 virus in hamsters, and minimized the development of lung damage. This work led to the selection of XVR011 for clinical development, a highly stable anti-COVID-19 biologic with excellent manufacturability. Additionally, we show that XVR011 is unaffected in its neutralizing capacity of currently rapidly spreading SARS-CoV-2 variants, and demonstrate its unique, wide scope of binding across the Sarbecovirus clades.

Abstract As small and stable high-affinity antigen binders, VHHs boast attractive characteristics both for therapeutic use in various disease indications, and as versatile reagents in research and diagnostics. To further increase the versatility of VHHs, we explored the VHH scaffold in a structure-guided approach to select regions where the introduction of an N-glycosylation N-X-T sequon and its associated glycan should not interfere with protein folding or epitope recognition. We expressed variants of such glycoengineered VHHs in the Pichia pastoris GlycoSwitchM5 strain, allowing us to pinpoint preferred sites at which Man 5 GlcNAc 2 -glycans can be introduced at high site occupancy without affecting antigen binding. A VHH carrying predominantly a Man 5 GlcNAc 2 N-glycan at one of these preferred sites showed highly efficient, glycan-dependent uptake by Mf4/4 macrophages in vitro and by alveolar lung macrophages in vivo, illustrating one potential application of glyco-engineered VHHs: a glycan-based targeting approach for lung macrophage endolysosomal system delivery. The set of optimal artificial VHH N-glycosylation sites identified in this study can serve as a blueprint for targeted glyco-engineering of other VHHs, enabling site-specific functionalization through the rapidly expanding toolbox of synthetic glycobiology.

Abstract Currently circulating SARS-CoV-2 variants have gained complete or significant resistance to all SARS-CoV-2-neutralizing antibodies that have been used in the clinic. Such antibodies can prevent severe disease in SARS-CoV-2 exposed patients for whom vaccines may not provide optimal protection. Here, we describe single-domain antibodies (VHHs), also known as nanobodies, that can broadly neutralize SARS-CoV-2 with unusually high potency. Structural analysis revealed their binding to a unique, highly conserved, membrane proximal, quaternary epitope in the S2 subunit of the spike. Furthermore, a VHH-human IgG1 Fc fusion, efficiently expressed in Chinese hamster ovary cells as a stable antibody construct, protected hamsters against SARS-CoV-2 replication in a therapeutic setting when administered systemically at low dose. This VHH-based antibody represents a new candidate anti-COVID-19 biologic that targets the Achilles heel of the viral spike.

Abstract Monoclonal antibodies are the leading drug of the biopharmaceutical market because of their high specificity and tolerability, but the current CHO-based manufacturing platform remains expensive and time-consuming leading to limited accessibility, especially in the case of diseases with high incidence and pandemics. Therefore, there is an urgent need for an alternative production system. In this study, we present a rapid and cost-effective microbial platform for heavy chain-only antibodies (VHH-Fc) in the methylotrophic yeast Komagataella phaffii (aka Pichia pastoris ). We demonstrate the potential of this platform using a simplified single-gene VHH-Fc fusion construct instead of the conventional monoclonal antibody format, as this is more easily expressed in Pichia pastoris . We demonstrate that the Pichia -produced VHH-Fc fusion construct is stable and that a Pichia -produced VHH-Fc directed against the SARS-CoV-2 spike has potent SARS-CoV-2 neutralizing activity in vitro and in vivo . We expect that this platform will pave the way towards faster and cheaper development and production of broadly neutralizing single-chain antibodies in yeast.