The ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a major threat to global health1 and the medical countermeasures available so far are limited2,3. Moreover, we currently lack a thorough understanding of the mechanisms of humoral immunity to SARS-CoV-24. Here we analyse a large panel of human monoclonal antibodies that target the spike (S) glycoprotein5, and identify several that exhibit potent neutralizing activity and fully block the receptor-binding domain of the S protein (SRBD) from interacting with human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Using competition-binding, structural and functional studies, we show that the monoclonal antibodies can be clustered into classes that recognize distinct epitopes on the SRBD, as well as distinct conformational states of the S trimer. Two potently neutralizing monoclonal antibodies, COV2-2196 and COV2-2130, which recognize non-overlapping sites, bound simultaneously to the S protein and neutralized wild-type SARS-CoV-2 virus in a synergistic manner. In two mouse models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of COV2-2196, COV2-2130 or a combination of both of these antibodies protected mice from weight loss and reduced the viral burden and levels of inflammation in the lungs. In addition, passive transfer of either of two of the most potent ACE2-blocking monoclonal antibodies (COV2-2196 or COV2-2381) as monotherapy protected rhesus macaques from SARS-CoV-2 infection. These results identify protective epitopes on the SRBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic agents. An analysis identifies human monoclonal antibodies that potently neutralize wild-type SARS-CoV-2 and protect animals from disease, including two that synergize in a cocktail, suggesting that these could be candidates for use as therapeutic agents for the treatment of COVID-19 in humans.

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.

The coronavirus disease 2019 pandemic has made deployment of an effective vaccine a global health priority. We evaluated the protective activity of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a prefusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in challenge studies with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor. Intramuscular dosing of ChAd-SARS-CoV-2-S induces robust systemic humoral and cell-mediated immune responses and protects against lung infection, inflammation, and pathology but does not confer sterilizing immunity, as evidenced by detection of viral RNA and induction of anti-nucleoprotein antibodies after SARS-CoV-2 challenge. In contrast, a single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induces high levels of neutralizing antibodies, promotes systemic and mucosal immunoglobulin A (IgA) and T cell responses, and almost entirely prevents SARS-CoV-2 infection in both the upper and lower respiratory tracts. Intranasal administration of ChAd-SARS-CoV-2-S is a candidate for preventing SARS-CoV-2 infection and transmission and curtailing pandemic spread.

The COVID-19 pandemic is a major threat to global health for which there are only limited medical countermeasures, and we lack a thorough understanding of mechanisms of humoral immunity 1,2 . From a panel of monoclonal antibodies (mAbs) targeting the spike (S) glycoprotein isolated from the B cells of infected subjects, we identified several mAbs that exhibited potent neutralizing activity with IC 50 values as low as 0.9 or 15 ng/mL in pseudovirus or wild-type ( wt ) SARS-CoV-2 neutralization tests, respectively. The most potent mAbs fully block the receptor-binding domain of S (S RBD ) from interacting with human ACE2. Competition-binding, structural, and functional studies allowed clustering of the mAbs into defined classes recognizing distinct epitopes within major antigenic sites on the S RBD . Electron microscopy studies revealed that these mAbs recognize distinct conformational states of trimeric S protein. Potent neutralizing mAbs recognizing unique sites, COV2-2196 and COV2-2130, bound simultaneously to S and synergistically neutralized authentic SARS-CoV-2 virus. In two murine models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of either COV2-2916 or COV2-2130 alone or a combination of both mAbs protected mice from severe weight loss and reduced viral burden and inflammation in the lung. These results identify protective epitopes on the S RBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic cocktails.

SUMMARY The deployment of a vaccine that limits transmission and disease likely will be required to end the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) pandemic. We recently described the protective activity of an intranasally-administered chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike (S) protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in the upper and lower respiratory tract of mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Here, we show the immunogenicity and protective efficacy of this vaccine in non-human primates. Rhesus macaques were immunized with ChAd-Control or ChAd-SARS-CoV-2-S and challenged one month later by combined intranasal and intrabronchial routes with SARS-CoV-2. A single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induced neutralizing antibodies and T cell responses and limited or prevented infection in the upper and lower respiratory tract after SARS-CoV-2 challenge. As this single intranasal dose vaccine confers protection against SARS-CoV-2 in non-human primates, it is a promising candidate for limiting SARS-CoV-2 infection and transmission in humans.

ABSTRACT The development of an effective vaccine against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19, is a global priority. Here, we compared the protective capacity of intranasal and intramuscular delivery of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in Golden Syrian hamsters. While immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S induced robust spike protein specific antibodies capable or neutralizing the virus, antibody levels in serum were higher in hamsters immunized by an intranasal compared to intramuscular route. Accordingly, ChAd-SARS-CoV-2-S immunized hamsters were protected against a challenge with a high dose of SARS-CoV-2. After challenge, ChAd-SARS-CoV-2-S-immunized hamsters had less weight loss and showed reductions in viral RNA and infectious virus titer in both nasal swabs and lungs, and reduced pathology and inflammatory gene expression in the lungs, compared to ChAd-Control immunized hamsters. Intranasal immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S provided superior protection against SARS-CoV-2 infection and inflammation in the upper respiratory tract. These findings support intranasal administration of the ChAd-SARS-CoV-2-S candidate vaccine to prevent SARS-CoV-2 infection, disease, and possibly transmission.

Although mRNA vaccines prevent COVID-19, variants jeopardize their efficacy as immunity wanes. Here, we assessed the immunogenicity and protective activity of historical (mRNA-1273, designed for Wuhan-1 spike) or modified (mRNA-1273.351, designed for B.1.351 spike) preclinical Moderna mRNA vaccines in 129S2 and K18-hACE2 mice. Immunization with high or low dose formulations of mRNA vaccines induced neutralizing antibodies in serum against ancestral SARS-CoV-2 and several variants, although levels were lower particularly against the B.1.617.2 (Delta) virus. Protection against weight loss and lung pathology was observed with all high-dose vaccines against all viruses. Nonetheless, low-dose formulations of the vaccines, which produced lower magnitude antibody and T cell responses, and serve as a possible model for waning immunity, showed breakthrough lung infection and pneumonia with B.1.617.2. Thus, as levels of immunity induced by mRNA vaccines decline, breakthrough infection and disease likely will occur with some SARS-CoV-2 variants, suggesting a need for additional booster regimens.

ABSTRACT SARS-CoV-2 variants that attenuate antibody neutralization could jeopardize vaccine efficacy and the end of the COVID-19 pandemic. We recently reported the protective activity of a single-dose intranasally-administered spike protein-based chimpanzee adenovirus-vectored vaccine (ChAd-SARS-CoV-2-S) in animals, which has advanced to human trials. Here, we assessed its durability, dose-response, and cross-protective activity in mice. A single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induced durably high neutralizing and Fc effector antibody responses in serum and S-specific IgG and IgA secreting long-lived plasma cells in the bone marrow. Protection against a historical SARS-CoV-2 strain was observed across a 100-fold vaccine dose range and over a 200-day period. At 6 weeks or 9 months after vaccination, serum antibodies neutralized SARS-CoV-2 strains with B.1.351 and B.1.1.28 spike proteins and conferred almost complete protection in the upper and lower respiratory tracts after challenge. Thus, in mice, intranasal immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S provides durable protection against historical and emerging SARS-CoV-2 strains.

SUMMARY The Coronavirus Disease 2019 pandemic has made deployment of an effective vaccine a global health priority. We evaluated the protective activity of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in challenge studies with Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor. Intramuscular dosing of ChAd-SARS-CoV-2-S induces robust systemic humoral and cell-mediated immune responses and protects against lung infection, inflammation, and pathology but does not confer sterilizing immunity, as evidenced by detection of viral RNA and induction of anti-nucleoprotein antibodies after SARS-CoV-2 challenge. In contrast, a single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induces high levels of systemic and mucosal IgA and T cell responses, completely prevents SARS-CoV-2 infection in the upper and lower respiratory tracts, and likely confers sterilizing immunity in most animals. Intranasal administration of ChAd-SARS-CoV-2-S is a candidate for preventing SARS-CoV-2 infection and transmission, and curtailing pandemic spread.

COVID-19 vaccines have successfully reduced severe disease and death after severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection. Nonetheless, COVID-19 vaccines are variably effective in preventing transmission and symptomatic SARS-CoV-2 infection. Here, we evaluated the impact of mucosal or intramuscular vaccine immunization on airborne infection and transmission of SARS-CoV-2 in Syrian hamsters. Immunization of the primary contact hamsters with a mucosal chimpanzee adenoviral-vectored vaccine (ChAd-CoV-2-S), but not intramuscular messenger RNA (mRNA) vaccine, reduced infectious virus titers ~100-fold and 100,000-fold in the upper and lower respiratory tract of the primary contact hamster following SARS-CoV-2 exposure. This reduction in virus titer in the mucosal immunized contact animals was sufficient to eliminate subsequent transmission to vaccinated and unvaccinated hamsters. In contrast, sequential transmission occurred after systemic immunization with the mRNA vaccine. Thus, immunization with a mucosal COVID-19 vaccine protects against cycles of respiratory transmission of SARS-CoV-2 and can potentially limit the community spread of the virus.