The emergence of novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants stresses the continued need for next-generation vaccines that confer broad protection against coronavirus disease 2019 (COVID-19). We developed and evaluated an adjuvanted SARS-CoV-2 Spike Ferritin Nanoparticle (SpFN) vaccine in nonhuman primates (NHPs). High-dose (50 µ g) SpFN vaccine, given twice within a 28 day interval, induced a Th1-biased CD4 T cell helper response and a peak neutralizing antibody geometric mean titer of 52,773 against wild-type virus, with activity against SARS-CoV-1 and minimal decrement against variants of concern. Vaccinated animals mounted an anamnestic response upon high-dose SARS-CoV-2 respiratory challenge that translated into rapid elimination of replicating virus in their upper and lower airways and lung parenchyma. SpFN's potent and broad immunogenicity profile and resulting efficacy in NHPs supports its utility as a candidate platform for SARS-like betacoronaviruses.A SARS-CoV-2 Spike protein ferritin nanoparticle vaccine, co-formulated with a liposomal adjuvant, elicits broad neutralizing antibody responses that exceed those observed for other major vaccines and rapidly protects against respiratory infection and disease in the upper and lower airways and lung tissue of nonhuman primates.

The need for SARS-CoV-2 next-generation vaccines has been highlighted by the rise of variants of concern (VoC) and the long-term threat of other coronaviruses. Here, we designed and characterized four categories of engineered nanoparticle immunogens that recapitulate the structural and antigenic properties of prefusion Spike (S), S1 and RBD. These immunogens induced robust S-binding, ACE2-inhibition, and authentic and pseudovirus neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 in mice. A Spike-ferritin nanoparticle (SpFN) vaccine elicited neutralizing titers more than 20-fold higher than convalescent donor serum, following a single immunization, while RBD-Ferritin nanoparticle (RFN) immunogens elicited similar responses after two immunizations. Passive transfer of IgG purified from SpFN- or RFN-immunized mice protected K18-hACE2 transgenic mice from a lethal SARS-CoV-2 virus challenge. Furthermore, SpFN- and RFN-immunization elicited ACE2 blocking activity and neutralizing ID50 antibody titers >2,000 against SARS-CoV-1, along with high magnitude neutralizing titers against major VoC. These results provide design strategies for pan-coronavirus vaccine development.

ABSTRACT Emergence of novel variants of the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) underscores the need for next-generation vaccines able to elicit broad and durable immunity. Here we report the evaluation of a ferritin nanoparticle vaccine displaying the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike protein (RFN) adjuvanted with Army Liposomal Formulation QS-21 (ALFQ). RFN vaccination of macaques using a two-dose regimen resulted in robust, predominantly Th1 CD4+ T cell responses and reciprocal peak mean neutralizing antibody titers of 14,000-21,000. Rapid control of viral replication was achieved in the upper and lower airways of animals after high-dose SARS-CoV-2 respiratory challenge, with undetectable replication within four days in 7 of 8 animals receiving 50 µg RFN. Cross-neutralization activity against SARS-CoV-2 variant B.1.351 decreased only ∼2-fold relative to USA-WA1. In addition, neutralizing, effector antibody and cellular responses targeted the heterotypic SARS-CoV-1, highlighting the broad immunogenicity of RFN-ALFQ for SARS-like betacoronavirus vaccine development. Significance Statement The emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) that reduce the efficacy of current COVID-19 vaccines is a major threat to pandemic control. We evaluate a SARS-CoV-2 Spike receptor-binding domain ferritin nanoparticle protein vaccine (RFN) in a nonhuman primate challenge model that addresses the need for a next-generation, efficacious vaccine with increased pan-SARS breadth of coverage. RFN, adjuvanted with a liposomal-QS21 formulation (ALFQ), elicits humoral and cellular immune responses exceeding those of current vaccines in terms of breadth and potency and protects against high-dose respiratory tract challenge. Neutralization activity against the B.1.351 VOC within two-fold of wild-type virus and against SARS-CoV-1 indicate exceptional breadth. Our results support consideration of RFN for SARS-like betacoronavirus vaccine development.

The emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) requires adequate coverage of vaccine protection. We evaluated whether a spike ferritin nanoparticle vaccine (SpFN), adjuvanted with the Army Liposomal Formulation QS21 (ALFQ), conferred protection against the B.1.1.7 and B.1.351 VOCs in Syrian golden hamsters. SpFN-ALFQ was administered as either single or double-vaccination (0 and 4 week) regimens, using a high (10 μg) or low (0.2 μg) immunogen dose. Animals were intranasally challenged at week 11. Binding antibody responses were comparable between high- and low-dose groups. Neutralizing antibody titers were equivalent against WA1, B.1.1.7, and B.1.351 variants following two high dose two vaccinations. SpFN-ALFQ vaccination protected against SARS-CoV-2-induced disease and viral replication following intranasal B.1.1.7 or B.1.351 challenge, as evidenced by reduced weight loss, lung pathology, and lung and nasal turbinate viral burden. These data support the development of SpFN-ALFQ as a broadly protective, next-generation SARS-CoV-2 vaccine.

SARS-CoV-2 is a zoonotic virus that has caused a pandemic of severe respiratory disease—COVID-19—within several months of its initial identification. Comparable to the first SARS-CoV, this coronaviruses surface Spike (S) glycoprotein mediates cell entry via the human ACE-2 receptor, and, thus, is the principal target for the development of vaccines and immunotherapeutics. Molecular information on the SARS-CoV-2 S glycoprotein remains limited. Here we report the crystal structure of the SARS-CoV-2 S receptor-binding-domain (RBD) at a the highest resolution to date, of 1.95 Å. We identified a set of SARS-reactive monoclonal antibodies with cross-reactivity to SARS-CoV-2 RBD and other betacoronavirus S glycoproteins. One of these antibodies, CR3022, was previously shown to synergize with antibodies that target the ACE-2 binding site on the SARS-CoV RBD and reduce viral escape capacity. We determined the structure of CR3022, in complex with the SARS-CoV-2 RBD, and defined a broadly reactive epitope that is highly conserved across betacoronaviruses. This epitope is inaccessible in the closed prefusion S structure, but is accessible in open conformations. This first-ever resolution of a human antibody in complex with SARS-CoV-2 and the broad reactivity of this set of antibodies to a conserved betacoronavirus epitope will allow antigenic assessment of vaccine candidates, and provide a framework for accelerated vaccine, immunotherapeutic and diagnostic strategies against SARS-CoV-2 and related betacoronaviruses.

Abstract The COVID-19 pandemic has had a staggering impact on social, economic, and public health systems worldwide. Vaccine development and mobilization against SARS-CoV-2 (the etiologic agent of COVID-19) has been rapid. However, novel strategies are still necessary to slow the pandemic, and this includes new approaches to vaccine development and/or delivery, which improve vaccination compliance and demonstrate efficacy against emerging variants. Here we report on the immunogenicity and efficacy of a SARS-CoV-2 vaccine comprised of stabilized, pre-fusion Spike protein trimers displayed on a ferritin nanoparticle (SpFN) adjuvanted with either conventional aluminum hydroxide or the Army Liposomal Formulation QS-21 (ALFQ) in a cynomolgus macaque COVID-19 model. Vaccination resulted in robust cell-mediated and humoral responses and a significant reduction of lung lesions following SARS-CoV-2 infection. The strength of the immune response suggests that dose sparing through reduced or single dosing in primates may be possible with this vaccine. Overall, the data support further evaluation of SpFN as a SARS-CoV-2 protein-based vaccine candidate with attention to fractional dosing and schedule optimization.