An amphiphile vaccine consisting of a peptide antigen or adjuvant cargo linked to a lipophilic tail is shown to have improved potency and safety in mice by targeting the lymph nodes. Vaccines based on purified peptides, proteins or polysaccharides, together with molecular adjuvants designed to boost the immune response, are potentially safer and easier to manufacture than the alternatives. Generally however, such 'subunit' vaccines elicit weaker immune responses than those using live attenuated pathogens. Darrell Irvine and colleagues demonstrate a simple chemical strategy for the molecular targeting of subunit vaccines to lymphoid organs following parenteral injection. They designed an amphiphilic vaccine consisting of a peptide antigen or adjuvant cargo linked to a lipophilic tail. The resulting CpG-DNA/peptide amph-vaccine showed substantially increased anti-tumour efficacy with reduced toxicity compared to the parent compounds. In cancer patients, visual identification of sentinel lymph nodes (LNs) is achieved by the injection of dyes that bind avidly to endogenous albumin, targeting these compounds to LNs, where they are efficiently filtered by resident phagocytes1,2. Here we translate this ‘albumin hitchhiking’ approach to molecular vaccines, through the synthesis of amphiphiles (amph-vaccines) comprising an antigen or adjuvant cargo linked to a lipophilic albumin-binding tail by a solubility-promoting polar polymer chain. Administration of structurally optimized CpG-DNA/peptide amph-vaccines in mice resulted in marked increases in LN accumulation and decreased systemic dissemination relative to their parent compounds, leading to 30-fold increases in T-cell priming and enhanced anti-tumour efficacy while greatly reducing systemic toxicity. Amph-vaccines provide a simple, broadly applicable strategy to simultaneously increase the potency and safety of subunit vaccines.

An immunotherapy consisting of a tumor-antigen targeting antibody, PD-1 blocking antibody, extended half-life recombinant IL-2 and a lymph-node-targeted T cell vaccine mobilized innate and adaptive immunity and eradicated large established tumors in a variety of mouse models. Checkpoint blockade with antibodies specific for cytotoxic T lymphocyte–associated protein (CTLA)-4 or programmed cell death 1 (PDCD1; also known as PD-1) elicits durable tumor regression in metastatic cancer, but these dramatic responses are confined to a minority of patients. This suboptimal outcome is probably due in part to the complex network of immunosuppressive pathways present in advanced tumors, which are unlikely to be overcome by intervention at a single signaling checkpoint. Here we describe a combination immunotherapy that recruits a variety of innate and adaptive immune cells to eliminate large tumor burdens in syngeneic tumor models and a genetically engineered mouse model of melanoma; to our knowledge tumors of this size have not previously been curable by treatments relying on endogenous immunity. Maximal antitumor efficacy required four components: a tumor-antigen-targeting antibody, a recombinant interleukin-2 with an extended half-life, anti-PD-1 and a powerful T cell vaccine. Depletion experiments revealed that CD8+ T cells, cross-presenting dendritic cells and several other innate immune cell subsets were required for tumor regression. Effective treatment induced infiltration of immune cells and production of inflammatory cytokines in the tumor, enhanced antibody-mediated tumor antigen uptake and promoted antigen spreading. These results demonstrate the capacity of an elicited endogenous immune response to destroy large, established tumors and elucidate essential characteristics of combination immunotherapies that are capable of curing a majority of tumors in experimental settings typically viewed as intractable.

Cyclic dinucleotides (CDNs) are agonists of stimulator of IFN genes (STING) and have potential as vaccine adjuvants. However, cyclic di-GMP (cdGMP) injected s.c. shows minimal uptake into lymphatics/draining lymph nodes (dLNs) and instead is rapidly distributed to the bloodstream, leading to systemic inflammation. Here, we encapsulated cdGMP within PEGylated lipid nanoparticles (NP-cdGMP) to redirect this adjuvant to dLNs. Compared with unformulated CDNs, encapsulation blocked systemic dissemination and markedly enhanced dLN accumulation in murine models. Delivery of NP-cdGMP increased CD8+ T cell responses primed by peptide vaccines and enhanced therapeutic antitumor immunity. A combination of a poorly immunogenic liposomal HIV gp41 peptide antigen and NP-cdGMP robustly induced type I IFN in dLNs, induced a greater expansion of vaccine-specific CD4+ T cells, and greatly increased germinal center B cell differentiation in dLNs compared with a combination of liposomal HIV gp41 and soluble CDN. Further, NP-cdGMP promoted durable antibody titers that were substantially higher than those promoted by the well-studied TLR agonist monophosphoryl lipid A and comparable to a much larger dose of unformulated cdGMP, without the systemic toxicity of the latter. These results demonstrate that nanoparticulate delivery safely targets CDNs to the dLNs and enhances the efficacy of this adjuvant. Moreover, this approach can be broadly applied to other small-molecule immunomodulators of interest for vaccines and immunotherapy.

Abstract Gene expression data are accumulating exponentially in public repositories. Reanalysis and integration of themed collections from these studies may provide new insights, but requires further human curation. Here we report a crowdsourcing project to annotate and reanalyse a large number of gene expression profiles from Gene Expression Omnibus (GEO). Through a massive open online course on Coursera, over 70 participants from over 25 countries identify and annotate 2,460 single-gene perturbation signatures, 839 disease versus normal signatures, and 906 drug perturbation signatures. All these signatures are unique and are manually validated for quality. Global analysis of these signatures confirms known associations and identifies novel associations between genes, diseases and drugs. The manually curated signatures are used as a training set to develop classifiers for extracting similar signatures from the entire GEO repository. We develop a web portal to serve these signatures for query, download and visualization.

Abstract Chronic neuroinflammation with sustained microglial activation occurs following moderate-to-severe traumatic brain injury (TBI) and is believed to contribute to subsequent neurodegeneration and neurological deficits. Microglia, the primary innate immune cells in brain, are dependent on colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) signaling for their survival. In this translational study, we examined the effects of delayed depletion and subsequent repopulation of microglia on chronic neurodegeneration and functional recovery up to three months posttrauma. A CSF1R inhibitor, PLX5622, was administered to injured adult male C57Bl/6 mice at one month after controlled cortical impact to remove chronically activated microglia, and the inihibitor was withdrawn 1 week later to allow microglial repopulation. Following TBI, the repopulated microglia displayed a ramified morphology, similar to that of sham control uninjured animals, whereas microglia in untreated injured animals showed the typical chronic posttraumatic hypertrophic morphology. PLX5622 treatment limited TBI-associated neuropathological changes at 3 months posttrauma; these included a smaller cortical lesion, reduced neuronal cell death in the injured cortex and ipsilateral hippocampus, and decreased NOX2-dependent reactive microgliosis. Furthermore, delayed depletion of microglia led to widespread changes in the cortical transcriptome, including alterations in gene pathways involved in neuroinflammation, oxidative stress, and neuroplasticity. PLX5622 treated animals showed significantly improved neurological recovery using a variety of complementary neurobehavioral evaluations. These included beam walk and rotorod tests for sensori-motor function, as well as Y-maze, novel object recognition, and Morris water maze tests to evaluate cognitive function. Together, our findings show that chronic phase removal of neurotoxic microglia using CSF1R inhibitors after experimental TBI can markedly reduce chronic neuroinflammation and neurodegeneration, as well as related long-term motor and cognitive deficits. Thus, CSF1R inhibition may provide a clinically feasible approach to limit posttraumatic neurodegeneration and neurological dysfunction following head injury.

ABSTRACT Long COVID or post-acute sequelae of SARS-CoV-2 (PASC) is a clinical syndrome featuring diverse symptoms that can persist for months after acute SARS-CoV-2 infection. The etiologies are unknown but may include persistent inflammation, unresolved tissue damage, or delayed clearance of viral protein or RNA. Attempts to classify subsets of PASC by symptoms alone have been unsuccessful. To molecularly define PASC, we evaluated the serum proteome in longitudinal samples from 55 PASC individuals with symptoms lasting ≥60 days after onset of acute infection and compared this to symptomatically recovered SARS-CoV-2 infected and uninfected individuals. We identified subsets of PASC with distinct signatures of persistent inflammation. Type II interferon signaling and canonical NF-κB signaling (particularly associated with TNF), were the most differentially enriched pathways. These findings help to resolve the heterogeneity of PASC, identify patients with molecular evidence of persistent inflammation, and highlight dominant pathways that may have diagnostic or therapeutic relevance. One Sentence Summary Serum proteome profiling identifies subsets of long COVID patients with evidence of persistent inflammation including key immune signaling pathways that may be amenable to therapeutic intervention.

SARS-CoV-2 has infected over 200 million and caused more than 4 million deaths to date. Most individuals (>80%) have mild symptoms and recover in the outpatient setting, but detailed studies of immune responses have focused primarily on moderate to severe COVID-19. We deeply profiled the longitudinal immune response in individuals with mild COVID-19 beginning with early time points post-infection (1-15 days) and proceeding through convalescence to >100 days after symptom onset. We correlated data from single cell analyses of peripheral blood cells, serum proteomics, virus-specific cellular and humoral immune responses, and clinical metadata. Acute infection was characterized by vigorous coordinated innate and adaptive immune activation that differed in character by age (young vs. old). We then characterized signals associated with recovery and convalescence to define and validate a new signature of inflammatory cytokines, gene expression, and chromatin accessibility that persists in individuals with post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC).

Abstract Lipofuscin is an autofluorescent (AF) pigment formed by lipids and misfolded proteins that accumulates in post-mitotic cells with advanced age. Here we immunophenotyped microglia in the brain of old C57BL/6 mice (>18 months-old) and demonstrate that in comparison to young mice, one third of old microglia are AF, characterized by profound changes in lipid and iron content, phagocytic activity, and oxidative stress. Pharmacological depletion of microglia in old mice eliminated the AF microglia following repopulation and reversed microglial dysfunction. Age-related neurological deficits and neurodegeneration after traumatic brain injury (TBI) were attenuated in old mice lacking AF microglia. Furthermore, hyperphagocytic activity and lipid accumulation in microglia persisted for up to one year after TBI, were modified by Apoe4 genotype, and chronically driven by phagocyte-mediated oxidative stress. Thus, AF may reflect a pathological state in aging microglia associated with hyperphagocytosis and inflammatory neurodegeneration that can be further accelerated by TBI. Teaser Traumatic brain injury accelerates age-related pathological phagocytosis and lipofuscin formation in microglia.

Abstract: The naive T cell compartment undergoes multiple changes across age that associate with altered susceptibility to infection and autoimmunity. In addition to the acquisition of naive-like memory T cell subsets, mouse studies describe substantial molecular reprogramming of the naive compartment in adults compared with adolescents. However, these alterations are not well delineated in human aging. Using a new trimodal single cell technology (TEA-seq), we discovered that the composition and transcriptional and epigenetic programming of the naive T cell compartment in children (11-13 yrs) is distinct from that of older adults (55-65 yrs). Naive CD4 T cells, previously considered relatively resistant to aging, exhibited far more pronounced molecular reprogramming than naive CD8 T cells, in which alterations are preferentially driven by shifts in naive-like memory subsets. These data reveal the complex nature of the naive T cell compartment that may contribute to differential immune responses across the spectrum of human age. One Sentence Summary: The naive CD8 and CD4 T cell compartments in humans are heterogeneous and impacted differently with age, in which naive CD8 T cell subsets dramatically shift in composition and true naive CD4 T cells display significant molecular re-programming.

Abstract Endochondral ossification requires coordinated mobilization of osteoblast precursors with blood vessels. During adult bone homeostasis, vessel adjacent osteoblast precursors respond to and are maintained by mechanical stimuli; however, the mechanisms by which these cells mobilize and respond to mechanical cues during embryonic development are unknown. Previously, we found that deletion of the mechanoresponsive transcriptional regulators, YAP and TAZ, from Osterix-expressing osteoblast precursors and their progeny caused perinatal lethality. Here, we show that embryonic YAP/TAZ signaling couples vessel-associated osteoblast precursor mobilization to angiogenesis in developing long bones. Osterix-conditional YAP/TAZ deletion impaired endochondral ossification in the primary ossification center but not intramembranous osteogenesis in the bone collar. Single-cell RNA sequencing revealed YAP/TAZ regulation of the angiogenic chemokine, Cxcl12, which was expressed uniquely in vessel-associated osteoblast precursors. YAP/TAZ signaling spatially coupled osteoblast precursors to blood vessels and regulated vascular morphogenesis and vessel barrier function. Further, YAP/TAZ signaling regulated vascular loop morphogenesis at the chondro-osseous junction to control hypertrophic growth plate remodeling. In human cells, mesenchymal stromal cell co-culture promoted 3D vascular network formation, which was impaired by stromal cell YAP/TAZ depletion, but rescued by recombinant CXCL12 treatment. Lastly, YAP and TAZ mediated mechanotransduction for load-induced osteogenesis in embryonic bone.