ABSTRACT Chronic viral infections often result in ineffective CD8 T-cell responses due to functional exhaustion or physical deletion of virus-specific T cells. However, how persisting virus impacts various CD8 T-cell effector functions and influences other aspects of CD8 T-cell dynamics, such as immunodominance and tissue distribution, remains largely unknown. Using different strains of lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), we compared responses to the same CD8 T-cell epitopes during acute or chronic infection. Persistent infection led to a disruption of the normal immunodominance hierarchy of CD8 T-cell responses seen following acute infection and dramatically altered the tissue distribution of LCMV-specific CD8 T cells in lymphoid and nonlymphoid tissues. Most importantly, CD8 T-cell functional impairment occurred in a hierarchical fashion in chronically infected mice. Production of interleukin 2 and the ability to lyse target cells in vitro were the first functions compromised, followed by the ability to make tumor necrosis factor alpha, while gamma interferon production was most resistant to functional exhaustion. Antigen appeared to be the driving force for this loss of function, since a strong correlation existed between the viral load and the level of exhaustion. Further, epitopes presented at higher levels in vivo resulted in physical deletion, while those presented at lower levels induced functional exhaustion. A model is proposed in which antigen levels drive the hierarchical loss of different CD8 T-cell effector functions during chronic infection, leading to distinct stages of functional impairment and eventually to physical deletion of virus-specific T cells. These results have implications for the study of human chronic infections, where similar T-cell deletion and functional dysregulation has been observed.

To explore the human T cell response to acute viral infection, we performed a longitudinal analysis of CD8+ T cells responding to the live yellow fever virus and smallpox vaccines—two highly successful human vaccines. Our results show that both vaccines generated a brisk primary effector CD8+ T cell response of substantial magnitude that could be readily quantitated with a simple set of four phenotypic markers. Secondly, the vaccine-induced T cell response was highly specific with minimal bystander effects. Thirdly, virus-specific CD8+ T cells passed through an obligate effector phase, contracted more than 90% and gradually differentiated into long-lived memory cells. Finally, these memory cells were highly functional and underwent a memory differentiation program distinct from that described for human CD8+ T cells specific for persistent viruses. These results provide a benchmark for CD8+ T cell responses induced by two of the most effective vaccines ever developed.

Significance The RTS,S malaria vaccine is the most advanced malaria vaccine candidate to be tested in humans. Despite its promise, there is little understanding of its mechanism of action. In this work, we describe the use of a systems biological approach to identify “molecular signatures” that are induced rapidly after the standard RTS,S vaccination regimen, consisting of three RTS,S immunizations, or with a different regimen consisting of a primary immunization with recombinant adenovirus 35 (Ad35) expressing the circumsporozoite malaria antigen followed by two immunizations with RTS,S. These results reveal important insights about the innate and adaptive responses to vaccination and identify signatures of protective immunity against malaria.

Combining immunostimulants in adjuvants can improve the quality of the immune response to vaccines. Here, we report a unique mechanism of molecular and cellular synergy between a TLR4 ligand, 3-O-desacyl-4'-monophosphoryl lipid A (MPL), and a saponin, QS-21, the constituents of the Adjuvant System AS01. AS01 is part of the malaria and herpes zoster vaccine candidates that have demonstrated efficacy in phase III studies. Hours after injection of AS01-adjuvanted vaccine, resident cells, such as NK cells and CD8+ T cells, release IFNγ in the lymph node draining the injection site. This effect results from MPL and QS-21 synergy and is controlled by macrophages, IL-12 and IL-18. Depletion strategies showed that this early IFNγ production was essential for the activation of dendritic cells and the development of Th1 immunity by AS01-adjuvanted vaccine. A similar activation was observed in the lymph node of AS01-injected macaques as well as in the blood of individuals receiving the malaria RTS,S vaccine. This mechanism, previously described for infections, illustrates how adjuvants trigger naturally occurring pathways to improve the efficacy of vaccines.

Adjuvanted soluble protein vaccines have been used extensively in humans for protection against various viral infections based on their robust induction of antibody responses. Here, soluble prefusion-stabilized spike trimers (preS dTM) from the severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) were formulated with the adjuvant AS03 and administered twice to nonhuman primates (NHP). Binding and functional neutralization assays and systems serology revealed that NHP developed AS03-dependent multi-functional humoral responses that targeted multiple spike domains and bound to a variety of antibody FC receptors mediating effector functions in vitro. Pseudovirus and live virus neutralizing IC50 titers were on average greater than 1000 and significantly higher than a panel of human convalescent sera. NHP were challenged intranasally and intratracheally with a high dose (3×106 PFU) of SARS-CoV-2 (USA-WA1/2020 isolate). Two days post-challenge, vaccinated NHP showed rapid control of viral replication in both the upper and lower airways. Notably, vaccinated NHP also had increased spike-specific IgG antibody responses in the lung as early as 2 days post challenge. Moreover, vaccine-induced IgG mediated protection from SARS-CoV-2 challenge following passive transfer to hamsters. These data show that antibodies induced by the AS03-adjuvanted preS dTM vaccine are sufficient to mediate protection against SARS-CoV-2 and support the evaluation of this vaccine in human clinical trials.

Understanding the ability of SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to neutralize and protect against emerging variants of concern and other sarbecoviruses is key for guiding vaccine development decisions and public health policies. We show that a clinical stage multivalent SARS-CoV-2 receptor-binding domain nanoparticle vaccine (SARS-CoV-2 RBD-NP) protects mice from SARS-CoV-2-induced disease after a single shot, indicating that the vaccine could allow dose-sparing. SARS-CoV-2 RBD-NP elicits high antibody titers in two non-human primate (NHP) models against multiple distinct RBD antigenic sites known to be recognized by neutralizing antibodies. We benchmarked NHP serum neutralizing activity elicited by RBD-NP against a lead prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike immunogen using a panel of single-residue spike mutants detected in clinical isolates as well as the B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern. Polyclonal antibodies elicited by both vaccines are resilient to most RBD mutations tested, but the E484K substitution has similar negative consequences for neutralization, and exhibit modest but comparable neutralization breadth against distantly related sarbecoviruses. We demonstrate that mosaic and cocktail sarbecovirus RBD-NPs elicit broad sarbecovirus neutralizing activity, including against the SARS-CoV-2 B.1.351 variant, and protect mice against severe SARS-CoV challenge even in the absence of the SARS-CoV RBD in the vaccine. This study provides proof of principle that sarbecovirus RBD-NPs induce heterotypic protection and enables advancement of broadly protective sarbecovirus vaccines to the clinic.

The development of a portfolio of SARS-CoV-2 vaccines to vaccinate the global population remains an urgent public health imperative. Here, we demonstrate the capacity of a subunit vaccine under clinical development, comprising the SARS-CoV-2 Spike protein receptor-binding domain displayed on a two-component protein nanoparticle (RBD-NP), to stimulate robust and durable neutralizing antibody (nAb) responses and protection against SARS-CoV-2 in non-human primates. We evaluated five different adjuvants combined with RBD-NP including Essai O/W 1849101, a squalene-in-water emulsion; AS03, an alpha-tocopherol-containing squalene-based oil-in-water emulsion used in pandemic influenza vaccines; AS37, a TLR-7 agonist adsorbed to Alum; CpG 1018-Alum (CpG-Alum), a TLR-9 agonist formulated in Alum; or Alum, the most widely used adjuvant. All five adjuvants induced substantial nAb and CD4 T cell responses after two consecutive immunizations. Durable nAb responses were evaluated for RBD-NP/AS03 immunization and the live-virus nAb response was durably maintained up to 154 days post-vaccination. AS03, CpG-Alum, AS37 and Alum groups conferred significant protection against SARS-CoV-2 infection in the pharynges, nares and in the bronchoalveolar lavage. The nAb titers were highly correlated with protection against infection. Furthermore, RBD-NP when used in conjunction with AS03 was as potent as the prefusion stabilized Spike immunogen, HexaPro. Taken together, these data highlight the efficacy of the RBD-NP formulated with clinically relevant adjuvants in promoting robust immunity against SARS-CoV-2 in non-human primates.

Summary Despite the remarkable efficacy of COVID-19 vaccines, waning immunity, and the emergence of SARS-CoV-2 variants such as Omicron represents a major global health challenge. Here we present data from a study in non-human primates demonstrating durable protection against the Omicron BA.1 variant induced by a subunit SARS-CoV-2 vaccine, consisting of RBD (receptor binding domain) on the I53-50 nanoparticle, adjuvanted with AS03, currently in Phase 3 clinical trial ( NCT05007951 ). Vaccination induced robust neutralizing antibody (nAb) titers that were maintained at high levels for at least one year after two doses (Pseudovirus nAb GMT: 2207, Live-virus nAb GMT: 1964) against the ancestral strain, but not against Omicron. However, a booster dose at 6-12 months with RBD-Wu or RBD-β (RBD from the Beta variant) displayed on I53-50 elicited equivalent and remarkably high neutralizing titers against the ancestral as well as the Omicron variant. Furthermore, there were substantial and persistent memory T and B cell responses reactive to Beta and Omicron variants. Importantly, vaccination resulted in protection against Omicron infection in the lung (no detectable virus in any animal) and profound suppression of viral burden in the nares (median peak viral load of 7567 as opposed to 1.3×10 7 copies in unvaccinated animals) at 6 weeks post final booster. Even at 6 months post vaccination, there was significant protection in the lung (with 7 out of 11 animals showing no viral load, 3 out of 11 animals showing ~20-fold lower viral load than unvaccinated controls) and rapid control of virus in the nares. These results highlight the durable cross-protective immunity elicited by the AS03-adjuvanted RBD-I53-50 nanoparticle vaccine platform.