The rapid spread of the highly contagious Omicron variant of SARS-CoV-2 along with its high number of mutations in the spike gene has raised alarm about the effectiveness of current medical countermeasures. To address this concern, we measured neutralizing antibodies against Omicron in three important settings: (1) post-vaccination sera after two and three immunizations with the Pfizer/BNT162b2 vaccine, (2) convalescent sera from unvaccinated individuals infected by different variants, and (3) clinical-stage therapeutic antibodies. Using a pseudovirus neutralization assay, we found that titers against Omicron were low or undetectable after two immunizations and in most convalescent sera. A booster vaccination significantly increased titers against Omicron to levels comparable to those seen against the ancestral (D614G) variant after two immunizations. Neither age nor sex were associated with differences in post-vaccination antibody responses. Only three of 24 therapeutic antibodies tested retained their full potency against Omicron and high-level resistance was seen against fifteen. These findings underscore the potential benefit of booster mRNA vaccines for protection against Omicron and the need for additional therapeutic antibodies that are more robust to highly mutated variants.Third dose of Pfizer/BioNTech COVID-19 vaccine significantly boosts neutralizing antibodies to the Omicron variant compared to a second dose, while neutralization of Omicron by convalescent sera, two-dose vaccine-elicited sera, or therapeutic antibodies is variable and often low.

Summary The rapid emergence of new SARS-CoV-2 variants challenges vaccination strategies. Here, we measured antigenic diversity among variants and interpreted neutralizing antibody responses following single and multiple exposures in longitudinal infection and vaccine cohorts. Antigenic cartography using primary infection antisera showed that BA.2, BA.4/BA.5, and BA.2.12.1 are distinct from BA.1 and closer to the Beta cluster. Three doses of an mRNA COVID-19 vaccine increased breadth to BA.1 more than to BA.4/BA.5 or BA.2.12.1. Omicron BA.1 post-vaccination infection elicited antibody landscapes characterized by broader immunity across antigenic space than three doses alone, although with less breadth than expected to BA.2.12.1 and BA.4/BA.5. Those with Omicron BA.1 infection after two or three vaccinations had similar neutralizing titer magnitude and antigenic breadth. Accounting for antigenic differences among variants of concern when interpreting neutralizing antibody titers aids understanding of complex patterns in humoral immunity and informs selection of future COVID-19 vaccine strains.

Abstract Background Characterizing the longevity and quality of cellular immune responses to SARS-CoV-2 is critical to understanding immunologic approaches to protection against COVID-19. Prior studies suggest SARS-CoV-2-specific T cells are present in peripheral blood 10 months after infection. Further analysis of the function, durability, and diversity of the cellular response long after natural infection, over a wider range of ages and disease phenotypes, is needed to further identify preventative and therapeutic interventions. Methods We identified participants in our multi-site longitudinal, prospective cohort study 12-months post SARS-CoV-2 infection representing a range of disease severity. We investigated the function, phenotypes, and frequency of T cells specific for SARS-CoV-2 using intracellular cytokine staining and spectral flow cytometry. In parallel, the magnitude of SARS-CoV-2-specific antibodies was compared. Results SARS-CoV-2-specific antibodies and T cells were detected at 12-months post-infection. Severity of acute illness was associated with higher frequencies of SARS-CoV-2-specific CD4 T cells and antibodies at 12-months. In contrast, polyfunctional and cytotoxic T cells responsive to SARS-CoV-2 were identified in participants over a wide spectrum of disease severity. Conclusions Our data show that SARS-CoV-2 infection induces polyfunctional memory T cells detectable at 12-months post-infection, with higher frequency noted in those who originally experienced severe disease.

Abstract Background Post-COVID conditions (PCC) are difficult to characterize, diagnose, predict, and treat due to overlapping symptoms and poorly understood pathology. Identifying inflammatory profiles may improve clinical prognostication and trial endpoints. Methods 1,988 SARS-CoV-2 positive U.S. Military Health System beneficiaries with quantitative post-COVID symptom scores were included in this analysis. Among participants who reported moderate-to-severe symptoms on surveys collected 6-months post-SARS-CoV-2 infection, principal component analysis (PCA) followed by K-means clustering identified distinct clusters of symptoms. Results Three symptom-based clusters were identified: a sensory cluster (loss of smell and/or taste), a fatigue/difficulty thinking cluster, and a difficulty breathing/exercise intolerance cluster. Individuals within the sensory cluster were all outpatients during their initial COVID-19 presentation. The difficulty breathing cluster had a higher likelihood of obesity and COVID-19 hospitalization compared to those with no/mild symptoms at 6-months post-infection. Multinomial regression linked early post-infection D-dimer and IL-1RA elevation to fatigue/difficulty thinking, and elevated ICAM-1 concentrations to sensory symptoms. Conclusions We identified three distinct symptom-based PCC phenotypes with specific clinical risk factors and early post-infection inflammatory predictors. With further validation and characterization, this framework may allow more precise classification of PCC cases and potentially improve the diagnosis, prognostication, and treatment of PCC.

Lethal COVID-19 causation most often invokes classic cytokine storm and attendant excessive immune signaling. We re-visit this question using RNA sequencing in nasopharyngeal and 40 autopsy samples from both COVID-19-positive and negative individuals. In nasal swabs, the top 100 genes expressed, and significantly correlated with COVID-19 viral load, indeed include many canonical innate immune genes. However, 22 much less studied "non-canonical" genes are found and despite the absence of viral transcripts, subsets of these are upregulated in heart, lung, kidney, and liver, but not mediastinal lymph nodes. An important regulatory potential emerges for the non-canonical genes for over-activating the renin-angiotensin-activation-system (RAAS) pathway, resembling this phenomenon in hereditary angioedema (HAE) and its overlapping multiple features with lethal COVID-19 infections. Specifically, RAAS overactivation links increased fibrin deposition, leaky vessels, thrombotic tendency, and initiating the PANoptosis death pathway, as suggested in heart, lung, and especially mediastinal lymph nodes, and a tight association mitochondrial dysfunction linked to immune responses. For mediastinal lymph nodes, immunohistochemistry studies correlate showing abnormal architecture, excess fibrin and collagen deposition, and pathogenic fibroblasts. Further, our findings overlap these for COVID-19 infected hamsters, C57BL/6 and BALB/c mouse models, and importantly peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and whole blood samples from COVID-19 patients infected with early alpha but also later COVID-19 omicron strains. We thus present cytokine storm in lethal COVID-19 disease as an interplay between upstream immune gene signaling producing downstream RAAS overactivation with resultant severe organ damage, especially compromising mediastinal lymph node function.

Abstract Antigenic assessments of SARS-CoV-2 variants inform decisions to update COVID-19 vaccines. Primary infection sera are often used for assessments, but such sera are rare due to population immunity from SARS-CoV-2 infections and COVID-19 vaccinations. Here, we show that neutralization titers and breadth of matched human and hamster pre-Omicron variant primary infection sera correlate well and generate similar antigenic maps. The hamster antigenic map shows modest antigenic drift among XBB sub-lineage variants, with JN.1 and BA.4/BA.5 variants within the XBB cluster, but with five to six-fold antigenic differences between these variants and XBB.1.5. Compared to sera following only ancestral or bivalent COVID-19 vaccinations, or with post-vaccination infections, XBB.1.5 booster sera had the broadest neutralization against XBB sub-lineage variants, although a five-fold titer difference was still observed between JN.1 and XBB.1.5 variants. These findings suggest that antibody coverage of antigenically divergent JN.1 could be improved with a matched vaccine antigen.