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 Potent cellular responses to viral infections are pivotal for long -lived protection. Evidence is growing that these responses are critical in SARS -CoV-2 immunity. Assessment of a SARS -CoV-2 spike ferritin nanoparticle (SpFN) immunogen paired with two distinct adjuvants, Alhydrogel® (AH) or Army Liposome Formulation containing QS-21 (ALFQ) demonstrated unique vaccine evoked immune signatures. SpFN+ALFQ enhanced recruitment of highly activated classical and non -classical antigen presenting cells (APCs) to the vaccine-draining lymph nodes of mice. The multifaceted APC response of SpFN+ALFQ vaccinated mice was associated with an increased frequency of polyfunctional spike -specific T cells with a bias towards T H 1 responses and more robust SARS-CoV-2 spike-specific recall response. In addition, SpFN+ALFQ induced K b spike (539-546) -specific memory CD8 + T cells with effective cytolytic function and distribution to the lungs. This epitope is also present in SARS-CoV, thus suggesting that generation of cross-reactive T cells may provide protection against other coronavirus strains. Our study reveals that a nanoparticle vaccine, combined with a potent adjuvant, generates effective SARS-CoV-2 specific innate and adaptive immune T cell responses that are key components to inducing long-lived immunity. One Sentence Summary SpFN vaccine generates multifactorial cellular immune responses.

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.

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.