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.

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.

ABSTRACT Eastern equine encephalitis virus (EEEV) is mosquito-borne virus that produces fatal encephalitis in humans. We recently conducted a first of its kind study to investigate EEEV clinical disease course following aerosol challenge in a cynomolgus macaque model utilizing the state of the art telemetry to measure critical physiological parameters. Following challenge, all parameters were rapidly and profoundly altered, and all nonhuman primates (NHPs) met the euthanasia criteria. In this study, we performed the first comprehensive pathology investigation of tissues collected at euthanasia to gain insights into EEEV pathogenesis. Viral RNA and proteins as well as microscopic lesions were absent in the visceral organs. In contrast, viral RNA and proteins were readily detected throughout the brain including autonomic nervous system (ANS) control centers and spinal cord. However, despite presence of viral RNA and proteins, majority of the brain and spinal cord tissues exhibited minimal or no microscopic lesions. The virus tropism was restricted primarily to neurons, and virus particles (~61-68 nm) were present within axons of neurons and throughout the extracellular spaces. However, active virus replication was absent or minimal in majority of the brain and was limited to regions proximal to the olfactory tract. These data suggest that EEEV initially replicates in/near the olfactory bulb following aerosol challenge and is rapidly transported to distal regions of the brain by exploiting the neuronal axonal transport system to facilitate neuron-to-neuron spread. Once within the brain, the virus gains access to the ANS control centers likely leading to disruption and/or dysregulation of critical physiological parameters to produce severe disease. Moreover, the absence of microscopic lesions strongly suggests that the underlying mechanism of EEEV pathogenesis is due to neuronal dysfunction rather than neuronal death. This study is the first comprehensive investigation of EEEV clinical disease course and pathogenesis in a NHP model and will provide significant insights into the evaluation of countermeasure. Author Summary EEEV is an arbovirus endemic in parts of North America and is able to produce fatal encephalitis in humans and domesticated animals. Despite multiple human outbreaks during the last 80 years, there are still no therapeutic or vaccines to treat or prevent human disease. One critical obstacle in the development of effective countermeasure is the lack of insights into EEEV pathogenesis in a susceptible animal host. We recently conducted a study in cynomolgus macaques to investigate the disease course by measuring clinical parameters relevant to humans. Following infection, these parameters were rapidly and profoundly altered leading to severe disease. In this study, we examined the potential mechanisms that underlie pathogenesis to cause severe disease. The virus was present in many parts of the brain and spinal cord, however, little or no pathological lesions as well as active virus replication were observed. Additionally, neurons were the predominant target of EEEV and virus transport was facilitated by axonal transport system to spread neuron-to-neuron throughout the brain and spinal cord. These data show that EEEV likely hijacks host cell transport system to rapidly spread in the brain and local/global neuronal dysfunction rather than death is the principal cause of severe disease.