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 The emergence of SARS-CoV-2 has created an international health crisis. Small animal models mirroring SARS-CoV-2 human disease are essential for medical countermeasure (MCM) development. Mice are refractory to SARS-CoV-2 infection due to low affinity binding to the murine angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) protein. Here we evaluated the pathogenesis of SARS-CoV-2 in male and female mice expressing the human ACE2 gene under the control of the keratin 18 promotor. In contrast to non-transgenic mice, intranasal exposure of K18-hACE2 animals to two different doses of SARS-CoV-2 resulted in acute disease including weight loss, lung injury, brain infection and lethality. Vasculitis was the most prominent finding in the lungs of infected mice. Transcriptomic analysis from lungs of infected animals revealed increases in transcripts involved in lung injury and inflammatory cytokines. In the lower dose challenge groups, there was a survival advantage in the female mice with 60% surviving infection whereas all male mice succumbed to disease. Male mice that succumbed to disease had higher levels of inflammatory transcripts compared to female mice. This is the first highly lethal murine infection model for SARS-CoV-2. The K18-hACE2 murine model will be valuable for the study of SARS-CoV-2 pathogenesis and the assessment of MCMs.

Abstract The emergence of SARS-CoV-2 pandemic has highlighted the need for animal models that faithfully recapitulate the salient features of COVID-19 disease in humans; these models are necessary for the rapid down-selection, testing, and evaluation of medical countermeasures. Here we performed a direct comparison of two distinct routes of SARS-CoV-2 exposure, combined intratracheal/intranasal and small particle aerosol, in two nonhuman primate species: rhesus and cynomolgus macaques. While all four experimental groups displayed very few outward clinical signs, evidence of mild to moderate respiratory disease was present on radiographs and at the time of necropsy. Cynomolgus macaques exposed via the aerosol route also developed the most consistent fever responses and had the most severe respiratory disease and pathology. This study demonstrates that while all four models were suitable representations of mild COVID-like illness, aerosol exposure of cynomolgus macaques to SARS-CoV-2 produced the most severe disease, which may provide additional clinical endpoints for evaluating therapeutics and vaccines.

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 Airborne transmission is predicted to be a prevalent route of human exposure with SARS-CoV-2. Aside from African green monkeys, nonhuman primate models that replicate airborne transmission of SARS-CoV-2 have not been investigated. A comprehensive and comparative evaluation of COVID-19 in African green monkeys, rhesus macaques, and cynomolgus macaques following airborne exposure to SARS-CoV-2 was performed to define parameters critical to disease progression and the extent to which they correlate with human COVID-19. Respiratory abnormalities and viral shedding were noted for all animals, indicating successful infection. Cynomolgus macaques developed fever, and thrombocytopenia was measured for African green monkeys and rhesus macaques. Type II pneumocyte hyperplasia and alveolar fibrosis were more frequently observed in lung tissue from cynomolgus macaques and African green monkeys. The data indicate that, in addition to African green monkeys, macaques can be successfully infected by airborne SARS-CoV-2, providing viable macaque natural transmission models for medical countermeasure evaluation. One Sentence Summary Nonhuman primates develop COVID-19 following airborne virus exposure.

Abstract Animal models recapitulating human COVID-19 disease, especially with severe disease, are urgently needed to understand pathogenesis and evaluate candidate vaccines and therapeutics. Here, we develop novel severe disease animal models for COVID-19 involving disruption of adaptive immunity in Syrian hamsters. Cyclophosphamide (CyP) immunosuppressed or RAG2 knockout (KO) hamsters were exposed to SARS-CoV-2 by the respiratory route. Both the CyP-treated and RAG2 KO hamsters developed clinical signs of disease that were more severe than in immunocompetent hamsters, notably weight loss, viral loads, and fatality ( RAG2 KO only). Disease was prolonged in transiently immunosuppressed hamsters and uniformly lethal in RAG2 KO hamsters. We evaluated the protective efficacy of a neutralizing monoclonal antibody and found that pretreatment, even in immunosuppressed animals, limited infection. Our results suggest that functional B and/or T cells are not only important for the clearance of SARS-CoV-2, but also play an early role in protection from acute disease. One Sentence Summary An antibody targeting the spike protein of SARS-CoV-2 limits infection in immunosuppressed Syrian hamster models.

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.

Countermeasures against Zika virus (ZIKV), including vaccines, are frequently tested in nonhuman primates (NHP). Macaque models are important for understanding how ZIKV infections impact human pregnancy due to similarities in placental development. The lack of consistent adverse pregnancy outcomes in ZIKV-affected pregnancies poses a challenge in macaque studies where group sizes are often small (4-8 animals). Studies in small animal models suggest that African-lineage Zika viruses can cause more frequent and severe fetal outcomes. No adverse outcomes were observed in macaques inoculated with a low dose of African-lineage ZIKV at gestational day (GD) 45. Here, we inoculate eight pregnant rhesus macaques with a higher dose of African-lineage ZIKV at GD 45 to test the hypothesis that adverse pregnancy outcomes are dose-dependent. Three of eight pregnancies ended prematurely with fetal death. ZIKV was detected in both fetal and placental tissues from all cases of early fetal loss. Further refinements of this challenge system (e.g., varying the dose and timing of infection) could lead to an even more consistent, unambiguous fetal loss phenotype for assessing ZIKV countermeasures in pregnancy. These data demonstrate that high-dose inoculation with African-lineage ZIKV causes pregnancy loss in macaques and also suggest that ZIKV-induced first trimester pregnancy could be strain-specific.

Abstract Zika virus (ZIKV) can be transmitted vertically from mother to fetus during pregnancy, resulting in a range of outcomes, including severe birth defects and fetal/infant death. Potential pathways of vertical transmission in utero have been proposed but remain undefined. Identifying the timing and routes of vertical transmission of ZIKV may help us identify when interventions would be most effective. Furthermore, understanding what barriers ZIKV overcomes to effect vertical transmission may help improve models for evaluating infection by other pathogens during pregnancy. To determine the pathways of vertical transmission, we inoculated 12 pregnant rhesus macaques with an African-lineage ZIKV at gestational day 30 (term is 165 days). Eight pregnancies were surgically terminated at either seven or 14 days post-maternal infection. Maternal-fetal interface and fetal tissues and fluids were collected and evaluated with RT-qPCR, in situ hybridization for ZIKV RNA, immunohistochemistry, and plaque assays. Four additional pregnant macaques were inoculated and terminally perfused with 4% paraformaldehyde at three, six, nine, or ten days post-maternal inoculation. For these four cases, the entire fixed pregnant uterus was evaluated with in situ hybridization for ZIKV RNA. We determined that ZIKV can reach the MFI by six days post-infection and infect the fetus by ten days. Infection of the chorionic membrane and the extraembryonic coelomic fluid preceded infection of the fetus and the mesenchymal tissue of the placental villi. We did not find evidence to support a transplacental route of ZIKV vertical transmission via infection of syncytiotrophoblasts or villous cytotrophoblasts. The pattern of infection observed in the maternal-fetal interface provides evidence of vertical ZIKV transmission through the fetal membranes. Author’s Summary Zika virus (ZIKV) can be vertically transmitted from mother to fetus during pregnancy resulting in adverse pregnancy outcomes. For vertical transmission to occur, ZIKV must overcome the barriers of the maternal-fetal interface, yet the exact pathway ZIKV takes remains undefined. The maternal-fetal interface consists of the maternal decidua, the placenta, and the fetal membranes. ZIKV could reach the fetus through the placenta if it can infect the layer of cells that are directly exposed to maternal blood. ZIKV could also reach the fetus by infecting the decidua and then the adjacent fetal membranes. To determine the pathways of ZIKV vertical transmission, we infected pregnant macaques and evaluated ZIKV burden in the maternal-fetal interface and fetus shortly after maternal infection. The pattern of infection observed suggests that ZIKV vertically transmits through the fetal membranes, not the placenta. This finding is significant because it challenges the assumption that vertical transmission occurs exclusively across the placenta. By including the fetal membranes in our models of vertical transmission, we can more accurately determine which pathogens can be vertically transmitted. Ultimately, this study demonstrates that fetal membranes are an essential barrier to pathogens that warrant further investigation.

Abstract In the 2016 Zika virus (ZIKV) pandemic, a previously unrecognized risk of birth defects surfaced in babies whose mothers were infected with Asian-lineage ZIKV during pregnancy. Less is known about the impacts of gestational African-lineage ZIKV infections. Given high human immunodeficiency virus (HIV) burdens in regions where African-lineage ZIKV circulates, we evaluated whether pregnant rhesus macaques infected with simian immunodeficiency virus (SIV) have a higher risk of African-lineage ZIKV-associated birth defects. Remarkably, in both SIV+ and SIV-animals, ZIKV infection early in the first trimester caused a high incidence (78%) of spontaneous pregnancy loss within 20 days. These findings suggest a significant risk for early pregnancy loss associated with African-lineage ZIKV infection and provide the first consistent ZIKV-associated phenotype in macaques for testing medical countermeasures.