Dendritic cells (DC) are able to capture, process, and present exogenous Ag to CD8(+) T lymphocytes through MHC class I, a process referred to as cross-presentation. In this study, we demonstrate that CD103(+) (CD11c(high)CD11b(low)) and CD103(-) (CD11c(int)CD11b(high)) DC residing in the lung-draining bronchial lymph node (brLN) have evolved to acquire opposing functions in presenting innocuous inhaled Ag. Thus, under tolerogenic conditions, CD103(-) DC are specialized in presenting innocuous Ag to CD4(+) T cells, whereas CD103(+) DC, which do not express CD8alpha, are specialized in presenting Ag exclusively to CD8(+) T cells. In CCR7-deficient but not in plt/plt mice, Ag-carrying CD103(+) DC are largely absent in the brLN, although CD103(+) DC are present in the lung of CCR7-deficient mice. As a consequence, adoptively transferred CD8(+) T cells can be activated under tolerizing conditions in plt/plt but not in CCR7-deficient mice. These data reveal that CD103(+) brLN DC are specialized in cross-presenting innocuous inhaled Ag in vivo. Because these cells are largely absent in CCR7(-/-) mice, our findings strongly suggest that brLN CD103(+) DC are lung-derived and that expression of CCR7 is required for their migration from the lung into its draining lymph node.

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.

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 A productive HIV-1 infection in humans is often established by transmission and propagation of a single transmitted/founder (T/F) virus, which then evolves into a complex mixture of variants during the lifetime of infection. An effective HIV-1 vaccine should elicit broad immune responses in order to block the entry of diverse T/F viruses. Currently, no such vaccine exists. An in-depth study of escape variants emerging under host immune pressure during very early stages of infection might provide insights into such a HIV-1 vaccine design. Here, in a rare longitudinal study involving HIV-1 infected individuals just days after infection in the absence of antiretroviral therapy, we discovered a remarkable genetic shift that resulted in near complete disappearance of the original T/F virus and appearance of a variant with H173Y mutation in the variable V2 domain of the HIV-1 envelope protein. This coincided with the disappearance of the first wave of strictly H173-specific antibodies and emergence of a second wave of Y173-specific antibodies with increased breadth. Structural analyses indicated conformational dynamism of the envelope protein which likely allowed selection of escape variants with a conformational switch in the V2 domain from an α-helix (H173) to a β-strand (Y173) and induction of broadly reactive antibody responses. This differential breadth due to a single mutational change was also recapitulated in a mouse model. Rationally designed combinatorial libraries containing 54 conformational variants of V2 domain around position 173 further demonstrated increased breadth of antibody responses elicited to diverse HIV-1 envelope proteins. These results offer new insights into designing broadly effective HIV-1 vaccines.

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.

Abstract The TNF family member LIGHT (TNFSF14) binds to two receptors, HVEM (TNFSFR14) and LTβR (TNFSFR3). HVEM functions as a costimulatory molecule, whereas LTβR is involved in the development of lymph nodes and ectopic tertiary lymphoid structures at chronic inflammation sites. The classical approach of fusing soluble recombinant proteins to the Fc fragment of IgG resulted in a functionally inactive Ig.mouse (m) LIGHT protein. However, in line with the fact that TNF family members cluster receptors as trimers, addition of a small homotrimeric domain (foldon) N-terminal of mLIGHT produced an active Ig.Foldon-mLIGHT protein able to bind and engage HVEM and LTβR in a reporter cell-based bioassay. In the tumor model of B16.F10 melanoma cells implanted into syngeneic recipients, cells transduced with membrane-bound mLIGHT grew as aggressively as mock-transduced cells, but growth of tumors of B16.F10 cells expressing Ig.Foldon-mLIGHT was delayed and characterized by significant immune cell infiltration. This work unveils the potential of active soluble LIGHT, as a single agent, to recruit cytotoxic cells and dendritic cells at the tumor site to inhibit tumor growth. This effect may be further enhanced with immune checkpoint blockade therapies.

Abstract Secondary bacterial infection, often caused by Streptococcus pneumoniae (Spn), is one of the most frequent and severe complications of influenza A virus (IAV)-induced pneumonia. Phenotyping of the pulmonary innate immune landscape after IAV infection revealed a significant depletion of the tissue-resident alveolar macrophage (TR-AM) population at day 7, which was associated with increased susceptibility to Spn outgrowth. To elucidate the molecular mechanisms underlying TR-AM depletion, and to define putative targets for treatment, we combined single-cell transcriptomics and cell-specific PCR profiling in an unbiased manner, using in vivo models of IAV infection and IAV/Spn co-infection. The TNF superfamily 14 (TNFSF14) ligand-receptor axis was revealed as the driving force behind post-influenza TR-AM death during the early infection phase, enabling the transition to pneumococcal pneumonia, while intrapulmonary transfer of genetically modified TR-AMs and antibody-mediated neutralization of specific pathway components alleviated disease severity. With a mainly neutrophilic expression and a high abundance in the bronchoalveolar fluid (BALF) of patients with severe virus-induced ARDS, TNFSF14 emerged as a novel determinant of virus-driven lung injury. Targeting the TNFSF14-mediated intercellular communication network in the virus-infected lung can, therefore, improve host defense, minimizing the risk of subsequent bacterial pneumonia, and ameliorating disease outcome.