SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines are about 95% effective in preventing COVID-191–5. The dynamics of antibody-secreting plasmablasts and germinal centre B cells induced by these vaccines in humans remain unclear. Here we examined antigen-specific B cell responses in peripheral blood (n = 41) and draining lymph nodes in 14 individuals who had received 2 doses of BNT162b2, an mRNA-based vaccine that encodes the full-length SARS-CoV-2 spike (S) gene1. Circulating IgG- and IgA-secreting plasmablasts that target the S protein peaked one week after the second immunization and then declined, becoming undetectable three weeks later. These plasmablast responses preceded maximal levels of serum anti-S binding and neutralizing antibodies to an early circulating SARS-CoV-2 strain as well as emerging variants, especially in individuals who had previously been infected with SARS-CoV-2 (who produced the most robust serological responses). By examining fine needle aspirates of draining axillary lymph nodes, we identified germinal centre B cells that bound S protein in all participants who were sampled after primary immunization. High frequencies of S-binding germinal centre B cells and plasmablasts were sustained in these draining lymph nodes for at least 12 weeks after the booster immunization. S-binding monoclonal antibodies derived from germinal centre B cells predominantly targeted the receptor-binding domain of the S protein, and fewer clones bound to the N-terminal domain or to epitopes shared with the S proteins of the human betacoronaviruses OC43 and HKU1. These latter cross-reactive B cell clones had higher levels of somatic hypermutation as compared to those that recognized only the SARS-CoV-2 S protein, which suggests a memory B cell origin. Our studies demonstrate that SARS-CoV-2 mRNA-based vaccination of humans induces a persistent germinal centre B cell response, which enables the generation of robust humoral immunity. Analysis of antigen-specific B cells in lymph nodes of individuals vaccinated with BNT162b2 reveals lasting germinal centre responses, explaining the robust humoral immunity induced by SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines.

Long-lived bone marrow plasma cells (BMPCs) are a persistent and essential source of protective antibodies1–7. Individuals who have recovered from COVID-19 have a substantially lower risk of reinfection with SARS-CoV-28–10. Nonetheless, it has been reported that levels of anti-SARS-CoV-2 serum antibodies decrease rapidly in the first few months after infection, raising concerns that long-lived BMPCs may not be generated and humoral immunity against SARS-CoV-2 may be short-lived11–13. Here we show that in convalescent individuals who had experienced mild SARS-CoV-2 infections (n = 77), levels of serum anti-SARS-CoV-2 spike protein (S) antibodies declined rapidly in the first 4 months after infection and then more gradually over the following 7 months, remaining detectable at least 11 months after infection. Anti-S antibody titres correlated with the frequency of S-specific plasma cells in bone marrow aspirates from 18 individuals who had recovered from COVID-19 at 7 to 8 months after infection. S-specific BMPCs were not detected in aspirates from 11 healthy individuals with no history of SARS-CoV-2 infection. We show that S-binding BMPCs are quiescent, which suggests that they are part of a stable compartment. Consistently, circulating resting memory B cells directed against SARS-CoV-2 S were detected in the convalescent individuals. Overall, our results indicate that mild infection with SARS-CoV-2 induces robust antigen-specific, long-lived humoral immune memory in humans. SARS-CoV-2 infection induces long-lived bone marrow plasma cells that correlate with anti-SARS-CoV-2 spike protein antibody titres in individuals who have recovered from COVID-19.

Summary SARS-CoV-2 mRNA vaccines induce robust anti-spike (S) antibody and CD4+ T cell responses. It is not yet clear whether vaccine-induced follicular helper CD4+ T (TFH) cell responses contribute to this outstanding immunogenicity. Using fine needle aspiration of draining axillary lymph nodes from individuals who received the BNT162b2 mRNA vaccine, we show that frequency of TFH correlates with that of S-binding germinal center B cells. Mining of the responding TFH T cell receptor repertoire revealed a strikingly immunodominant HLADPB1* 04-restricted response to S167-180 in individuals with this allele, which is among the most common HLA alleles in humans. Paired blood and lymph node specimens show that while circulating S-specific TFH cells peak one week after the second immunization, S-specific TFH persist at nearly constant frequencies for at least six months. Collectively, our results underscore the key role that robust TFH cell responses play in establishing long-term immunity by this efficacious human vaccine.

Germinal centres (GC) are lymphoid structures where vaccine-responding B cells acquire affinity-enhancing somatic hypermutations (SHM), with surviving clones differentiating into memory B cells (MBCs) and long-lived bone marrow plasma cells (BMPCs)