Abstract Multivalent antigen display is a well-established principle to enhance humoral immunity. Protein-based virus-like particles (VLPs) are commonly used to spatially organize antigens. However, protein-based VLPs are limited in their ability to control valency on fixed scaffold geometries and are thymus-dependent antigens that elicit neutralizing B cell memory themselves, which can distract immune responses. Here, we investigated DNA origami as an alternative material for multivalent antigen display in vivo, applied to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 that is the primary antigenic target of neutralizing antibody responses. Icosahedral DNA-VLPs elicited neutralizing antibodies to SARS-CoV-2 in a valency-dependent manner following sequential immunization in mice, quantified by pseudo-and live-virus neutralization assays. Further, induction of B cell memory against the RBD required T cell help, but the immune sera did not contain boosted, class-switched antibodies against the DNA scaffold. This contrasted with protein-based VLP display of the RBD that elicited B cell memory against both the target antigen and the scaffold. Thus, DNA-based VLPs enhance target antigen immunogenicity without generating off-target, scaffold-directed immune memory, thereby offering a potentially important alternative material for particulate vaccine design.

Abstract Adoptive T cell therapies are transforming the treatment of solid and liquid tumors, yet their widespread adoption is limited in part by the challenge of generating functional cells. T cell activation and expansion using conventional antigen-presenting cells (APCs) is unreliable due to the variable quality of donor-derived APCs. As a result, engineered approaches using nanomaterials presenting T cell activation signals are a promising alternative due to their ability to be robustly manufactured with precise control over stimulation cues. In this work, we design synthetic APCs that consist of liposomes surface-functionalized with peptide-major histocompatibility complexes (pMHC). Synthetic APCs selectively target and activate antigen-specific T cell populations to levels similar to conventional protocols using non-specific αCD3 and αCD28 antibodies without the need for costimulation signals. T cells treated with synthetic APCs produce effector cytokines and demonstrate cytotoxic activity when co-cultured with tumor cells presenting target antigen in vitro . Following adoptive transfer into tumor-bearing mice, activated cells control tumor growth and improve overall survival compared to untreated mice. Synthetic APCs could potentially be used in the future to improve the accessibility of adoptive T cell therapies by removing the need for conventional APCs during manufacturing.

"Extended priming" immunization regimens that prolong exposure of the immune system to vaccines during the primary immune response have shown promise in enhancing humoral immune responses to a variety of subunit vaccines in preclinical models. We previously showed that escalating-dosing immunization (EDI), where a vaccine is dosed every other day in an increasing pattern over 2 weeks dramatically amplifies humoral immune responses. But such a dosing regimen is impractical for prophylactic vaccines. We hypothesized that simpler dosing regimens might replicate key elements of the immune response triggered by EDI. Here we explored "reduced ED" immunization regimens, assessing the impact of varying the number of injections, dose levels, and dosing intervals during EDI. Using a stabilized HIV Env trimer as a model antigen combined with a potent saponin adjuvant, we found that a two-shot extended-prime regimen consisting of immunization with 20% of a given vaccine dose followed by a second shot with the remaining 80% of the dose 7 days later resulted in increased total GC B cells, 5-10-fold increased frequencies of antigen-specific GC B cells, and 10-fold increases in serum antibody titers compared to single bolus immunization. Computational modeling of the GC response suggested that this enhanced response is mediated by antigen delivered in the second dose being captured more efficiently as immune complexes in follicles, predictions we verified experimentally. Our computational and experimental results also highlight how properly designed reduced ED protocols enhance activation and antigen loading of dendritic cells and activation of T helper cells to amplify humoral responses. These results suggest that a two-shot priming approach can be used to substantially enhance responses to subunit vaccines.