Despite more than two decades of research and development on nucleic acid vaccines, there is still no commercial product for human use. Taking advantage of the recent innovations in systemic delivery of short interfering RNA (siRNA) using lipid nanoparticles (LNPs), we developed a self-amplifying RNA vaccine. Here we show that nonviral delivery of a 9-kb self-amplifying RNA encapsulated within an LNP substantially increased immunogenicity compared with delivery of unformulated RNA. This unique vaccine technology was found to elicit broad, potent, and protective immune responses, that were comparable to a viral delivery technology, but without the inherent limitations of viral vectors. Given the many positive attributes of nucleic acid vaccines, our results suggest that a comprehensive evaluation of nonviral technologies to deliver self-amplifying RNA vaccines is warranted.

Many currently used and candidate vaccine adjuvants are particulate in nature, but their mechanism of action is not well understood. Here, we show that particulate adjuvants, including biodegradable poly(lactide-co-glycolide) (PLG) and polystyrene microparticles, dramatically enhance secretion of interleukin-1beta (IL-1beta) by dendritic cells (DCs). The ability of particulates to promote IL-1beta secretion and caspase 1 activation required particle uptake by DCs and NALP3. Uptake of microparticles induced lysosomal damage, whereas particle-mediated enhancement of IL-1beta secretion required phagosomal acidification and the lysosomal cysteine protease cathepsin B, suggesting a role for lysosomal damage in inflammasome activation. Although the presence of a Toll-like receptor (TLR) agonist was required to induce IL-1beta production in vitro, injection of the adjuvants in the absence of TLR agonists induced IL-1beta production at the injection site, indicating that endogenous factors can synergize with particulates to promote inflammasome activation. The enhancement of antigen-specific antibody production by PLG microparticles was independent of NALP3. However, the ability of PLG microparticles to promote antigen-specific IL-6 production by T cells and the recruitment and activation of a population of CD11b(+)Gr1(-) cells required NALP3. Our data demonstrate that uptake of microparticulate adjuvants by DCs activates the NALP3 inflammasome, and this contributes to their enhancing effects on innate and antigen-specific cellular immunity.

An approach involving the preparation of biodegradable microparticles with a cationic surface was developed to improve the delivery of adsorbed DNA into antigen-presenting cells after i.m. injection. The microparticles released intact and functional DNA over 2 weeks in vitro . In addition, the microparticles induced higher levels of marker gene expression in vivo . After i.m. immunization, the microparticles induced significantly enhanced serum antibody responses in comparison to naked DNA. Moreover, the level of antibodies induced by the microparticles was significantly enhanced by the addition of a vaccine adjuvant, aluminum phosphate. In addition, in contrast to naked DNA, the cationic microparticles induced potent cytotoxic T lymphocyte responses at a low dose.

Oil-in-water emulsions are potent human adjuvants used for effective pandemic influenza vaccines; however, their mechanism of action is still unknown. By combining microarray and immunofluorescence analysis, we monitored the effects of the adjuvants MF59 oil-in-water emulsion, CpG, and alum in the mouse muscle. MF59 induced a time-dependent change in the expression of 891 genes, whereas CpG and alum regulated 387 and 312 genes, respectively. All adjuvants modulated a common set of 168 genes and promoted antigen-presenting cell recruitment. MF59 was the stronger inducer of cytokines, cytokine receptors, adhesion molecules involved in leukocyte migration, and antigen-presentation genes. In addition, MF59 triggered a more rapid influx of CD11b+ blood cells compared with other adjuvants. The early biomarkers selected by microarray, JunB and Ptx3, were used to identify skeletal muscle as a direct target of MF59. We propose that oil-in-water emulsions are the most efficient human vaccine adjuvants, because they induce an early and strong immunocompetent environment at the injection site by targeting muscle cells.

Understanding the ability of SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to neutralize and protect against emerging variants of concern and other sarbecoviruses is key for guiding vaccine development decisions and public health policies. We show that a clinical stage multivalent SARS-CoV-2 receptor-binding domain nanoparticle vaccine (SARS-CoV-2 RBD-NP) protects mice from SARS-CoV-2-induced disease after a single shot, indicating that the vaccine could allow dose-sparing. SARS-CoV-2 RBD-NP elicits high antibody titers in two non-human primate (NHP) models against multiple distinct RBD antigenic sites known to be recognized by neutralizing antibodies. We benchmarked NHP serum neutralizing activity elicited by RBD-NP against a lead prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike immunogen using a panel of single-residue spike mutants detected in clinical isolates as well as the B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern. Polyclonal antibodies elicited by both vaccines are resilient to most RBD mutations tested, but the E484K substitution has similar negative consequences for neutralization, and exhibit modest but comparable neutralization breadth against distantly related sarbecoviruses. We demonstrate that mosaic and cocktail sarbecovirus RBD-NPs elicit broad sarbecovirus neutralizing activity, including against the SARS-CoV-2 B.1.351 variant, and protect mice against severe SARS-CoV challenge even in the absence of the SARS-CoV RBD in the vaccine. This study provides proof of principle that sarbecovirus RBD-NPs induce heterotypic protection and enables advancement of broadly protective sarbecovirus vaccines to the clinic.

The development of a portfolio of SARS-CoV-2 vaccines to vaccinate the global population remains an urgent public health imperative. Here, we demonstrate the capacity of a subunit vaccine under clinical development, comprising the SARS-CoV-2 Spike protein receptor-binding domain displayed on a two-component protein nanoparticle (RBD-NP), to stimulate robust and durable neutralizing antibody (nAb) responses and protection against SARS-CoV-2 in non-human primates. We evaluated five different adjuvants combined with RBD-NP including Essai O/W 1849101, a squalene-in-water emulsion; AS03, an alpha-tocopherol-containing squalene-based oil-in-water emulsion used in pandemic influenza vaccines; AS37, a TLR-7 agonist adsorbed to Alum; CpG 1018-Alum (CpG-Alum), a TLR-9 agonist formulated in Alum; or Alum, the most widely used adjuvant. All five adjuvants induced substantial nAb and CD4 T cell responses after two consecutive immunizations. Durable nAb responses were evaluated for RBD-NP/AS03 immunization and the live-virus nAb response was durably maintained up to 154 days post-vaccination. AS03, CpG-Alum, AS37 and Alum groups conferred significant protection against SARS-CoV-2 infection in the pharynges, nares and in the bronchoalveolar lavage. The nAb titers were highly correlated with protection against infection. Furthermore, RBD-NP when used in conjunction with AS03 was as potent as the prefusion stabilized Spike immunogen, HexaPro. Taken together, these data highlight the efficacy of the RBD-NP formulated with clinically relevant adjuvants in promoting robust immunity against SARS-CoV-2 in non-human primates.

Summary Despite the remarkable efficacy of COVID-19 vaccines, waning immunity, and the emergence of SARS-CoV-2 variants such as Omicron represents a major global health challenge. Here we present data from a study in non-human primates demonstrating durable protection against the Omicron BA.1 variant induced by a subunit SARS-CoV-2 vaccine, consisting of RBD (receptor binding domain) on the I53-50 nanoparticle, adjuvanted with AS03, currently in Phase 3 clinical trial ( NCT05007951 ). Vaccination induced robust neutralizing antibody (nAb) titers that were maintained at high levels for at least one year after two doses (Pseudovirus nAb GMT: 2207, Live-virus nAb GMT: 1964) against the ancestral strain, but not against Omicron. However, a booster dose at 6-12 months with RBD-Wu or RBD-β (RBD from the Beta variant) displayed on I53-50 elicited equivalent and remarkably high neutralizing titers against the ancestral as well as the Omicron variant. Furthermore, there were substantial and persistent memory T and B cell responses reactive to Beta and Omicron variants. Importantly, vaccination resulted in protection against Omicron infection in the lung (no detectable virus in any animal) and profound suppression of viral burden in the nares (median peak viral load of 7567 as opposed to 1.3×10 7 copies in unvaccinated animals) at 6 weeks post final booster. Even at 6 months post vaccination, there was significant protection in the lung (with 7 out of 11 animals showing no viral load, 3 out of 11 animals showing ~20-fold lower viral load than unvaccinated controls) and rapid control of virus in the nares. These results highlight the durable cross-protective immunity elicited by the AS03-adjuvanted RBD-I53-50 nanoparticle vaccine platform.

The rapid emergence of SARS-CoV-2 variants that evade immunity to vaccination has placed a global health imperative on the development of therapeutic countermeasures that provide broad protection against SARS-CoV-2 and related sarbecoviruses. Here, we identified extremely potent pan-sarbecovirus antibodies from non-human primates vaccinated with an AS03 adjuvanted subunit vaccine against SARS-CoV-2 that recognize conserved epitopes in the receptor binding domain (RBD) with femtomolar affinities. Longitudinal analysis revealed progressive accumulation of somatic mutation in the immunoglobulin genes of antigen-specific memory B cells for at least one year following primary vaccination. 514 monoclonal antibodies (mAbs) were generated from antigen-specific memory B cells. Antibodies isolated at 5 to 12 months following vaccination displayed greater potency and breadth, relative to those identified at 1.4 months. Notably, 15 out of 338 (∼4.4%) antibodies isolated at 1.4∼6 months after the primary vaccination showed extraordinary neutralization potency against SARS-CoV-2 omicron BA.1, despite the absence of BA.1 neutralization in serum. Two of them, 25F9 and 20A7, neutralized authentic clade Ia sarbecoviruses (SARS-CoV, WIV-1, SHC014) and clade Ib sarbecoviruses (SARS-CoV-2 D614G, SARS-CoV-2 BA.1, Pangolin-GD) with half-maximal inhibition concentrations of (0.85 ng/ml, 3 ng/ml, 6 ng/ml, 6 ng/ml, 42 ng/ml, 6 ng/ml) and (13 ng/ml, 2 ng/ml, 18 ng/ml, 9 ng/ml, 6 ng/ml, 345 ng/ml), respectively. Furthermore, 20A7 and 27A12 showed potent neutralization against all SARS-CoV-2 variants of concern and multiple Omicron sublineages, including BA.1, BA.2, BA.3, BA.4/5, BQ.1, BQ.1.1 and XBB variants. X-ray crystallography studies revealed the molecular basis of broad and potent neutralization through targeting conserved RBD sites. In vivo prophylactic protection of 25F9, 20A7 and 27A12 was confirmed in aged Balb/c mice. Notably, administration of 25F9 provided complete protection against SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 BA.1, SARS-CoV, and SHC014 challenge, underscoring that these mAbs are promising pan-sarbecovirus therapeutic antibodies.Extremely potent pan-sarbecovirus neutralizing antibodies.