SARS-CoV-2 variants of concern (VoCs) are impacting responses to the COVID-19 pandemic. Here we present a comparison of the SARS-CoV-2 USA-WA1/2020 (WA-1) strain with B.1.1.7 and B.1.351 VoCs and identify significant differences in viral propagation in vitro and pathogenicity in vivo using K18-hACE2 transgenic mice. Passive immunization with plasma from an early pandemic SARS-CoV-2 patient resulted in significant differences in the outcome of VoC-infected mice. WA-1-infected mice were protected by plasma, B.1.1.7-infected mice were partially protected, and B.1.351-infected mice were not protected. Serological correlates of disease were different between VoC-infected mice, with B.1.351 triggering significantly altered cytokine profiles than other strains. In this study, we defined infectivity and immune responses triggered by VoCs and observed that early 2020 SARS-CoV-2 human immune plasma was insufficient to protect against challenge with B.1.1.7 and B.1.351 in the mouse model.

Abstract The COVID-19 pandemic has been fueled by novel variants of concern (VOC) that have increased transmissibility, receptor binding affinity, and other properties that enhance disease. The goal of this study is to characterize unique pathogenesis of the Delta VOC strain in the K18-hACE2-mouse challenge model. Challenge studies suggested that the lethal dose of Delta was higher than Alpha or Beta strains. To characterize the differences in the Delta strain’s pathogenesis, a time-course experiment was performed to evaluate the overall host response to Alpha or Delta variant challenge. qRT-PCR analysis of Alpha- or Delta- challenged mice revealed no significant difference between viral RNA burden in the lung, nasal wash or brain. However, histopathological analysis revealed high lung tissue inflammation and cell infiltration following Delta- but not Alpha-challenge at day 6. Additionally, pro-inflammatory cytokines were highest at day 6 in Delta-challenged mice suggesting enhanced pneumonia. Total RNA-sequencing analysis of lungs comparing infected to uninfected mice revealed that Alpha-challenged mice have more total genes differentially activated, conversely, Delta-challenged mice have a higher magnitude of differential gene expression. Delta-challenged mice have increased interferon-dependent gene expression and IFN-γ production compared to Alpha. Analysis of TCR clonotypes suggested that Delta challenged mice have increased T-cell infiltration compared to Alpha challenged. Our data suggest that Delta has evolved to engage interferon responses in a manner that may enhance pathogenesis. The in vivo and in silico observations of this study underscore the need to conduct experiments with VOC strains to best model COVID-19 when evaluating therapeutics and vaccines. Importance The Delta variant of SARS-CoV-2 is known to be more transmissible and cause severe disease in human hosts due to mutations in its genome that are divergent from previous variants of concern (VOC). Our study evaluates the pathogenesis of Delta in the K18-hACE2 mouse model compared to the Alpha VOC. We observed that relative to Alpha, Delta challenge results in enhanced inflammation and tissue damage with stronger antiviral responses. These observations provide insight into Delta’s unique pathogenesis.

Abstract Bordetella pertussis ( Bp ) is a highly contagious bacterium that is the causative agent of whooping cough (pertussis). Currently, acellular pertussis vaccines (aP; DTaP; Tdap) are used to prevent pertussis disease. However, it is clear that the aP vaccine efficacy quickly wanes, resulting in the re-emergence of pertussis. Furthermore, recent work performed by the CDC suggest that current circulating strains are genetically distinct from strains of the past. Emergence of genetically diverging strains combined with waning aP vaccine efficacy call for re-evaluation of current animal models of pertussis. In this study, we used the rat model of pertussis to compare two genetically divergent strains Tohama 1 and D420. We intranasally challenged seven-week-old Sprague-Dawley rats with 10 8 viable Tohama 1 and D420 and measured the hallmark signs/symptoms of Bp infection such as neutrophilia, pulmonary inflammation, and paroxysmal cough using whole body plethysmography. Onset of cough occurred between 2-4 days after Bp challenge averaging five coughs per fifteen minutes, with peak coughing occurring at day eight post infection averaging upward of thirteen coughs per fifteen minutes. However, we observed an increase of coughs in rats infected with clinical isolate D420 through 12 days post challenge. The rats exhibited increased bronchial restriction following Bp infection. Histology of the lung and flow cytometry confirm both cellular infiltration and pulmonary inflammation. D420 infection induced higher production of anti- Bp IgM antibodies compared to Tohama 1 infection. The coughing rat model provides a way of characterizing disease manifestation differences between Bp strains.

Abstract Acellular multivalent vaccines for pertussis (DTaP and Tdap) prevent symptomatic disease and infant mortality, but immunity to Bordetella pertussis infection wanes significantly over time resulting in cyclic epidemics of pertussis. The messenger RNA (mRNA) vaccine platform provides an opportunity to address complex bacterial infections with an adaptable approach providing Th1-biased responses. In this study, immunogenicity and challenge models were used to evaluate the mRNA platform with multivalent vaccine formulations targeting both B. pertussis antigens and diphtheria and tetanus toxoids. Immunization with mRNA formulations were immunogenetic, induced antigen specific antibodies, as well as Th1 T cell responses. Upon challenge with either historical or contemporary B. pertussis strains, 6 and 10 valent mRNA DTP vaccine provided protection equal to that of 1/20th human doses of either DTaP or whole cell pertussis vaccines. mRNA DTP immunized mice were also protected from pertussis toxin challenge as measured by prevention of lymphocytosis and leukocytosis. Collectively these pre-clinical mouse studies illustrate the potential of the mRNA platform for multivalent bacterial pathogen vaccines.

Abstract SARS-CoV-2 infection results in wide-ranging disease manifestation from asymptomatic to potentially lethal. Infection poses an increased threat of severity to at-risk populations including those with hypertension, diabetes, and obesity. Type 2 Diabetes (T2DM), is characterized, in part, by insulin insensitivity and impaired glucose regulation. T2DM patients have increased disease severity and poorer outcomes with COVID-19. We utilized the diet-induced obesity (DIO) model of Type 2 Diabetes in SARS-CoV-2-susceptible K18-hACE2 transgenic mice to better understand the obesity co-morbidity. Female DIO, but not male DIO mice challenged with SARS-CoV-2 were observed to have shortened time to morbidity compared to normal diet mice. Increase in susceptibility to SARS-CoV2 in female DIO was associated with increased total viral RNA burden compared to male mice. RNAseq analysis was performed on the lungs of non-challenged, challenged, females, males, of either normal diet or DIO cohorts to determine the disease specific transcriptional profiles. DIO female mice had more total activated genes than normal diet mice after challenge; however, male mice experienced a decrease. GO term analysis revealed the DIO condition increased interferon response signatures and interferon gamma production following challenge. Male challenged mice had robust expression of antibody-related genes suggesting antibody producing cell localization in the lung. DIO reduced antibody gene expression in challenged males. Collectively this study establishes a preclinical T2DM/obesity co-morbidity model of COVID-19 in mice where we observed sex and diet specific responses that begin to explain the effects of obesity and diabetes on COVID-19 disease.

3.1 Abstract Pertussis is a vaccine-preventable respiratory disease caused by the Gram-negative bacterium Bordetella pertussis . While vaccination rates remain high in developed countries, incidence of pertussis has increased following the transition from wP vaccines to aP vaccines. The reemergence of pertussis is attributed, in part, to waning immunity induced by aP vaccination. Therefore, the objective of this work was to determine if addition of adjuvant to DTaP can modulate the immune response and improve protection compared to DTaP alone. In this study we immunized outbred, female CD-1 mice with 1/320 th the human dose of vehicle control, DTaP, and DTaP supplemented with adjuvant. Markers of early vaccine-induced memory were measured using a chemokine assay or by flow cytometry. Protection was assessed by measuring serological responses and quantifying bacterial burden in the respiratory tract at day 3 post-challenge. From this work we identified a partially protective aP vaccine dose to use for vaccination and challenge studies. We observed that MPLA and SWE promote robust anti- B. pertussis antibody responses and stimulate significant increases in early markers of vaccine-induced memory such as CXCL13, FDCs, and T FH cells. Quil-A induced Th1 responses compared to DTaP alone, but none of the adjuvants improved protection against challenge with B. pertussis . Overall, the data suggests that addition of adjuvant modulates the protective immune responses induced by aPs. Further studies are needed to evaluate the B cell compartment and longevity of protection.

ABSTRACT Over two decades ago acellular pertussis vaccines (aP) replaced whole cell pertussis vaccines (wP) in several countries. Since then, a resurgence in pertussis has been observed, which is hypothesized to be linked to waning immunity. To better understand why waning immunity occurs, we developed a long-term outbred CD1 mouse model to conduct the longest murine pertussis vaccine studies to date, spanning out to 532 days post primary immunization. Vaccine-induced memory results from follicular responses and germinal center formation; therefore, cell populations and cytokines involved with memory were measured alongside protection from challenge. Both aP and wP immunization elicit protection from intranasal challenge and generation of pertussis specific antibody responses in mice. Responses to wP vaccination were characterized by a significant increase in T follicular helper cells in the draining lymph nodes and CXCL13 levels in sera compared to aP mice. In addition, a population of B. pertussis+ memory B cells was found to be unique to wP vaccinated mice. This population peaked post-boost, and was measurable out to day 365 post-vaccination. Anti-B. pertussis and anti-pertussis toxoid antibody secreting cells increased one day after boost and remained high at day 532. The data suggest that follicular responses, and in particular CXCL13 levels in sera, should be monitored in pre-clinical and clinical studies for the development of the next-generation pertussis vaccines.

Bordetella pertussis ( B. pertussis ) is the causative agent of pertussis (whooping cough). Since the 1990s, pertussis has re-emerged in the United States despite an estimated 95% vaccine coverage. Our goal was to characterize neutrophil responses and gene expression profiles of murine lungs in the context of vaccination and B. pertussis challenge. We utilized a bioluminescent neutrophil mouse model (NECre luc) to track neutrophil recruitment. NECre luc mice were immunized with whole cell vaccine (WCV), acellular vaccine (ACV), or a truncated adenylate cyclase toxoid (RTX) vaccine. Neutrophil recruitment was measured in live mice across time and corroborated by flow cytometry and other data. WCV immunized mice showed signs of neutrophilia in response to B. pertussis challenge. Mice immunized with either ACV or WCV cleared the challenge infection; however immunization with RTX alone was not protective. RNA sequencing revealed distinctive gene expression profiles for each immunization group. We observed an increase in expression of genes associated with responses to infection, and changes in expression of distinct genes in each vaccine group, providing a complex view of the immune response to B. pertussis infection in mice. This study suggests that combination of immunological analysis with transcriptomic profiling can facilitate discovery of pre-clinical correlates of protection for vaccine development.

Abstract As the COVID-19 pandemic transitions to endemic, seasonal boosters are a plausible reality across the globe. We hypothesize that intranasal vaccines can provide better protection against asymptomatic infections and more transmissible variants of SARS-CoV-2. To formulate a protective intranasal vaccine, we utilized a VLP-based platform. Hepatitis B surface antigen- based virus like particles (VLP) linked with receptor binding domain (RBD) antigen were paired with the TLR4-based agonist adjuvant, BECC 470. K18-hACE2 mice were primed and boosted at four-week intervals with either VLP-RBD-BECC or mRNA-1273. Both VLP-RBD-BECC and mRNA-1273 vaccination resulted in production of RBD-specific IgA antibodies in serum. RBD- specific IgA was also detected in the nasal wash and lung supernatants and were highest in VLP-RBD-BECC vaccinated mice. Interestingly, VLP-RBD-BECC vaccinated mice showed slightly lower levels of pre-challenge IgG responses, decreased RBD-ACE2 binding inhibition, and lower neutralizing activity in vitro than mRNA-1273 vaccinated mice. Both VLP-RBD-BECC and mRNA-1273 vaccinated mice were protected against challenge with a lethal dose of Delta variant SARS-CoV-2. Both vaccines limited viral replication and viral RNA burden in the lungs of mice. CXCL10 is a biomarker of severe SARS-CoV-2 infection and we observed both vaccines limited expression of serum and lung CXCL10. Strikingly, VLP-RBD-BECC when administered intranasally, limited lung inflammation at early timepoints that mRNA-1273 vaccination did not. VLP-RBD-BECC immunization elicited antibodies that do recognize SARS-CoV-2 Omicron variant. However, VLP-RBD-BECC immunized mice were protected from Omicron challenge with low viral burden. Conversely, mRNA-1273 immunized mice had low to no detectable virus in the lungs at day 2. Together, these data suggest that VLP-based vaccines paired with BECC adjuvant can be used to induce protective mucosal and systemic responses against SARS- CoV-2.

ABSTRACT Pertussis is a respiratory disease caused by the Gram-negative pathogen, Bordetella pertussis ( Bp ). The transition from a whole cell pertussis vaccine (wP; DTP) to an acellular pertussis vaccine (aP; DTaP; Tdap) correlates with an increase in pertussis cases, despite widespread vaccine implementation and coverage, and it is now appreciated that the protection provided by aP rapidly wanes. To recapitulate the localized immunity observed from natural infection, mucosal vaccination with aP was explored using the coughing rat model of pertussis. Immunity induced by both oral gavage (OG) and intranasal (IN) vaccination of aP in Bp challenged rats over a nine-day infection was compared to intramuscular (IM)-wP and IM-aP immunized rats that were used as positive controls as IM immunization is the current route for wP and aP vaccination. Our data demonstrate that both IN and OG immunization of aP resulted in production of anti- Bp IgG antibody titers similar to IM-wP and IM-aP vaccinated controls post-challenge. IN-aP also induced anti- Bp IgA antibodies in the nasal cavity. Immunization with IM-wP, IM-aP, IN-aP, and OG-aP immunization protected against Bp induced cough, while OG-aP immunization did not protect against respiratory distress. Mucosal immunization (IN-aP and OG-aP) also protected against acute inflammation and decreased bacterial burden in the lung compared to mock vaccinated challenge (MVC) rats. The data presented in this study suggests that mucosal vaccination with aP can induce a mucosal immune response and provide protection against Bp challenge.