Although maternal human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) transmission occurs during gestation, intrapartum and postpartum (by breast-feeding), 50-70% of all infected children seem to acquire HIV-1 shortly before or during delivery. Epidemiological evidence indicates that mucosal exposure is an important aspect of intrapartum HIV transmission. A simian immunodeficiency virus (SIV) macaque model has been developed that mimics the mucosal exposure that can occur during intrapartum HIV-1 transmission. To develop immunoprophylaxis against intrapartum HIV-1 transmission, we used SHIV-vpu+ (refs. 5,6), a chimeric simian-human virus that encodes the env gene of HIV-IIIB. Several combinations of human monoclonal antibodies against HIV-1 have been identified that neutralize SHIV-vpu+ completely in vitro through synergistic interaction. Here, we treated four pregnant macaques with a triple combination of the human IgG1 monoclonal antibodies F105, 2G12 and 2F5. All four macaques were protected against intravenous SHIV-vpu+ challenge after delivery. The infants received monoclonal antibodies after birth and were challenged orally with SHIV-vpu+ shortly thereafter. We found no evidence of infection in any infant during 6 months of follow-up. This demonstrates that IgG1 monoclonal antibodies protect against mucosal lentivirus challenge in neonates. We conclude that epitopes recognized by the three monoclonal antibodies are important determinants for achieving substantial protection, thus providing a rational basis for AIDS vaccine development.

The site on HIV-1 gp120 that binds to the CD4 receptor is vulnerable to antibodies. However, most antibodies that interact with this site cannot neutralize HIV-1. To understand the basis of this resistance, we determined co-crystal structures for two poorly neutralizing, CD4-binding site (CD4BS) antibodies, F105 and b13, in complexes with gp120. Both antibodies exhibited approach angles to gp120 similar to those of CD4 and a rare, broadly neutralizing CD4BS antibody, b12. Slight differences in recognition, however, resulted in substantial differences in F105- and b13-bound conformations relative to b12-bound gp120. Modeling and binding experiments revealed these conformations to be poorly compatible with the viral spike. This incompatibility, the consequence of slight differences in CD4BS recognition, renders HIV-1 resistant to all but the most accurately targeted antibodies.

To guide vaccine design, we assessed whether human monoclonal antibodies (MAbs) b12 and b6 against the CD4 binding site (CD4bs) on HIV-1 gp120 and F240 against an immundominant epitope on gp41 could prevent vaginal transmission of simian HIV (SHIV)-162P4 to macaques. The two anti-gp120 MAbs have similar monomeric gp120-binding properties, measured in vitro, but b12 is strongly neutralizing and b6 is not. F240 is nonneutralizing. Applied vaginally at a high dose, the strongly neutralizing MAb b12 provided sterilizing immunity in seven of seven animals, b6 in zero of five animals, and F240 in two of five animals. Compared with control animals, the protection by b12 achieved statistical significance, whereas that caused by F240 did not. For two of three unprotected F240-treated animals there was a trend toward lowered viremia. The potential protective effect of F240 may relate to the relatively strong ability of this antibody to capture infectious virions. Additional passive transfer experiments also indicated that the ability of the administered anti-gp120 MAbs to neutralize the challenge virus was a critical influence on protection. Furthermore, when data from all of the experiments were combined, there was a significant increase in the number of founder viruses establishing infection in animals receiving MAb b6, compared with other nonprotected macaques. Thus, a gp120-binding, weakly neutralizing MAb to the CD4bs was, at best, completely ineffective at protection. A nonneutralizing antibody to gp41 may have a limited capacity to protect, but the results suggest that the central focus of HIV-1 vaccine research should be on the induction of potently neutralizing antibodies.

Profiling the antibody response to Ebola The recent Ebola virus outbreak in West Africa illustrates the need not only for a vaccine but for potential therapies, too. One promising therapy is monoclonal antibodies that target Ebola's membrane-anchored glycoprotein (GP). Bornholdt et al. isolated and characterized 349 antibodies from a survivor of the 2014 outbreak. A large fraction showed some neutralizing activity and several were quite potent. Structural analysis revealed an important site of vulnerability on the membrane stalk region of GP. Antibodies targeting this area were therapeutically effective in Ebola virus–infected mice. Science , this issue p. 1078

COVID-19 caused by SARS-CoV-2 has become a global pandemic requiring the development of interventions for the prevention or treatment to curtail mortality and morbidity. No vaccine to boost mucosal immunity or as a therapeutic has yet been developed to SARS-CoV-2. In this study we discover and characterize a cross-reactive human IgA monoclonal antibody, MAb362. MAb362 binds to both SARS-CoV and SARS-CoV-2 spike proteins and competitively blocks hACE2 receptor binding, by completely overlapping the hACE2 structural binding epitope. Furthermore, MAb362 IgA neutralizes both pseudotyped SARS-CoV and SARS-CoV-2 in human epithelial cells expressing hACE2. SARS-CoV-2 specific IgA antibodies, such as MAb362, may provide effective immunity against SARS-CoV-2 by inducing mucosal immunity within the respiratory system, a potentially critical feature of an effective vaccine.

Abstract Background Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) cause diarrheal illness in infants in the developing world and travelers to endemic countries including military personnel. ETEC infection of the host involves colonization of the small intestinal epithelium and toxin secretion leading to watery diarrhea. There is currently no vaccine licensed to prevent ETEC. CFA/I is one of the most common colonization factor antigens (CFAs). The CFA/I adhesin subunit, CfaE, is required for ETEC adhesion to host intestinal cells. Human antibodies against CfaE have potential to block colonization of ETEC and serve as an immunoprophylactic against ETEC-related diarrhea. Methods Mice transgenic for human immunoglobulin genes were immunized with CfaE to generate a panel of human monoclonal IgG1 antibodies (HuMAbs). The most potent IgG1 identified in the in vitro functional assays were selected and isotype switched to secretory IgA (sIgA) and tested in animal colonization assays via oral administration. Results Over 300 unique anti-CfaE IgG1 HuMabs were identified. The lead IgG1 anti-CfaE HuMAbs completely inhibited hemagglutination and blocked adhesion of ETEC to Caco-2 cells. Epitope mapping studies revealed that HuMAbs recognized epitopes in the N-terminal domain of CfaE near the putative receptor binding site. Oral administration of anti-CfaE antibodies in either IgG or secretory IgA isotypes inhibited intestinal colonization in mice challenged with ETEC. A two to four log decrease of colony forming units was observed as compared to irrelevant isotype controls. Conclusions We identified fully human monoclonal antibodies against CfaE adhesion domain that can be potentially employed as an immunoprophylaxis to prevent ETEC-related diarrhea.

ABSTRACT Novel vaccination and therapeutic strategies are urgently needed to mitigate the tuberculosis (TB) epidemic. While extensive efforts have focused on potentiating cell-mediated immunity to control Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) infection, less effort has been invested in exploiting the humoral immune system to combat Mtb . Emerging data point to a role for antibodies in microbial control of Mtb , however the precise mechanism(s) of this control remain incompletely understood. Here we took an antibody Fc-engineering approach to determine whether Fc-modifications could improve the ability of antibodies to restrict Mtb , and to define Fc-mediated mechanism(s) antibodies leverage for this restriction. Using an antibody specific to the capsular polysaccharide α-glucan, we engineer a panel of Fc variants to augment or dampen select antibody effector functions, rationally building antibodies with enhanced capacity to promote Mtb restriction in a human whole blood model of infection. Surprisingly, restrictive Fc-engineered antibodies drive Mtb control in a neutrophil, not monocyte, dependent manner. Using single cell RNA sequencing, we show that restrictive antibodies promote neutrophil survival and expression of cell intrinsic antimicrobial programs. These data provide a roadmap for exploiting Fc-engineered antibodies as a novel class of TB therapeutics able to harness the protective functions of neutrophils to achieve disease control.

Lyme disease is a tick-borne, multisystem infection caused by the spirochete, Borreliella burgdorferi. Although antibodies have been implicated in the resolution of Lyme disease, the specific B cell epitopes targeted during human infections remain largely unknown. In this study, we characterized and defined the structural epitope of a patient-derived bactericidal monoclonal IgG (B11) against Outer surface protein C (OspC), a homodimeric lipoprotein necessary for B. burgdorferi tick-mediated transmission and early-stage colonization of vertebrate hosts. High-resolution epitope mapping was accomplished through hydrogen deuterium exchange-mass spectrometry (HDX-MS) and X-ray crystallography. Structural analysis of B11 Fab-OspCA complexes revealed the B11 Fabs associated in a 1:1 stoichiometry with the lateral faces of OspCA homodimers such that the antibodies are essentially positioned perpendicular to the spirochete's outer surface. B11's primary contacts reside within the membrane proximal regions of a-helices 1 and 6 and adjacent loops 5 and 6 in one OspCA monomer. In addition, B11 spans the OspCA dimer interface, engaging opposing a-helix 1', a-helix 2, and loop 2-3 in the second OspCA monomer. The B11-OspCA structure is reminiscent of the recently solved mouse transmission blocking monoclonal IgG B5 in complex with OspCA, indicating a mode of engagement with OspC that is conserved across species. In conclusion, we provide the first detailed insight into the interaction between a functional human antibody and an immunodominant Lyme disease antigen long considered an important vaccine target.

ABSTRACT Therapeutic monoclonal antibodies (mAbs) represent one of the most important classes of pharmaceutical proteins to treat human diseases. Most are produced in cultured mammalian cells which is expensive, limiting their availability. Goats, striking a good balance between a relatively short generation time and copious milk yield, present an alternative platform for the cost-effective, flexible, large-scale production of therapeutic mAbs. Here, we focused on cetuximab, a mAb against epidermal growth factor receptor, that is commercially produced under the brand name Erbitux and approved for anti-cancer treatments. We generated several transgenic goat lines that produce cetuximab in their milk. Two lines were selected for detailed characterization. Both showed stable genotypes and cetuximab production levels of up to 10g/L. The mAb could be readily purified and showed improved characteristics compared to Erbitux. The goat-produced cetuximab (gCetuximab) lacked a highly immunogenic epitope that is part of Erbitux. Moreover, it showed enhanced binding to CD16 and increased antibody-dependent cell-dependent cytotoxicity compared to Erbitux. This indicates that these goats produce an improved cetuximab version with the potential for enhanced effectiveness and better safety profile compared to treatments with Erbitux. In addition, our study validates transgenic goats as an excellent platform for large-scale production of therapeutic mAbs.

Mounting evidence indicates that antibodies can contribute towards control of tuberculosis (TB). However, the underlying mechanisms of humoral immune protection and whether antibodies can be exploited in therapeutic strategies to combat TB are relatively understudied. Here we engineered the receptor-binding Fc (fragment crystallizable) region of an antibody recognizing the Mycobacterium tuberculosis (Mtb) capsule, to define antibody Fc-mediated mechanism(s) of Mtb restriction. We generated 52 Fc variants that either promote or inhibit specific antibody effector functions, rationally building antibodies with enhanced capacity to promote Mtb restriction in a human whole-blood model of infection. While there is likely no singular Fc profile that universally drives control of Mtb, here we found that several Fc-engineered antibodies drove Mtb restriction in a neutrophil-dependent manner. Single-cell RNA sequencing analysis showed that a restrictive Fc-engineered antibody promoted neutrophil survival and expression of cell-intrinsic antimicrobial programs. These data show the potential of Fc-engineered antibodies as therapeutics able to harness the protective functions of neutrophils to promote control of TB. Fc engineering of a capsule-specific antibody identifies Fc variants which augment effector function and promote neutrophil-dependent control of Mycobacterium tuberculosis.