Effective therapies are urgently needed for the SARS-CoV-2/COVID19 pandemic. We identified panels of fully human monoclonal antibodies (mAbs) from eight large phage-displayed Fab, scFv and VH libraries by panning against the receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein. One high affinity mAb, IgG1 ab1, specifically neutralized replication competent SARS-CoV-2 with exceptional potency as measured by two different assays. There was no enhancement of pseudovirus infection in cells expressing Fcγ receptors at any concentration. It competed with human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) for binding to RBD suggesting a competitive mechanism of virus neutralization. IgG1 ab1 potently neutralized mouse ACE2 adapted SARS-CoV-2 in wild type BALB/c mice and native virus in hACE2 expressing transgenic mice. The ab1 sequence has relatively low number of somatic mutations indicating that ab1-like antibodies could be quickly elicited during natural SARS-CoV-2 infection or by RBD-based vaccines. IgG1 ab1 does not have developability liabilities, and thus has potential for therapy and prophylaxis of SARS-CoV-2 infections. The rapid identification (within 6 days) of potent mAbs shows the value of large antibody libraries for response to public health threats from emerging microbes.

Abstract Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) transmission with several emerging variants remain uncontrolled in many countries, indicating the pandemic remains severe. Recent studies showed reduction of neutralization against these emerging SARS-CoV-2 variants by vaccine-elicited antibodies. Among those emerging SARS-CoV-2 variants, a panel of amino acid mutations was characterized including those in the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein. In the present study, we evaluated our previously identified antibody and antibody domains for binding to these RBD variants with the emerging mutations, and neutralization of pseudo typed viruses carrying spike proteins with such mutations. Our results showed that one previously identified antibody domain, ab6, can bind 32 out of 35 RBD mutants tested in an ELISA assay. All three antibodies and antibody domains can neutralize pseudo typed B.1.1.7 (UK variant), but only the antibody domain ab6 can neutralize the pseudo typed virus with the triple mutation (K417N, E484K, N501Y). This domain and its improvements have potential for therapy of infections caused by SARS-CoV-2 mutants.

Abstract Mutations in the spike glycoproteins of SARS-CoV-2 variants of concern have independently been shown to enhance aspects of spike protein fitness. Here, we report the discovery of a novel antibody fragment (V H ab6) that neutralizes all major variants, with a unique mode of binding revealed by cryo-EM studies. Further, we provide a comparative analysis of the mutational effects within variant spikes and identify the structural role of mutations within the NTD and RBD in evading antibody neutralization. Our analysis shows that the highly mutated Gamma N-terminal domain exhibits considerable structural rearrangements, partially explaining its decreased neutralization by convalescent sera. Our results provide mechanistic insights into the structural, functional, and antigenic consequences of SARS-CoV-2 spike mutations and highlight a spike protein vulnerability that may be exploited to achieve broad protection against circulating variants.

Abstract The emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) requires the development of next-generation biologics that are effective against a variety of strains of the virus. Herein, we characterize a human V H domain, F6, which we generated by sequentially panning large phage displayed V H libraries against receptor binding domains (RBDs) containing VOC mutations. Cryo-EM analyses reveal that F6 has a unique binding mode that spans a broad surface of the RBD and involves the antibody framework region. Attachment of an Fc region to a fusion of F6 and ab8, a previously characterized V H domain, resulted in a construct (F6-ab8-Fc) that neutralized Omicron pseudoviruses with a half-maximal neutralizing concentration (IC 50 ) of 4.8 nM in vitro . Additionally, prophylactic treatment using F6-ab8-Fc reduced live Beta (B.1.351) variant viral titers in the lungs of a mouse model. Our results provide a new potential therapeutic against SARS-CoV-2 VOCs - including the recently emerged Omicron variant - and highlight a vulnerable epitope within the spike protein RBD that may be exploited to achieve broad protection against circulating variants.

Abstract Antibody based therapeutics targeting mesothelin (MSLN) have shown limited anticancer activity in clinical trials. Novel antibodies with high affinity and better therapeutic properties are needed. In the current study, we have isolated and characterized a novel VH domain 3C9 from a large size human immunoglobulin heavy chain variable (VH) domain library. 3C9 exhibited high affinity [KD (dissociation constant) < 3 nM] and binding specificity in a membrane proteome array (MPA). In a mouse xenograft model, 3C9 fused to human Fc became visible at tumor sites as early as 8 hours post infusion and persisted at the tumor site for more than 10 days. Both CAR-T cells and antibody domain drug conjugations (DDCs) generated with 3C9 were highly effective at killing MSLN positive cells in vitro without off-target effects. The X-ray crystal structure of full-length MSLN in complex with 3C9 reveals interaction of the 3C9 domains with two distinctive residues patches on the MSLN surface. 3C9 fused to human Fc domain drug conjugate was efficacious to inhibit tumor growth in a mouse xenograft model. This newly discovered VH antibody domain holds promise as a therapeutic candidate for MSLN-expressing cancers.

Prostate stem cell antigen (PSCA) is expressed in all stages of prostate cancer, including in advanced androgen-independent tumors and bone metastasis. PSCA may associate with prostate carcinogenesis and lineage plasticity in prostate cancer. PSCA is also a promising theranostic marker for a variety of other solid tumors, including pancreatic adenocarcinoma and renal cell carcinoma. Here, we identified a novel fully human PSCA antibody using phage display methodology. The structure-based affinity maturation yielded a high-affinity binder, F12, which is highly specific and does not bind to 6,000 human membrane proteins based on a membrane proteome array assay. F12 targets PSCA amino acids 63-69 as tested by the peptide scanning microarray, and it cross-reacts with the murine PSCA. IgG1 F12 efficiently internalizes into PSCA-expressing tumor cells. The antimitotic reagent monomethyl auristatin E (MMAE)-conjugated IgG1 F12 (ADC, F12-MMAE) exhibits dose-dependent efficacy and specificity in a human prostate cancer PC-3-PSCA xenograft NSG mouse model. This is a first reported ADC based on a fully human PSCA antibody and MMAE that is characterized in a xenograft murine model, which warrants further optimizations and investigations in additional preclinical tumor models, including prostate and other solid tumors.