ABSTRACT A major challenge in vaccine development, especially against rapidly evolving viruses, is the ability to focus the immune response toward evolutionarily conserved antigenic regions to confer broad protection. For example, while many broadly neutralizing antibodies against influenza have been found to target the highly conserved stem region of hemagglutinin (HA-stem), the immune response to seasonal influenza vaccines is predominantly directed to the immunodominant but variable head region (HA-head), leading to narrow-spectrum efficacy. Here, we first introduce an approach to controlling antigen orientation based on the site-specific insertion of short stretches of aspartate residues (oligoD) that facilitates antigen-binding to alum adjuvants. We demonstrate the generalizability of this approach to antigens from the Ebola virus, SARS-CoV-2, and influenza and observe enhanced antibody responses following immunization in all cases. Next, we use this approach to reorient HA in an “upside down” configuration, which we envision increases HA-stem exposure, therefore also improving its immunogenicity compared to HA-head. When applied to HA of H2N2 A/Japan/305/1957, the reoriented H2 HA (reoH2HA) on alum induced a stem-directed antibody response that cross-reacted with both group 1 and 2 influenza A HAs. Our results demonstrate the possibility and benefits of antigen reorientation via oligoD insertion, which represents a generalizable immunofocusing approach readily applicable for designing epitope-focused vaccine candidates. GRAPHICAL ABSTRACT Seasonal influenza vaccines induce a biased antibody response against the variable head of hemagglutinin, whereas conserved epitopes on the stem are a target for universal vaccines. Here we show that reorienting HA in an “upside-down” configuration sterically occludes the head and redirects the antibody response to the more exposed stem, thereby inducing broad cross-reactivity against hemagglutinins from diverse influenza strains.

Abstract The development of effective vaccines that can be rapidly manufactured and distributed worldwide is necessary to mitigate the devastating health and economic impacts of pandemics like COVID-19. The receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike protein, which mediates host cell entry of the virus, is an appealing antigen for subunit vaccines because it is efficient to manufacture, highly stable, and a target for neutralizing antibodies. Unfortunately, RBD is poorly immunogenic. While most subunit vaccines are commonly formulated with adjuvants to enhance their immunogenicity, we found that clinically-relevant adjuvants Alum, AddaVax, and CpG/Alum were unable to elicit neutralizing responses following a prime-boost immunization. Here we show that sustained delivery of an RBD subunit vaccine comprising CpG/Alum adjuvant in an injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel elicited potent anti-RBD and anti-spike antibody titers, providing broader protection against SARS-CoV-2 variants of concern compared to bolus administration of the same vaccine and vaccines comprising other clinically-relevant adjuvant systems. Notably, a SARS-CoV-2 spike-pseudotyped lentivirus neutralization assay revealed that hydrogel-based vaccines elicited potent neutralizing responses when bolus vaccines did not. Together, these results suggest that slow delivery of RBD subunit vaccines with PNP hydrogels can significantly enhance the immunogenicity of RBD and induce neutralizing humoral immunity.

Abstract The prognosis for pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) patients has not significantly improved in the past 3 decades, highlighting the need for more effective treatment approaches. Poor patient outcomes and lack of response to therapy can be attributed, in part, to the dense, fibrotic nature of PDAC tumours, which impedes the uptake of systemically administered drugs. Wet-spun alginate fibres loaded with the chemotherapeutic agent gemcitabine have been developed as a potential tool for overcoming the physical and biological barriers presented by the PDAC tumour microenvironment and deliver high concentrations of drug to the tumour directly over an extended period of time. While exciting, the practicality, safety, and effectiveness of these devices in a clinical setting requires further investigation. Furthermore, an in-depth assessment of the drug-release rate from these devices needs to be undertaken to determine whether an optimal release profile exists. Using a hybrid computational model (agent-based model and partial differential equation system), we developed a simulation of pancreatic tumour growth and response to treatment with gemcitabine loaded alginate fibres. The model was calibrated using in vitro and in vivo data and simulated using a finite volume method discretization. We then used the model to compare different intratumoural implantation protocols and gemcitabine-release rates. In our model, the primary driver of pancreatic tumour growth was the rate of tumour cell division and degree of extracellular matrix deposition. We were able to demonstrate that intratumoural placement of gemcitabine loaded fibres was more effective than peritumoural placement. Additionally, we found that an exponential gemcitabine release rate would improve the tumour response to fibres placed peritumourally. Altogether, the model developed here is a tool that can be used to investigate other drug delivery devices to improve the arsenal of treatments available for PDAC and other difficult-to-treat cancers in the future. Author Summary Pancreatic cancer has a dismal prognosis with a median survival of 3-5 months for untreated disease. The treatment of pancreatic cancer is challenging due to the dense nature of pancreatic tumours which impedes retention of drug at the tumour site. As such, systemic administration of chemotherapies, such as gemcitabine, has a limited efficacy. To overcome this, sustained-release devices have been proposed. These devices are injected locally and release drug slowly over time, providing a concentrated local, sustained drug concentration. To investigate the possible efficacy of these devices, we developed a mathematical model that would allow us to probe treatment perturbations in silico . We modelled the individual cancer cells and their growth and death from gemcitabine loaded into the sustained delivery devices. Our platform allows future investigations for these devices to be run in silico so that we may better understand the forms of the drug release-profile that are necessary for optimal treatment.

Abstract The HIV-1 gp41 N-heptad repeat (NHR) region of the pre-hairpin intermediate, which is transiently exposed during HIV-1 viral membrane fusion, is a validated clinical target in humans and is inhibited by the FDA-approved drug enfuvirtide. However, vaccine candidates targeting the NHR have yielded only modest neutralization activities in animals; this inhibition has been largely restricted to tier-1 viruses, which are most sensitive to neutralization by sera from HIV-1-infected individuals. Here, we show that the neutralization activity of the well-characterized NHR-targeting antibody D5 is potentiated >5,000-fold in TZM-bl cells expressing FcγRI compared to those without, resulting in neutralization of many tier-2 viruses (which are less susceptible to neutralization by sera from HIV-1-infected individuals and are the target of current antibody-based vaccine efforts). Further, antisera from guinea pigs immunized with the NHR-based vaccine candidate (ccIZN36) 3 neutralized tier-2 viruses from multiple clades in an FcγRI-dependent manner. As FcγRI is expressed on macrophages and dendritic cells, which are present at mucosal surfaces and are implicated in the early establishment of HIV-1 infection following sexual transmission, these results may be important in the development of a prophylactic HIV-1 vaccine.

SUMMARY During virus infection B cells are critical for the production of antibodies and protective immunity. Here we show that the human B cell compartment in patients with diagnostically confirmed SARS-CoV-2 and clinical COVID-19 is rapidly altered with the early recruitment of B cells expressing a limited subset of IGHV genes, progressing to a highly polyclonal response of B cells with broader IGHV gene usage and extensive class switching to IgG and IgA subclasses with limited somatic hypermutation in the initial weeks of infection. We identify extensive convergence of antibody sequences across SARS-CoV-2 patients, highlighting stereotyped naïve responses to this virus. Notably, sequence-based detection in COVID-19 patients of convergent B cell clonotypes previously reported in SARS-CoV infection predicts the presence of SARS-CoV/SARS-CoV-2 cross-reactive antibody titers specific for the receptor-binding domain. These findings offer molecular insights into shared features of human B cell responses to SARS-CoV-2 and other zoonotic spillover coronaviruses.

Abstract All but one of the authorized monoclonal antibody-based treatments for SARS-CoV-2 are largely ineffective against Omicron, highlighting the critical need for biologics capable of overcoming SARS-CoV-2 evolution. These mostly ineffective therapeutic antibodies target epitopes that are not highly conserved. Here we describe broad-spectrum SARS-CoV-2 inhibitors developed by tethering the SARS-CoV-2 receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), to antibodies that are known to be non-neutralizing, but which target highly conserved epitopes in the viral spike protein. These inhibitors, called Re ceptor-blocking co nserved n on- n eutralizing A nti b o d ies (ReconnAbs), potently neutralize all SARS-CoV-2 variants of concern (VOC), including Omicron. Neutralization potency is dependent on both the binding and inhibitory ReconnAb components as activity is lost when the linker joining the two is severed. In addition, a bifunctional ReconnAb, made by linking ACE2 to a bispecific antibody targeting two non-overlapping conserved epitopes, defined here, shows sub-nanomolar neutralizing activity against all VOCs, including Omicron. Given their conserved targets and modular nature, ReconnAbs have the potential to act as broad- spectrum therapeutics against SARS-CoV-2 and other emerging pandemic diseases.

Abstract HIV-1 infection is initiated by the viral glycoprotein Env, which, after interaction with cellular coreceptors, adopts a transient conformation known as the pre-hairpin intermediate (PHI). The N-heptad repeat (NHR) is a highly conserved region of gp41 exposed in the PHI; it is the target of the FDA-approved drug enfuvirtide and of neutralizing monoclonal antibodies (mAbs). However, to date these mAbs have only been weakly effective against tier-1 HIV-1 strains, which are most sensitive to neutralizing antibodies. Here, we engineered and tested 11 IgG variants of D5, an anti-NHR mAb, by recombining previously described mutations in four of D5’s six antibody complementarity-determining regions. One variant, D5_AR, demonstrated 6-fold enhancement in ID 50 against lentivirus pseudotyped with HXB2 Env. Importantly, D5_AR exhibited weak cross-clade neutralizing activity against a diverse set of tier-2 HIV-1 viruses, which are less sensitive to neutralizing antibodies than tier-1 viruses and are the target of current antibody-based vaccine efforts. In addition, the neutralization potency of D5_AR IgG was greatly enhanced in target cells expressing FcγRI with ID 50 values below 0.1 μg/mL; this immunoglobulin receptor is expressed on macrophages and dendritic cells, which are implicated in the early stages of HIV-1 infection of mucosal surfaces. D5 and D5_AR have equivalent neutralization potency in IgG, Fab, and scFv formats, indicating that neutralization is not impacted by steric hindrance. Taken together, these results provide support for vaccine strategies that target the PHI by eliciting antibodies against the gp41 NHR. Importance Despite advances in anti-retroviral therapy, HIV remains a global epidemic and has claimed more than 32 million lives. Accordingly, developing an effective vaccine remains an urgent public health need. The gp41 N-heptad repeat (NHR) of the HIV-1 pre-hairpin intermediate (PHI) is highly conserved (>90%) and is inhibited by the FDA-approved drug enfuvirtide, making it an attractive vaccine target. However, to date NHR antibodies have not been potent. Here, we engineered D5_AR, a more potent variant of the anti-NHR antibody D5, and established its ability to inhibit HIV-1 strains that are more difficult to neutralize and are more representative of circulating strains (tier-2 strains). The neutralizing activity of D5_AR was greatly potentiated in cells expressing FcγRI; FcγRI is expressed on cells that are implicated at the earliest stages of sexual HIV-1 transmission. Taken together, these results bolster efforts to target the gp41 NHR and the PHI for vaccine development.

ABSTRACT Root biology is pivotal in addressing global challenges including sustainable agriculture and climate change. However, roots have been relatively understudied among plant organs, partly due to the difficulties in imaging root structures in their natural environment. Here we used microfabricated ecosystems (EcoFABs) to establish growing environments with optical access and employed nonlinear multimodal microscopy of third-harmonic generation (THG) and three-photon fluorescence (3PF) to achieve label-free, in situ imaging of live roots and microbes at high spatiotemporal resolution. THG enabled us to observe key plant root structures including the vasculature, Casparian strips, dividing meristematic cells, and root cap cells, as well as subcellular features including nuclear envelopes, nucleoli, starch granules, and putative stress granules. THG from the cell walls of bacteria and fungi also provides label-free contrast for visualizing these microbes in the root rhizosphere. With simultaneously recorded 3PF fluorescence signal, we demonstrated our ability to investigate root-microbe interactions by achieving single-bacterium tracking and subcellular imaging of fungal spores and hyphae in the rhizosphere.

Abstract Although cancer stem cells (CSCs) play a major role in tumorigenesis and metastasis, the role of genetic alterations in invasiveness of CSCs is still unclear. Tumor microenvironment signals, such as extracellular matrix (ECM) composition, significantly influence cell behaviors. Unfortunately, these signals are often lost in in vitro cell culture. This study determines putative CSC populations, examines genetic changes during tumorigenesis of human breast epithelial stem cells, and investigates single-cell migration properties on ECM-mimetic platforms. Whole exome sequencing data indicate that tumorigenic cells have a higher somatic mutation burden than non-tumorigenic cells, and that mutations exclusive to tumorigenic cells exhibit higher predictive deleterious scores. Tumorigenic cells exhibit distinct somatic copy number variations (CNVs) including gain of duplications in chromosomes 5 and 8. ECM-mimetic topography selectively enhances migration speed of tumorigenic cells, but not of non-tumorigenic cells, and results in a wide distribution of tumorigenic single-cell migration speeds, suggesting heterogeneity in cellular sensing of contact guidance cues. This study identifies mutations and CNVs acquired during breast tumorigenesis, which can be associated with enhanced migration of breast tumorigenic cells, and demonstrates that a nanotopographically-defined platform can be applied to recapitulate an ECM structure for investigating cellular migration in the simulated tumor microenvironment.

Abstract The hydrophobic pocket found in the N-heptad repeat (NHR) region of HIV-1 gp41 is a highly conserved epitope that is the target of various HIV-1 neutralizing monoclonal antibodies. Although the high conservation of the pocket makes it an attractive vaccine candidate, it has been challenging to elicit potent anti-NHR antibodies via immunization. Here, we solved a high-resolution structure of the NHR mimetic IQN17, and, consistent with previous ligand-bound gp41 pocket structures, we observed remarkable conformational plasticity of the pocket. The high malleability of this pocket led us to test whether we could improve the immunogenicity of the gp41 pocket by stabilizing its conformation. We show that the addition of five amino acids at the C-terminus of IQN17, to generate IQN22, introduces a stabilizing salt bridge at the base of the peptide that rigidifies the pocket. Mice immunized with IQN22 elicited higher avidity antibodies against the gp41 pocket and a more potent, albeit still weak, neutralizing response against HIV-1 compared to IQN17. Stabilized epitope-focused immunogens could serve as the basis for future HIV-1 fusion-inhibiting vaccines.