The coronavirus disease 2019 pandemic has made deployment of an effective vaccine a global health priority. We evaluated the protective activity of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a prefusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in challenge studies with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor. Intramuscular dosing of ChAd-SARS-CoV-2-S induces robust systemic humoral and cell-mediated immune responses and protects against lung infection, inflammation, and pathology but does not confer sterilizing immunity, as evidenced by detection of viral RNA and induction of anti-nucleoprotein antibodies after SARS-CoV-2 challenge. In contrast, a single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induces high levels of neutralizing antibodies, promotes systemic and mucosal immunoglobulin A (IgA) and T cell responses, and almost entirely prevents SARS-CoV-2 infection in both the upper and lower respiratory tracts. Intranasal administration of ChAd-SARS-CoV-2-S is a candidate for preventing SARS-CoV-2 infection and transmission and curtailing pandemic spread.

ABSTRACT The development of an effective vaccine against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19, is a global priority. Here, we compared the protective capacity of intranasal and intramuscular delivery of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in Golden Syrian hamsters. While immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S induced robust spike protein specific antibodies capable or neutralizing the virus, antibody levels in serum were higher in hamsters immunized by an intranasal compared to intramuscular route. Accordingly, ChAd-SARS-CoV-2-S immunized hamsters were protected against a challenge with a high dose of SARS-CoV-2. After challenge, ChAd-SARS-CoV-2-S-immunized hamsters had less weight loss and showed reductions in viral RNA and infectious virus titer in both nasal swabs and lungs, and reduced pathology and inflammatory gene expression in the lungs, compared to ChAd-Control immunized hamsters. Intranasal immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S provided superior protection against SARS-CoV-2 infection and inflammation in the upper respiratory tract. These findings support intranasal administration of the ChAd-SARS-CoV-2-S candidate vaccine to prevent SARS-CoV-2 infection, disease, and possibly transmission.

With the emergence of SARS-CoV-2 variants with increased transmissibility and potential resistance, antibodies and vaccines with broadly inhibitory activity are needed. Here we developed a panel of neutralizing anti-SARS-CoV-2 mAbs that bind the receptor binding domain of the spike protein at distinct epitopes and block virus attachment to cells and its receptor, human angiotensin converting enzyme-2 (hACE2). While several potently neutralizing mAbs protected K18-hACE2 transgenic mice against infection caused by historical SARS-CoV-2 strains, others induced escape variants in vivo and lost activity against emerging strains. We identified one mAb, SARS2-38, that potently neutralizes all SARS-CoV-2 variants of concern tested and protects mice against challenge by multiple SARS-CoV-2 strains. Structural analysis showed that SARS2-38 engages a conserved epitope proximal to the receptor binding motif. Thus, treatment with or induction of inhibitory antibodies that bind conserved spike epitopes may limit the loss of potency of therapies or vaccines against emerging SARS-CoV-2 variants.

ABSTRACT SARS-CoV-2 variants that attenuate antibody neutralization could jeopardize vaccine efficacy and the end of the COVID-19 pandemic. We recently reported the protective activity of a single-dose intranasally-administered spike protein-based chimpanzee adenovirus-vectored vaccine (ChAd-SARS-CoV-2-S) in animals, which has advanced to human trials. Here, we assessed its durability, dose-response, and cross-protective activity in mice. A single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induced durably high neutralizing and Fc effector antibody responses in serum and S-specific IgG and IgA secreting long-lived plasma cells in the bone marrow. Protection against a historical SARS-CoV-2 strain was observed across a 100-fold vaccine dose range and over a 200-day period. At 6 weeks or 9 months after vaccination, serum antibodies neutralized SARS-CoV-2 strains with B.1.351 and B.1.1.28 spike proteins and conferred almost complete protection in the upper and lower respiratory tracts after challenge. Thus, in mice, intranasal immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S provides durable protection against historical and emerging SARS-CoV-2 strains.

SUMMARY The Coronavirus Disease 2019 pandemic has made deployment of an effective vaccine a global health priority. We evaluated the protective activity of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in challenge studies with Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and mice expressing the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor. Intramuscular dosing of ChAd-SARS-CoV-2-S induces robust systemic humoral and cell-mediated immune responses and protects against lung infection, inflammation, and pathology but does not confer sterilizing immunity, as evidenced by detection of viral RNA and induction of anti-nucleoprotein antibodies after SARS-CoV-2 challenge. In contrast, a single intranasal dose of ChAd-SARS-CoV-2-S induces high levels of systemic and mucosal IgA and T cell responses, completely prevents SARS-CoV-2 infection in the upper and lower respiratory tracts, and likely confers sterilizing immunity in most animals. Intranasal administration of ChAd-SARS-CoV-2-S is a candidate for preventing SARS-CoV-2 infection and transmission, and curtailing pandemic spread.

ABSTRACT The continued evolution and emergence of novel SARS-CoV-2 variants has resulted in challenges to vaccine and antibody efficacy. The emergence of each new variant necessitates the need to re-evaluate and refine animal models used for countermeasure testing. Here, we tested a currently circulating SARS-CoV-2 Omicron lineage variant, BQ.1.1, in multiple rodent models including K18-hACE2 transgenic, C57BL/6J, and 129S2 mice, and Syrian golden hamsters. In contrast to a previously dominant BA.5.5 Omicron variant, inoculation of K18-hACE2 mice with BQ.1.1 resulted in a substantial weight loss, a characteristic seen in pre-Omicron variants. BQ.1.1 also replicated to higher levels in the lungs of K18-hACE2 mice and caused greater lung pathology than the BA.5.5 variant. However, C57BL/6J mice, 129S2 mice, and Syrian hamsters inoculated with BQ.1.1 showed no differences in respiratory tract infection or disease compared to animals administered BA.5.5. Airborne or direct contact transmission in hamsters was observed more frequently after BQ.1.1 than BA.5.5 infection. Together, these data suggest that the BQ.1.1 Omicron variant has increased virulence in some rodent species, possibly due to the acquisition of unique spike mutations relative to other Omicron variants. IMPORTANCE As SARS-CoV-2 continues to evolve, there is a need to rapidly assess the efficacy of vaccines and antiviral therapeutics against newly emergent variants. To do so, the commonly used animal models must also be reevaluated. Here, we determined the pathogenicity of the circulating BQ.1.1 SARS-CoV-2 variant in multiple SARS-CoV-2 animal models including transgenic mice expressing human ACE2, two strains of conventional laboratory mice, and Syrian hamsters. While BQ.1.1 infection resulted in similar levels of viral burden and clinical disease in the conventional laboratory mice tested, increases in lung infection were detected in human ACE2-expressing transgenic mice, which corresponded with greater levels of pro-inflammatory cytokines and lung pathology. Moreover, we observed a trend towards greater animal-to-animal transmission of BQ.1.1 than BA.5.5 in Syrian hamsters. Together, our data highlight important differences in two closely related Omicron SARS-CoV-2 variant strains and provide a foundation for evaluating countermeasures.

The very low-density lipoprotein receptor (VLDLR) is comprised of eight LDLR type A (LA) domains and supports entry of distantly related Eastern equine encephalitis (EEEV) and Semliki Forest (SFV) alphaviruses. Here, by resolving multiple cryo-electron microscopy structures of EEEV-VLDLR complexes and performing mutagenesis and functional studies, we show that EEEV uses multiple sites (E1/E2 cleft and E2 A domain) to engage different LA domains simultaneously. However, no single LA domain is necessary or sufficient to support efficient EEEV infection, highlighting complexity in domain usage. Whereas all EEEV strains show conservation of two VLDLR binding sites, the EEEV PE-6 strain and other EEE complex members feature a single amino acid substitution that mediates binding of LA domains to an additional site on the E2 B domain. These structural and functional analyses informed the design of a minimal VLDLR decoy receptor that neutralizes EEEV infection and protects mice from lethal challenge.