As SARS-CoV-2 infections and death counts continue to rise, it remains unclear why some individuals recover from infection, whereas others rapidly progress and die. Although the immunological mechanisms that underlie different clinical trajectories remain poorly defined, pathogen-specific antibodies often point to immunological mechanisms of protection. Here, we profiled SARS-CoV-2-specific humoral responses in a cohort of 22 hospitalized individuals. Despite inter-individual heterogeneity, distinct antibody signatures resolved individuals with different outcomes. Although no differences in SARS-CoV-2-specific IgG levels were observed, spike-specific humoral responses were enriched among convalescent individuals, whereas functional antibody responses to the nucleocapsid were elevated in deceased individuals. Furthermore, this enriched immunodominant spike-specific antibody profile in convalescents was confirmed in a larger validation cohort. These results demonstrate that early antigen-specific and qualitative features of SARS-CoV-2-specific antibodies point to differences in disease trajectory, highlighting the potential importance of functional antigen-specific humoral immunity to guide patient care and vaccine development.

Importance

 Pregnant women are at increased risk of morbidity and mortality from COVID-19 but have been excluded from the phase 3 COVID-19 vaccine trials. Data on vaccine safety and immunogenicity in these populations are therefore limited. 

Objective

 To evaluate the immunogenicity of COVID-19 messenger RNA (mRNA) vaccines in pregnant and lactating women, including against emerging SARS-CoV-2 variants of concern. 

Design, Setting, and Participants

 An exploratory, descriptive, prospective cohort study enrolled 103 women who received a COVID-19 vaccine from December 2020 through March 2021 and 28 women who had confirmed SARS-CoV-2 infection from April 2020 through March 2021 (the last follow-up date was March 26, 2021). This study enrolled 30 pregnant, 16 lactating, and 57 neither pregnant nor lactating women who received either the mRNA-1273 (Moderna) or BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) COVID-19 vaccines and 22 pregnant and 6 nonpregnant unvaccinated women with SARS-CoV-2 infection. 

Main Outcomes and Measures

 SARS-CoV-2 receptor binding domain binding, neutralizing, and functional nonneutralizing antibody responses from pregnant, lactating, and nonpregnant women were assessed following vaccination. Spike-specific T-cell responses were evaluated using IFN-γ enzyme-linked immunospot and multiparameter intracellular cytokine–staining assays. Humoral and cellular immune responses were determined against the original SARS-CoV-2 USA-WA1/2020 strain as well as against the B.1.1.7 and B.1.351 variants. 

Results

 This study enrolled 103 women aged 18 to 45 years (66% non-Hispanic White) who received a COVID-19 mRNA vaccine. After the second vaccine dose, fever was reported in 4 pregnant women (14%; SD, 6%), 7 lactating women (44%; SD, 12%), and 27 nonpregnant women (52%; SD, 7%). Binding, neutralizing, and functional nonneutralizing antibody responses as well as CD4 and CD8 T-cell responses were present in pregnant, lactating, and nonpregnant women following vaccination. Binding and neutralizing antibodies were also observed in infant cord blood and breast milk. Binding and neutralizing antibody titers against the SARS-CoV-2 B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern were reduced, but T-cell responses were preserved against viral variants. 

Conclusion and Relevance

 In this exploratory analysis of a convenience sample, receipt of a COVID-19 mRNA vaccine was immunogenic in pregnant women, and vaccine-elicited antibodies were transported to infant cord blood and breast milk. Pregnant and nonpregnant women who were vaccinated developed cross-reactive antibody responses and T-cell responses against SARS-CoV-2 variants of concern.

While antibody titers and neutralization are considered the gold standard for the selection of successful vaccines, these parameters are often inadequate predictors of protective immunity. As antibodies mediate an array of extra-neutralizing Fc functions, when neutralization fails to predict protection, investigating Fc-mediated activity may help identify immunological correlates and mechanism(s) of humoral protection. Here, we used an integrative approach termed Systems Serology to analyze relationships among humoral responses elicited in four HIV vaccine trials. Each vaccine regimen induced a unique humoral “Fc fingerprint.” Moreover, analysis of case:control data from the first moderately protective HIV vaccine trial, RV144, pointed to mechanistic insights into immune complex composition that may underlie protective immunity to HIV. Thus, multi-dimensional relational comparisons of vaccine humoral fingerprints offer a unique approach for the evaluation and design of novel vaccines against pathogens for which correlates of protection remain elusive.

Preclinical studies of viral vector-based HIV-1 vaccine candidates have previously shown partial protection against neutralization-resistant virus challenges in rhesus monkeys. In this study, we evaluated the protective efficacy of adenovirus serotype 26 (Ad26) vector priming followed by purified envelope (Env) glycoprotein boosting. Rhesus monkeys primed with Ad26 vectors expressing SIVsmE543 Env, Gag, and Pol and boosted with AS01B-adjuvanted SIVmac32H Env gp140 demonstrated complete protection in 50% of vaccinated animals against a series of repeated, heterologous, intrarectal SIVmac251 challenges that infected all controls. Protective efficacy correlated with the functionality of Env-specific antibody responses. Comparable protection was also observed with a similar Ad/Env vaccine against repeated, heterologous, intrarectal SHIV-SF162P3 challenges. These data demonstrate robust protection by Ad/Env vaccines against acquisition of neutralization-resistant virus challenges in rhesus monkeys.

Abstract The successful development of several COVID-19 vaccines has substantially reduced morbidity and mortality in regions of the world where the vaccines have been deployed. However, in the wake of the emergence of viral variants, able to evade vaccine induced neutralizing antibodies, real world vaccine efficacy has begun to show differences across the mRNA platforms, suggesting that subtle variation in immune responses induced by the BNT162b2 and mRNA1273 vaccines may provide differential protection. Given our emerging appreciation for the importance of additional antibody functions, beyond neutralization, here we profiled the postboost binding and functional capacity of the humoral response induced by the BNT162b2 and mRNA-1273 in a cohort of hospital staff. Both vaccines induced robust humoral immune responses to WT SARS-CoV-2 and VOCs. However, differences emerged across epitopespecific responses, with higher RBD- and NTD-specific IgA, as well as functional antibodies (ADNP and ADNK) in mRNA-1273 vaccine recipients. Additionally, RBD-specific antibody depletion highlighted the different roles of non-RBD-specific antibody effector function induced across the mRNA vaccines, providing novel insights into potential differences in protective immunity generated across these vaccines in the setting of newly emerging VOCs.

Abstract The emergence and reemergence of highly virulent viral pathogens with pandemic potential has created an urgent need for accelerated discovery of antiviral therapeutics. Antiviral human monoclonal (mAbs) are promising drug candidates to prevent or treat severe viral diseases, but the long timelines needed for discovery limits their rapid deployment and use. Here, we report the development of an integrated sequence of technologies incorporating advances in single-cell mRNA sequence analysis, bioinformatics, synthetic biology, and high-throughput functional analysis that allowed us to discover highly potent antiviral human mAbs and validate their activity in vivo at an unprecedented scale, speed, and efficiency. In a 78-day study, modeling deployment of a rapid response platform to an outbreak, we isolated >100 individual Zika virus (ZIKV) specific human mAbs, assessed their function, identified 29 broadly-neutralizing mAbs, and verified therapeutic potency of lead candidates with antibody-encoding mRNA formulation and/or IgG protein delivery in mice and nonhuman primates. Our work provides a roadmap for the rapid antibody discovery programs against viral pathogens of global concern.