Abstract The receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 virus spike protein has emerged as a promising target for generation of neutralizing antibodies. Although the RBD subunit is more stable than its encoding mRNA, RBD-based subunit vaccines have been hampered by RBD’s poor immunogenicity. We hypothesize that this limitation can be overcome by sustained co-administration with a more potent and optimized adjuvant than standard adjuvants. The endogenous innate immune second messenger, cGAMP, holds promise as potent activator of the anti-viral STING pathway. Unfortunately, delivery of cGAMP as a therapeutic exhibits poor performance due to poor pharmacokinetics and pharmacodynamics from rapid excretion and degradation by its hydrolase ENPP1. To overcome these limitations, we sought to create an artificial immunological niche enabling slow release of cGAMP and RBD to mimic natural infections in which immune activating molecules are co-localized with antigen. Specifically, we co-encapsulated cGAMP and RBD in an injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel. This cGAMP-adjuvanted hydrogel vaccine elicited more potent, durable, and broad antibody responses with improved neutralization as compared to dose-matched bolus controls and hydrogel-based vaccines lacking cGAMP. The cGAMP-adjuvanted hydrogel platform developed is suitable for delivery of other antigens and may provide enhanced immunity against a broad range of pathogens.

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 Vaccines aim to elicit a robust, yet targeted, immune response. Failure of a vaccine to elicit such a response arises in part from inappropriate temporal control over antigen and adjuvant presentation to the immune system. In this work, we sought to exploit the immune system’s natural response to extended pathogen exposure during infection by designing an easily administered slow-delivery vaccine platform. We utilized an injectable and self-healing polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel platform to prolong the co-delivery of vaccine components to the immune system. We demonstrated that these hydrogels exhibit unique delivery characteristics whereby physicochemically distinct compounds (such as antigen and adjuvant) could be co-delivered over the course of weeks. When administered in mice, hydrogel-based sustained vaccine exposure enhanced the magnitude, duration, and quality of the humoral immune response compared to standard PBS bolus administration of the same model vaccine. We report that the creation of a local inflammatory niche within the hydrogel, coupled with sustained release of vaccine cargo, enhanced the magnitude and duration of germinal center responses in the lymph nodes. This strengthened germinal center response promoted greater antibody affinity maturation, resulting in a more than 1000-fold increase in antigen-specific antibody affinity in comparison to bolus immunization. In summary, this work introduces a simple and effective vaccine delivery platform that increases the potency and durability of subunit vaccines.

Abstract When properly deployed, the immune system can eliminate deadly pathogens, eradicate metastatic cancers, and provide long-lasting protection from diverse diseases. Unfortunately, realizing these remarkable capabilities is inherently risky as disruption to immune homeostasis can elicit dangerous complications or autoimmune disorders. While current research is continuously expanding the arsenal of potent immunotherapeutics, there is a technological gap when it comes to controlling when, where, and how long these drugs act on the body. Here, we explore the ability of a slow-releasing injectable hydrogel depot to reduce the problematic dose-limiting toxicities of immunostimulatory CD40 agonist (CD40a) while maintaining their potent anti-cancer efficacy. We leverage a previously described polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel system that exhibits shear-thinning and yield-stress properties that we hypothesized would improve locoregional delivery of the CD40a immunotherapy. Using PET imaging, we demonstrate that prolonged hydrogel-based delivery redistributes CD40a exposure to the tumor and the tumor draining lymph node (TdLN), thereby reducing weight loss, hepatotoxicity, and cytokine storm associated with standard treatment. Moreover, CD40a-loaded hydrogels mediate improved local cytokine induction in the TdLN and improve treatment efficacy in the B16F10 melanoma model. PNP hydrogels, therefore, represent a facile, drug-agnostic method to ameliorate immune-related adverse effects and explore locoregional delivery of immunostimulatory drugs.

Abstract Preclinical cancer research is heavily dependent on allograft and xenograft models, but current approaches to tumor inoculation yield inconsistent tumor formation and growth, ultimately wasting valuable resources (e.g., animals, time, and money) and limiting experimental progress. Here we demonstrate a method for tumor inoculation using self-assembled hydrogels to reliably generate tumors with low variance in growth. The observed reduction in model variance enables smaller animal cohorts, improved effect observation and higher powered studies.

Abstract Adoptive cell therapy (ACT) has proven to be highly effective in treating blood cancers such as B cell malignancies, but traditional approaches to ACT are poorly effective in treating the multifarious solid tumors observed clinically. Locoregional cell delivery methods have shown promising results in treating solid tumors compared to standard intravenous delivery methods, but the approaches that have been described to date have several critical drawbacks ranging from complex manufacturing and poor modularity to challenging adminstration. In this work, we develop a simple-to-implement self-assembled and injectable hydrogel material for the controlled co-delivery of CAR-T cells and stimulatory cytokines that improves treatment of solid tumors. We evaluate a range of hydrogel formulations to optimize the creation of a transient inflammatory niche that affords sustained exposure of CAR-T cells and cytokines. This facile approach yields increased CAR-T cell expansion, induces a more tumor-reactive CAR-T phenotype, and improves efficacy in treating solid tumors in mice.

Development of effective vaccines for infectious diseases has been one of the most successful global health interventions in history. Though, while ideal subunit vaccines strongly rely on antigen and adjuvant(s) selection, the mode and timescale of exposure to the immune system has often been overlooked. Unfortunately, poor control over the delivery of many adjuvants, which play a key role in enhancing the quality and potency of immune responses, can limit their efficacy and cause off-target toxicities. There is critical need for new adjuvant delivery technologies to enhance their efficacy and boost vaccine performance. Nanoparticles (NPs) have been shown to be ideal carriers for improving antigen delivery due to their shape and size, which mimic viral structures, but have been generally less explored for adjuvant delivery. Here, we describe the design of self-assembled poly(ethylene glycol)-b-poly(lactic acid) nanoparticles decorated with CpG, a potent TLR9 agonist, to increase adjuvanticity in COVID-19 vaccines. By controlling the surface density of CpG, we show that intermediate valency is a key factor for TLR9 activation of immune cells. When delivered with the SARS-CoV-2 spike protein, CpG NP adjuvants greatly improve the magnitude and duration of antibody responses when compared to free CpG, and result in overall greater breadth of immunity against variants of concern. Moreover, encapsulation of CpG NPs into injectable polymeric-nanoparticle (PNP) hydrogels enhance the spatiotemporal control over co-delivery of CpG NP adjuvant and spike protein antigen such that a single immunization of hydrogel-based vaccines generates comparable humoral responses as a typical prime-boost regimen of soluble vaccines. These delivery technologies can potentially reduce the costs and burden of clinical vaccination, both of which are key elements in fighting a pandemic.