The development of a portfolio of COVID-19 vaccines to vaccinate the global population remains an urgent public health imperative1. Here we demonstrate the capacity of a subunit vaccine, comprising the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding domain displayed on an I53-50 protein nanoparticle scaffold (hereafter designated RBD–NP), to stimulate robust and durable neutralizing-antibody responses and protection against SARS-CoV-2 in rhesus macaques. We evaluated five adjuvants including Essai O/W 1849101, a squalene-in-water emulsion; AS03, an α-tocopherol-containing oil-in-water emulsion; AS37, a Toll-like receptor 7 (TLR7) agonist adsorbed to alum; CpG1018-alum, a TLR9 agonist formulated in alum; and alum. RBD–NP immunization with AS03, CpG1018-alum, AS37 or alum induced substantial neutralizing-antibody and CD4 T cell responses, and conferred protection against SARS-CoV-2 infection in the pharynges, nares and bronchoalveolar lavage. The neutralizing-antibody response to live virus was maintained up to 180 days after vaccination with RBD–NP in AS03 (RBD–NP-AS03), and correlated with protection from infection. RBD–NP immunization cross-neutralized the B.1.1.7 SARS-CoV-2 variant efficiently but showed a reduced response against the B.1.351 variant. RBD–NP-AS03 produced a 4.5-fold reduction in neutralization of B.1.351 whereas the group immunized with RBD–NP-AS37 produced a 16-fold reduction in neutralization of B.1.351, suggesting differences in the breadth of the neutralizing-antibody response induced by these adjuvants. Furthermore, RBD–NP-AS03 was as immunogenic as a prefusion-stabilized spike immunogen (HexaPro) with AS03 adjuvant. These data highlight the efficacy of the adjuvanted RBD–NP vaccine in promoting protective immunity against SARS-CoV-2 and have led to phase I/II clinical trials of this vaccine (NCT04742738 and NCT04750343). Trials in rhesus macaques show that a subunit vaccine against SARS-CoV-2, comprising the spike protein receptor-binding domain displayed on a nanoparticle protein scaffold, produces a robust protective response against the virus.

The development of a portfolio of SARS-CoV-2 vaccines to vaccinate the global population remains an urgent public health imperative. Here, we demonstrate the capacity of a subunit vaccine under clinical development, comprising the SARS-CoV-2 Spike protein receptor-binding domain displayed on a two-component protein nanoparticle (RBD-NP), to stimulate robust and durable neutralizing antibody (nAb) responses and protection against SARS-CoV-2 in non-human primates. We evaluated five different adjuvants combined with RBD-NP including Essai O/W 1849101, a squalene-in-water emulsion; AS03, an alpha-tocopherol-containing squalene-based oil-in-water emulsion used in pandemic influenza vaccines; AS37, a TLR-7 agonist adsorbed to Alum; CpG 1018-Alum (CpG-Alum), a TLR-9 agonist formulated in Alum; or Alum, the most widely used adjuvant. All five adjuvants induced substantial nAb and CD4 T cell responses after two consecutive immunizations. Durable nAb responses were evaluated for RBD-NP/AS03 immunization and the live-virus nAb response was durably maintained up to 154 days post-vaccination. AS03, CpG-Alum, AS37 and Alum groups conferred significant protection against SARS-CoV-2 infection in the pharynges, nares and in the bronchoalveolar lavage. The nAb titers were highly correlated with protection against infection. Furthermore, RBD-NP when used in conjunction with AS03 was as potent as the prefusion stabilized Spike immunogen, HexaPro. Taken together, these data highlight the efficacy of the RBD-NP formulated with clinically relevant adjuvants in promoting robust immunity against SARS-CoV-2 in non-human primates.

Abstract SARS-CoV-2 induces a wide range of disease severity ranging from asymptomatic infection, to a life-threating illness, particularly in the elderly and persons with comorbid conditions. Among those persons with serious COVID-19 disease, acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a common and often fatal presentation. Animal models of SARS-CoV-2 infection that manifest severe disease are needed to investigate the pathogenesis of COVID-19 induced ARDS and evaluate therapeutic strategies. Here we report ARDS in two aged African green monkeys (AGMs) infected with SARS-CoV-2 that demonstrated pathological lesions and disease similar to severe COVID-19 in humans. We also report a comparatively mild COVID-19 phenotype characterized by minor clinical, radiographic and histopathologic changes in the two surviving, aged AGMs and four rhesus macaques (RMs) infected with SARS-CoV-2. We found dramatic increases in circulating cytokines in three of four infected, aged AGMs but not in infected RMs. All of the AGMs showed increased levels of plasma IL-6 compared to baseline, a predictive marker and presumptive therapeutic target in humans infected with SARS-CoV-2 infection. Together, our results show that both RM and AGM are capable of modeling SARS-CoV-2 infection and suggest that aged AGMs may be useful for modeling severe disease manifestations including ARDS.

Abstract Although antivirals are important tools to control the SARS-CoV-2 infection, effective vaccines are essential to control the current pandemic. Plant-derived virus-like particle (VLP) vaccine candidates have previously demonstrated immunogenicity and efficacy against influenza. Here we report the immunogenicity and protection induced in macaques by intramuscular injections of VLP bearing SARS-CoV-2 spike protein (CoVLP) vaccine candidate formulated with or without Adjuvant System 03 (AS03) or cytosine phosphoguanine (CpG) 1018. Although a single dose of unadjuvanted CoVLP vaccine candidate stimulated humoral and cell-mediated immune responses, booster immunization (at 28 days after prime) and adjuvants significantly improved both responses with a higher immunogenicity and protection provided by AS03 adjuvanted CoVLP. Fifteen microgram CoVLP adjuvanted with AS03 induced a balanced IL-2 driven response along with IL-4 expression in CD4 T cells and mobilization of CD4 follicular helper cells (Tfh). Animals were challenged by multiple routes (i.e. intratracheal, intranasal and ocular) with a total viral dose of 10 6 plaque forming units of SARS-CoV-2. Lower viral replication in nasal swabs and broncho-alveolar lavage (BAL) as well as fewer SARS-CoV-2 infected cells and immune cell infiltrates in the lungs concomitant with reduced levels of pro-inflammatory cytokines and chemotactic factors in BAL were observed in the animals immunized with CoVLP adjuvanted with AS03. No clinical, pathologic or virologic evidences of vaccine associated enhanced disease (VAED) were observed in vaccinated animals. CoVLP adjuvanted with AS03 was therefore selected for vaccine development and clinical trials.

Summary Despite the remarkable efficacy of COVID-19 vaccines, waning immunity, and the emergence of SARS-CoV-2 variants such as Omicron represents a major global health challenge. Here we present data from a study in non-human primates demonstrating durable protection against the Omicron BA.1 variant induced by a subunit SARS-CoV-2 vaccine, consisting of RBD (receptor binding domain) on the I53-50 nanoparticle, adjuvanted with AS03, currently in Phase 3 clinical trial ( NCT05007951 ). Vaccination induced robust neutralizing antibody (nAb) titers that were maintained at high levels for at least one year after two doses (Pseudovirus nAb GMT: 2207, Live-virus nAb GMT: 1964) against the ancestral strain, but not against Omicron. However, a booster dose at 6-12 months with RBD-Wu or RBD-β (RBD from the Beta variant) displayed on I53-50 elicited equivalent and remarkably high neutralizing titers against the ancestral as well as the Omicron variant. Furthermore, there were substantial and persistent memory T and B cell responses reactive to Beta and Omicron variants. Importantly, vaccination resulted in protection against Omicron infection in the lung (no detectable virus in any animal) and profound suppression of viral burden in the nares (median peak viral load of 7567 as opposed to 1.3×10 7 copies in unvaccinated animals) at 6 weeks post final booster. Even at 6 months post vaccination, there was significant protection in the lung (with 7 out of 11 animals showing no viral load, 3 out of 11 animals showing ~20-fold lower viral load than unvaccinated controls) and rapid control of virus in the nares. These results highlight the durable cross-protective immunity elicited by the AS03-adjuvanted RBD-I53-50 nanoparticle vaccine platform.

Abstract SARS-CoV-2 is a respiratory borne pathogenic beta coronavirus that is the source of a worldwide pandemic and the cause of multiple pathologies in man. The rhesus macaque model of COVID-19 was utilized to test the added benefit of combinatory parenteral administration of two high-affinity anti-SARS-CoV-2 monoclonal antibodies (mAbs; C144-LS and C135-LS) expressly developed to neutralize the virus and modified to extend their pharmacokinetics. After completion of kinetics study of mAbs in the primate, combination treatment was administered prophylactically to mucosal viral challenge. Results showed near complete virus neutralization evidenced by no measurable titer in mucosal tissue swabs, muting of cytokine/chemokine response, and lack of any discernable pathologic sequalae. Blocking infection was a dose-related effect, cohorts receiving lower doses (6, 2 mg/kg) resulted in low grade viral infection in various mucosal sites compared to that of a fully protective dose (20 mg/kg). A subset of animals within this cohort whose infectious challenge was delayed 75 days later after mAb administration were still protected from disease. Results indicate this combination mAb effectively blocks development of COVID-19 in the rhesus disease model and accelerates the prospect of clinical studies with this effective antibody combination.

Abstract The COVID-19 pandemic resulted from global infection by the SARS-CoV-2 coronavirus and rapidly emerged as an urgent health issue requiring effective treatments. To initiate infection, the Spike protein of SARS-CoV-2 requires proteolytic processing mediated by host proteases. Among the host proteases proposed to carry out this activation is the cysteine protease cathepsin L. Inhibiting cathepsin L has been proposed as a therapeutic strategy for treating COVID-19. SLV213 (K777) is an orally administered small molecule protease inhibitor that exhibits in vitro activity against a range of viruses, including SARS-CoV-2. To confirm efficacy in vivo , K777 was evaluated in an African green monkey (AGM) model of COVID-19. A pilot experiment was designed to test K777 in a prophylactic setting, animals were pre-treated with 100mg/kg K777 (N=4) or vehicle (N=2) before inoculation with SARS-CoV-2. Initial data demonstrated that K777 treatment reduced pulmonary pathology compared to vehicle-treated animals. A second study was designed to test activity in a therapeutic setting, with K777 treatment (33 mg/kg or 100 mg/kg) initiated 8 hours after exposure to the virus. In both experiments, animals received K777 daily via oral gavage for 7 days. Vehicle-treated animals exhibited higher lung weights, pleuritis, and diffuse alveolar damage. In contrast, lung pathology was reduced in K777-treated monkeys, and histopathological analyses confirmed the lack of diffuse alveolar damage. Antiviral effects were further demonstrated by quantitative reductions in viral load of samples collected from upper and lower airways. These preclinical data support the potential for early SLV213 treatment in COVID-19 patients to prevent severe lung pathology and disease progression.

Abstract The novel coronavirus SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19 disease, has killed over four million people worldwide as of July 2021 with infections rising again due to the emergence of highly transmissible variants. Animal models that faithfully recapitulate human disease are critical for assessing SARS-CoV-2 viral and immune dynamics, for understanding mechanisms of disease, and for testing vaccines and therapeutics. Pigtail macaques (PTM, Macaca nemestrina ) demonstrate a rapid and severe disease course when infected with simian immunodeficiency virus (SIV), including the development of severe cardiovascular symptoms that are pertinent to COVID-19 manifestations in humans. We thus proposed this species may likewise exhibit severe COVID-19 disease upon infection with SARS-CoV-2. Here, we extensively studied a cohort of SARS-CoV-2-infected PTM euthanized either 6- or 21-days after respiratory viral challenge. We show that PTM demonstrate largely mild-to-moderate COVID-19 disease. Pulmonary infiltrates were dominated by T cells, including CD4+ T cells that upregulate CD8 and express cytotoxic molecules, as well as virus-targeting T cells that were predominantly CD4+. We also noted increases in inflammatory and coagulation markers in blood, pulmonary pathologic lesions, and the development of neutralizing antibodies. Together, our data demonstrate that SARS-CoV-2 infection of PTM recapitulates important features of COVID-19 and reveals new immune and viral dynamics and thus may serve as a useful animal model for studying pathogenesis and testing vaccines and therapeutics.

Abstract Adverse neurological and psychiatric outcomes, collectively termed the post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC), persist in adults clinically recovered from COVID-19. Effective therapeutic interventions are fundamental to reducing the burden of PASC, necessitating an investigation of the pathophysiology underlying the debilitating neurological symptoms associated with the condition. Herein, eight non-human primates (Wild-Caught African Green Monkeys, n =4; Indian Rhesus Macaques, n =4) were inoculated with the SARS-CoV-2 isolate USA-WA1/2020 by either small particle aerosol or via multiple routes. At necropsy, tissue from the olfactory epithelium and pyriform cortex/amygdala of SARS-CoV-2 infected non-human primates were collected for ribonucleic acid in situ hybridization (i.e., RNAscope). First, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2) mRNA are downregulated in the pyriform cortex/amygdala of non-human primates clinically recovered from SARS-CoV-2 inoculation relative to wildtype controls. Second, abundant SARS-CoV-2 mRNA was detected in clinically recovered non-human primates; mRNA which is predominantly harbored in pericytes. Collectively, examination of post-mortem pyriform cortex/amygdala brain tissue of non-human primates clinically recovered from SARS-CoV-2 infection revealed two early pathophysiological mechanisms potentially underlying PASC. Indeed, therapeutic interventions targeting the downregulation of ACE2, decreased expression of TMPRSS2, and/or persistent infection of pericytes in the central nervous system may effectively mitigate the debilitating symptoms of PASC.

Abstract The emergence of severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and the subsequent COVID-19 pandemic has visited a terrible cost on the world in the forms of disease, death, and economic turmoil. The rapid development and deployment of extremely effective vaccines against SARS-CoV-2 have seemingly brought within reach the end of the pandemic. However, the virus has acquired mutations; and emerging variants of concern (VOC) are more infectious and reduce the efficacy of existing vaccines. While promising efforts to combat these variants are underway, the evolutionary pressures leading to these variants are poorly understood. To that end, here we have studied the effects on the structure and function of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein receptor-binding domain of three amino-acid substitutions found in several variants of concern, including alpha (B.1.1.7), beta (B.1.351), and gamma (P.1). We found that these substitutions alter the RBD structure, stability, and ability to bind to ACE2, in such a way as to possibly have opposing and compensatory effects. These findings provide new insights into how these VOC may have been selected for infectivity while maintaining the structure and stability of the receptor binding domain.