Global deployment of vaccines that can provide protection across several age groups is still urgently needed to end the COVID-19 pandemic especially for low- and middle-income countries. While vaccines against SARS-CoV-2 based on mRNA and adenoviral-vector technologies have been rapidly developed, additional practical and scalable SARS-CoV-2 vaccines are needed to meet global demand. In this context, protein subunit vaccines formulated with appropriate adjuvants represent a promising approach to address this urgent need. Receptor-binding domain (RBD) is a key target of neutralizing antibodies (Abs) but is poorly immunogenic. We therefore compared pattern recognition receptor (PRR) agonists, including those activating STING, TLR3, TLR4 and TLR9, alone or formulated with aluminum hydroxide (AH), and benchmarked them to AS01B and AS03-like emulsion-based adjuvants for their potential to enhance RBD immunogenicity in young and aged mice. We found that the AH and CpG adjuvant formulation (AH:CpG) demonstrated the highest enhancement of anti-RBD neutralizing Ab titers in both age groups (∼80-fold over AH), and protected aged mice from the SARS-CoV-2 challenge. Notably, AH:CpG-adjuvanted RBD vaccine elicited neutralizing Abs against both wild-type SARS-CoV-2 and B.1.351 variant at serum concentrations comparable to those induced by the authorized mRNA BNT162b2 vaccine. AH:CpG induced similar cytokine and chemokine gene enrichment patterns in the draining lymph nodes of both young adult and aged mice and synergistically enhanced cytokine and chemokine production in human young adult and elderly mononuclear cells. These data support further development of AH:CpG-adjuvanted RBD as an affordable vaccine that may be effective across multiple age groups.Alum and CpG enhance SARS-CoV-2 RBD protective immunity, variant neutralization in aged mice and Th1-polarizing cytokine production by human elder leukocytes.

Vaccines are a key biomedical intervention to prevent the spread of infectious diseases, but their efficacy can be limited by insufficient immunogenicity and nonuniform reactogenic profiles. Adjuvants are molecules that potentiate vaccine responses by inducing innate immune activation. However, there are a limited number of adjuvants in approved vaccines, and current approaches for preclinical adjuvant discovery and development are inefficient. To enhance adjuvant identification, we developed a protocol based on in vitro screening of human primary leukocytes.We describe a methodology utilizing high-throughput and high-content screening for novel adjuvant candidates that was used to screen a library of ~2,500 small molecules via a 384-well quantitative combined cytokine and flow cytometry immunoassay in primary human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from 4 healthy adult study participants. Hits were identified based on their induction of soluble cytokine (TNF, IFNg and IL-10) secretion and PBMC maturation (CD 80/86, Ox40, and HLA-DR) in at least two of the four donors screened. From an initial set of 197 compounds identified using these biomarkers-an 8.6% hit rate-we downselected to five scaffolds that demonstrated robust efficacy and potency in vitro and evaluated the top hit, vinblastine sulfate, for adjuvanticity in vivo. Vinblastine sulfate significantly enhanced murine humoral responses to recombinant SARS-CoV-2 spike protein, including a four-fold enhancement of IgG titer production when compared to treatment with the spike antigen alone. Overall, we outline a methodology for discovering immunomodulators with adjuvant potential via high-throughput screening of PBMCs in vitro that yielded a lead compound with in vivo adjuvanticity.

SUMMARY Development of affordable and effective vaccines that can also protect vulnerable populations such as the elderly from COVID-19-related morbidity and mortality is a public health priority. Here we took a systematic and iterative approach by testing several SARS-CoV-2 protein antigens and adjuvants to identify a combination that elicits neutralizing antibodies and protection in young and aged mice. In particular, SARS-CoV-2 receptorbinding domain (RBD) displayed as a protein nanoparticle (RBD-NP) was a highly effective antigen, and when formulated with an oil-in-water emulsion containing Carbohydrate fatty acid MonoSulphate derivative (CMS) induced the highest levels of cross-neutralizing antibodies compared to other oil-in-water emulsions or AS01B. Mechanistically, CMS induced antigen retention in the draining lymph node (dLN) and expression of cytokines, chemokines and type I interferon-stimulated genes at both injection site and dLN. Overall, CMS:RBD-NP is effective across multiple age groups and is an exemplar of a SARS-CoV-2 subunit vaccine tailored to the elderly.

Obesity and Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) are associated with an increased risk of severe outcomes from infectious diseases, including COVID-19. These conditions are also associated with distinct responses to immunization, including an impaired response to widely used SARS-CoV-2 mRNA vaccines.To establish a connection between reduced immunization efficacy via modeling the effects of metabolic diseases on vaccine immunogenicity that is essential for the development of more effective vaccines for this distinct vulnerable population.We utilized a murine model of diet-induced obesity and insulin resistance to model the effects of comorbid T2DM and obesity on vaccine immunogenicity and protection.Mice fed a high-fat diet (HFD) developed obesity, hyperinsulinemia, and glucose intolerance. Relative to mice fed a normal diet (ND), HFD mice vaccinated with a SARS-CoV-2 mRNA vaccine exhibited significantly lower anti-spike IgG titers, predominantly in the IgG2c subclass, associated with a lower type 1 response, along with a 3.83-fold decrease in neutralizing titers. Furthermore, enhanced vaccine-induced spike-specific CD8 + T cell activation and protection from lung infection against SARS-CoV-2 challenge were seen only in ND mice but not in HFD mice.We demonstrate impaired immunity following SARS-CoV-2 mRNA immunization in a murine model of comorbid T2DM and obesity, supporting the need for further research into the basis for impaired anti-SARS-CoV-2 immunity in T2DM and investigation of novel approaches to enhance vaccine immunogenicity among those with metabolic diseases.Obesity and type 2 diabetes impair SARS-CoV-2 mRNA vaccine efficacy in a murine model.

Messenger RNA (mRNA) vaccines were pivotal in reducing severe acute respiratory syndrome 2 (SARS-CoV-2) infection burden, yet they have not demonstrated robust durability, especially in older adults. Here, we describe a molecular adjuvant comprising a lipid nanoparticle (LNP)–encapsulated mRNA encoding interleukin-12p70 (IL-12p70). The bioactive adjuvant was engineered with a multiorgan protection (MOP) sequence to restrict transcript expression to the intramuscular injection site. Admixing IL-12–MOP (CTX-1796) with the BNT162b2 SARS-CoV-2 vaccine increased spike protein–specific immune responses in mice. Specifically, the benefits of IL-12–MOP adjuvantation included amplified humoral and cellular immunity and increased immune durability for 1 year after vaccination in mice. An additional benefit included the restoration of immunity in aged mice to amounts comparable to those achieved in young adult animals, alongside amplification with a single immunization. Associated enhanced dendritic cell and germinal center responses were observed. Together, these data demonstrate that an LNP-encapsulated IL-12–MOP mRNA-encoded adjuvant can amplify immunogenicity independent of age, demonstrating translational potential to benefit vulnerable populations.

ABSTRACT Adjuvanted nanocarrier-based vaccines hold substantial potential for applications in novel early-life immunization strategies. Here, via mouse and human age-specific in vitro modelling, we identified the combination of a small molecule STING agonist (2′3′-cyclic GMP-AMP, cGAMP) and a TLR7/8 agonist (CL075) to drive synergistic activation of neonatal dendritic cells and precision CD4 Th cell expansion via the IL-12/IFNγ axis. We further demonstrate that vaccination of neonatal mice with quadrivalent influenza recombinant hemagglutinin (rHA) and an admixture of two polymersome (PS) nanocarriers separately encapsulating-cGAMP (cGAMP-PS) and CL075 (CL075-PS) drove robust T helper (Th)1 bias, high frequency of T follicular helper (T FH ) cells and germinal center B (GC B) cells along with IgG2c-skewed humoral response in vivo . Dual loaded cGAMP/CL075-PSs did not outperform admixed cGAMP-PSs and CL075-PSs in vivo . These data validate an optimally designed adjuvantation system, via age-selected small molecule synergy and a multi-component nanocarrier formulation, as an effective approach to induce type 1 immune responses in early life.