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.

Abstract Many factors determine whether an individual responding to vaccination will generate an immune response that can lead to protection. Several studies have shown that the pre-vaccination immune state is associated with the antibody response to vaccines. However, the generalizability and mechanisms that underlie this association remain poorly defined. Here, we sought to identify a common pre-vaccination signature and mechanisms that could predict the immune response across a wide variety of vaccines. We leveraged the “Immune Signatures Data Resource” created by the NIH Human Immunology Project Consortium (HIPC) to integrate data from 28 studies involving 13 different vaccines and associate the blood transcriptional status of 820 healthy young adults with their responses. An unsupervised analysis of blood transcriptional profiles across studies revealed three distinct pre-vaccination states, characterized by the differential expression of genes associated with a pro-inflammatory response, cell proliferation, and metabolism alterations downstream of NFκB and IRF7. Innate and adaptive immune cell subset-specific genes were also associated with the three pre-vaccination states. Importantly, individuals whose pre-vaccination state was enriched in pro-inflammatory response genes known to be downstream of NFκB tended to have higher serum antibody responses one month after vaccination. A supervised analysis of the same data resulted in a single classifier, also enriched for NFκB regulated genes, that predicted the antibody response across most of the vaccines. Projection into single-cell RNA-sequencing data suggested that this pre-vaccination state was attributable to the signature of activation of non-classical monocytes and myeloid dendritic cells. Transcriptional signatures of acute responses to bacterial and not viral infections were enriched in the high pro-inflammatory pre-vaccination state and also included NFκB regulated genes. The pro-inflammatory pre-vaccination state was highly reminiscent of the innate activation state triggered by TLR ligands or adjuvants. These results demonstrate that wide variations in the transcriptional state of the immune system in humans can be a key determinant of responsiveness to vaccination. They also define a transcriptional signature NFκB activation at baseline, that is associated with a greater magnitude of antibody response to multiple vaccines, and suggest that modulation of the innate immune system by next-generation adjuvants targeting NFκB before vaccine administration may improve vaccine responsiveness.

Abstract Vaccines are among the most cost-effective public health interventions for preventing infection-induced morbidity and mortality, yet much remains to be learned regarding the mechanisms by which vaccines protect. Systems immunology combines traditional immunology with modern ‘omic profiling techniques and computational modeling to promote rapid and transformative advances in vaccinology and vaccine discovery. The NIH/NIAID Human Immunology Project Consortium (HIPC) has leveraged systems immunology approaches to identify molecular signatures associated with the immunogenicity of many vaccines, including those targeting seasonal influenza, yellow fever, and hepatitis B. These data are made available to the broader scientific community through the ImmuneSpace data portal and analysis engine leveraging the NIH/NIAID ImmPort repository 1,2 . However, a barrier to progress in this area is that comparative analyses have been limited by the distributed nature of some data, potential batch effects across studies, and the absence of multiple relevant studies from non-HIPC groups in ImmPort. To support comparative analyses across different vaccines, we have created the Immune Signatures Data Resource, a compendium of standardized systems vaccinology datasets. This data resource is available through ImmuneSpace , along with code to reproduce the processing and batch normalization starting from the underlying study data in ImmPort and the Gene Expression Omnibus (GEO). The current release comprises 1405 participants from 53 cohorts profiling the response to 24 different vaccines and includes transcriptional profiles and antibody response measurements. This novel systems vaccinology data release represents a valuable resource for comparative and meta-analyses that will accelerate our understanding of mechanisms underlying vaccine responses.

Abstract Systems biology approaches have been used to define molecular signatures and mechanisms of immunity to vaccination. However, most such studies have been done with single vaccines, and comparative analysis of the response to different vaccines is lacking. We integrated temporal transcriptional data of over 3,000 samples, obtained from 820 healthy adults across 28 studies of 13 different vaccines and analyzed vaccination-induced signatures associated with the antibody response. Most vaccines induced similar kinetics of shared transcriptional signatures, including signatures of innate immunity occurring 1-3 days post-vaccination, as well as the canonical plasmablast and cell cycle signatures appearing 7 days post-vaccination. However, the yellow fever vaccine YF-17D uniquely induced an early transient signature of T and B cell activation at Day 1, followed by delayed antiviral/interferon and plasmablast signatures that peaked at Days 7 and 14-21, respectively. Thus, despite the shared transcriptional response to most vaccines, at any given time point there was no evidence for a “universal signature” that could be used to predict the antibody response to all vaccines. However, accounting for the asynchronous nature of responses led to the identification of a time-adjusted signature that improved prediction antibody of responses across vaccines. These results provide a transcriptional atlas of the human immune response to vaccination and define a common, time-adjusted signature of antibody responses to vaccination.

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.

The first few days of life are characterized by rapid external and internal changes that require substantial immune system adaptations. Despite growing evidence of the impact of this period on lifelong immune health, this period remains largely uncharted. To identify factors that may impact the trajectory of immune development, we conducted stringently standardized, high‐throughput phenotyping of peripheral white blood cell (WBC) populations from 796 newborns across two distinct cohorts (The Gambia, West Africa; Papua New Guinea, Melanesia) in the framework of a Human Immunology Project Consortium (HIPC) study. Samples were collected twice from each newborn during the first week of life, first at Day of Life 0 (at birth) and then subsequently at Day of Life 1, 3, or 7 depending on the randomization group the newborn belongs to. The subsequent analysis was conducted at an unprecedented level of detail using flow cytometry and an unbiased automated gating algorithm. The results showed that WBC composition in peripheral blood changes along patterns highly conserved across populations and environments. Changes across days of life were most pronounced in the innate myeloid compartment. Breastfeeding, and at a smaller scale neonatal vaccination, were associated with changes in peripheral blood neutrophil and monocyte cell counts. Our results suggest a common trajectory of immune development in newborns and possible association with timing of breastfeeding initiation, which may contribute to immune‐mediated protection from infection in early life. These data begin to outline a specific window of opportunity for interventions that could deliberately direct WBC composition, and with that, immune trajectory and thus ontogeny in early life. This trial is registered with NCT03246230 .