ABSTRACT A diverse portfolio of SARS-CoV-2 vaccine candidates is needed to combat the evolving COVID-19 pandemic. Here, we developed a subunit nanovaccine by conjugating SARS-CoV-2 Spike protein receptor binding domain (RBD) to the surface of oxidation-sensitive polymersomes. We evaluated the humoral and cellular responses of mice immunized with these surface-decorated polymersomes (RBD surf ) compared to RBD-encapsulated polymersomes (RBD encap ) and unformulated RBD (RBD free ), using monophosphoryl lipid A-encapsulated polymersomes (MPLA PS) as an adjuvant. While all three groups produced high titers of RBD-specific IgG, only RBD surf elicited a neutralizing antibody response to SARS-CoV-2 comparable to that of human convalescent plasma. Moreover, RBD surf was the only group to significantly increase the proportion of RBD-specific germinal center B cells in the vaccination-site draining lymph nodes. Both RBD surf and RBD encap drove similarly robust CD4 + and CD8 + T cell responses that produced multiple Th1-type cytokines. We conclude that multivalent surface display of Spike RBD on polymersomes promotes a potent neutralizing antibody response to SARS-CoV-2, while both antigen formulations promote robust T cell immunity.

ABSTRACT The SARS-CoV-2 virus has caused an unprecedented global crisis, and curtailing its spread requires an effective vaccine which elicits a diverse and robust immune response. We have previously shown that vaccines made of a polymeric glyco-adjuvant conjugated to an antigen were effective in triggering such a response in other disease models and hypothesized that the technology could be adapted to create an effective vaccine against SARS-CoV-2. The core of the vaccine platform is the copolymer p(Man-TLR7), composed of monomers with pendant mannose or a toll-like receptor 7 (TLR7) agonist. Thus, p(Man-TLR7) is designed to target relevant antigen-presenting cells (APCs) via mannose-binding receptors and then activate TLR7 upon endocytosis. The p(Man-TLR7) construct is amenable to conjugation to protein antigens such as the Spike protein of SARS-CoV-2, yielding Spike-p(Man-TLR7). Here, we demonstrate Spike-p(Man-TLR7) vaccination elicits robust antigen-specific cellular and humoral responses in mice. In adult and elderly wild-type mice, vaccination with Spike-p(Man-TLR7) generates high and long-lasting titers of anti-Spike IgGs, with neutralizing titers exceeding levels in convalescent human serum. Interestingly, adsorbing Spike-p(Man-TLR7) to the depot-forming adjuvant alum, amplified the broadly neutralizing humoral responses to levels matching those in mice vaccinated with formulations based off of clinically-approved adjuvants. Additionally, we observed an increase in germinal center B cells, antigen-specific antibody secreting cells, activated T follicular helper cells, and polyfunctional Th1-cytokine producing CD4 + and CD8 + T cells. We conclude that Spike-p(Man-TLR7) is an attractive, next-generation subunit vaccine candidate, capable of inducing durable and robust antibody and T cell responses.

Immunogenic biologics trigger an anti-drug antibody (ADA) response in patients, which reduces efficacy and increases adverse reactions. Our laboratory has previously shown that targeting protein antigen to the liver microenvironment can reduce antigen-specific T cell responses; herein, we present a strategy to increase delivery of otherwise immunogenic biologics to the liver via conjugation to a synthetic mannose polymer (p(Man)). This delivery leads to reduced antigen-specific T follicular helper cell and B cell responses resulting in diminished ADA production, which is maintained throughout subsequent administrations of the native biologic. We found that p(Man)-antigen treatment impairs the ADA response against recombinant uricase, a highly immunogenic biologic, without a dependence on hapten immunodominance or control by Tregs. We identify increased TCR signaling and increased apoptosis and exhaustion in T cells as effects of p(Man)-antigen treatment via transcriptomic analyses. This modular platform may enhance tolerance to biologics, enabling long-term solutions for an ever-increasing healthcare problem.