ABSTRACT Yersinia pestis , one of the deadliest bacterial pathogens ever known, is responsible for three plague pandemics and several epidemics, with over 200 million deaths during recorded history. Due to high genomic plasticity, Y. pestis is amenable to genetic mutations as well as genetic engineering that can lead to the emergence or intentional development of pan-drug resistant strains. The dissemination of such Y. pestis strains could be catastrophic, with public health consequences far more daunting than those caused by the recent COVID-19 pandemic. Thus, there is an urgent need to develop novel, safe, and effective treatment approaches for managing Y. pestis infections. This includes infections by antigenically distinct strains for which vaccines, none FDA approved yet, may not be effective, and those that cannot be controlled by approved antibiotics. Lytic bacteriophages provide one such alternative approach. In this study, we examined post-exposure efficacy of a bacteriophage cocktail, YPP-401, to combat pneumonic plague caused by Y. pestis CO92. YPP-401 is a four-phage preparation with a 100% lytic activity against a panel of 68 genetically diverse Y. pestis strains. Using a pneumonic plague aerosol challenge model in gender-balanced Brown Norway rats, YPP-401 demonstrated ∼88% protection when delivered 18 hours post-exposure for each of two administration routes (i.e., intraperitoneal and intranasal) in a dose-dependent manner. Our studies suggest that YPP-401 could provide an innovative, safe, and effective approach for managing Y. pestis infections, including those caused by naturally occurring or intentionally developed strains that cannot be managed by vaccines in development and antibiotics.

SUMMARY The authorized mRNA- and adenovirus-based SARS-CoV-2 vaccines are intramuscularly injected and effective in preventing COVID-19, but do not induce efficient mucosal immunity, or prevent viral transmission. We developed a bacteriophage T4-based, multicomponent, needle and adjuvant-free, mucosal vaccine by engineering spike trimers on capsid exterior and nucleocapsid protein in the interior. Intranasal administration of T4-COVID vaccine induced higher virus neutralization antibody titers against multiple variants, balanced Th1/Th2 antibody and cytokine responses, stronger CD4 + and CD8 + T cell immunity, and higher secretory IgA titers in sera and bronchoalveolar lavage with no effect on the gut microbiota, compared to vaccination of mice intramuscularly. The vaccine is stable at ambient temperature, induces apparent sterilizing immunity, and provides complete protection against original SARS-CoV-2 strain and its Delta variant with minimal lung histopathology. This mucosal vaccine is an excellent candidate for boosting immunity of immunized and/or as a second-generation vaccine for the unimmunized population.

Abstract A “universal” vaccine design platform that can rapidly generate multiplex vaccine candidates is critically needed to control future pandemics. Here, using SARS-CoV-2 pandemic virus as a model, we have developed such a platform by CRISPR engineering of bacteriophage T4. A pipeline of vaccine candidates were engineered by incorporating various viral components into appropriate compartments of phage nanoparticle structure. These include: expressible spike genes in genome, spike and envelope epitopes as surface decorations, and nucleocapsid proteins in packaged core. Phage decorated with spike trimers is found to be the most potent vaccine candidate in mouse and rabbit models. Without any adjuvant, this vaccine stimulated robust immune responses, both T H 1 and T H 2 IgG subclasses, blocked virus-receptor interactions, neutralized viral infection, and conferred complete protection against viral challenge. This new type of nanovaccine design framework might allow rapid deployment of effective phage-based vaccines against any emerging pathogen in the future.

Abstract Mice immunized with a combination of an adenovirus vector (Ad5-YFV) and live-attenuated (LMA)-based vaccines were evaluated for protective efficacy against pneumonic plague. While the Ad5-YFV vaccine harbors a fusion cassette of three genes encoding Y scF, F 1, and L crV, LMA represents a mutant of parental Yersinia pestis CO92 deleted for genes encoding L pp, M sbB, and A il. Ad5-YFV and LMA were either administered simultaneously (1-dose regimen) or 21 days apart in various order and route of administration combinations (2-dose regimen). The 2-dose regimen induced robust immune responses to provide full protection to animals against parental CO92 and its isogenic F1 (CAF - )-deletion mutant challenges during both short- and long-term studies. Mice intranasally (i.n.) immunized with Ad5-YFV first followed by LMA (i.n. or intramuscularly [i.m.]) had higher T- and B-cell proliferative responses and LcrV antibody titers than those in mice vaccinated with LMA (i.n. or i.m.) first ahead of Ad5-YFV (i.n.) during the long-term study. Specifically, the needle- and adjuvant-free vaccine combination (i.n.) is ideal for use in plague endemic regions. Conversely, with a 1-dose regimen, mice vaccinated with Ad5-YFV i.n. and LMA by the i.m. route provided complete protection to animals against CO92 and its CAF - mutant challenges, and elicited Th1/Th2, as well as Th17 responses, thus suitable for emergency vaccination during a plague outbreak or bioterrorist attack. This is a first study in which a viral vector-based and live-attenuated vaccines were effectively used in combination representing adjuvant- and/or needle- free immunization, with each vaccine triggering a distinct cellular immune response. Importance Yersinia pestis , the causative agent of plague, is a Tier-1 select agent and a re-emerging human pathogen. A 2017 outbreak in Madagascar with >75% of cases being pneumonic and 8.6% causalities emphasized the importance of the disease. The World Health Organization has indicated an urgent need to develop new generation subunit and live-attenuated plague vaccines. We have developed a subunit vaccine including three components ( Y scF, F 1, and Lcr V ) using an adenovirus platform (Ad5-YFV). In addition, we have deleted virulence genes of Y. pestis ( e.g., lpp , m sbB , and a il ) to develop a live-attenuated vaccine (LMA). Both of these vaccines generated robust humoral and cellular immunity and were highly efficacious in several animal models. We hypothesized the use of a heterologous prime-boost strategy or administrating both vaccines simultaneously could provide an adjuvant- and/or a needle- free vaccine(s) which have attributes of both vaccines for use in endemic regions and during an emergency situation.