Adenoviruses are used extensively as gene transfer agents, both experimentally and clinically. However, targeting of liver cells by adenoviruses compromises their potential efficacy. In cell culture, the adenovirus serotype 5 fiber protein engages the coxsackievirus and adenovirus receptor (CAR) to bind cells. Paradoxically, following intravascular delivery, CAR is not used for liver transduction, implicating alternate pathways. Recently, we demonstrated that coagulation factor (F)X directly binds adenovirus leading to liver infection. Here, we show that FX binds to the Ad5 hexon, not fiber, via an interaction between the FX Gla domain and hypervariable regions of the hexon surface. Binding occurs in multiple human adenovirus serotypes. Liver infection by the FX-Ad5 complex is mediated through a heparin-binding exosite in the FX serine protease domain. This study reveals an unanticipated function for hexon in mediating liver gene transfer in vivo.

Abstract The high prevalence of pre-existing immunity to adenovirus serotype 5 (Ad5) in human populations may substantially limit the immunogenicity and clinical utility of recombinant Ad5 vector-based vaccines for HIV-1 and other pathogens. A potential solution to this problem is to use vaccine vectors derived from adenovirus (Ad) serotypes that are rare in humans, such as Ad35. However, cross-reactive immune responses between heterologous Ad serotypes have been described and could prove a major limitation of this strategy. In particular, the extent of immunologic cross-reactivity between Ad5 and Ad35 has not previously been determined. In this study we investigate the impact of pre-existing anti-Ad5 immunity on the immunogenicity of candidate rAd5 and rAd35 vaccines expressing SIV Gag in mice. Anti-Ad5 immunity at levels typically found in humans dramatically blunted the immunogenicity of rAd5-Gag. In contrast, even high levels of anti-Ad5 immunity did not substantially suppress Gag-specific cellular immune responses elicited by rAd35-Gag. Low levels of cross-reactive Ad5/Ad35-specific CD4+ T lymphocyte responses were observed, but were insufficient to suppress vaccine immunogenicity. These data demonstrate the potential utility of Ad35 as a candidate vaccine vector that is minimally suppressed by anti-Ad5 immunity. Moreover, these studies suggest that using Ad vectors derived from immunologically distinct serotypes may be an effective and general strategy to overcome the suppressive effects of pre-existing anti-Ad immunity.

Abstract The utility of recombinant adenovirus serotype 5 (rAd5) vector-based vaccines for HIV-1 and other pathogens will likely be limited by the high prevalence of pre-existing Ad5-specific neutralizing Abs (NAbs) in human populations. However, the immunodominant targets of Ad5-specific NAbs in humans remain poorly characterized. In this study, we assess the titers and primary determinants of Ad5-specific NAbs in individuals from both the United States and the developing world. Importantly, median Ad5-specific NAb titers were >10-fold higher in sub-Saharan Africa compared with the United States. Moreover, hexon-specific NAb titers were 4- to 10-fold higher than fiber-specific NAb titers in these cohorts by virus neutralization assays using capsid chimeric viruses. We next performed adoptive transfer studies in mice to evaluate the functional capacity of hexon- and fiber-specific NAbs to suppress the immunogenicity of a prototype rAd5-Env vaccine. Hexon-specific NAbs were remarkably efficient at suppressing Env-specific immune responses elicited by the rAd5 vaccine. In contrast, fiber-specific NAbs exerted only minimal suppressive effects on rAd5 vaccine immunogenicity. These data demonstrate that functionally significant Ad5-specific NAbs are directed primarily against the Ad5 hexon protein in both humans and mice. These studies suggest a potential strategy for engineering novel Ad5 vectors to evade dominant Ad5-specific NAbs.

Development of effective preventative interventions against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19 is urgently needed. The viral surface spike (S) protein of SARS-CoV-2 is a key target for prophylactic measures as it is critical for the viral replication cycle and the primary target of neutralizing antibodies. We evaluated design elements previously shown for other coronavirus S protein-based vaccines to be successful, e.g., prefusion-stabilizing substitutions and heterologous signal peptides, for selection of a S-based SARS-CoV-2 vaccine candidate. In vitro characterization demonstrated that the introduction of stabilizing substitutions (i.e., furin cleavage site mutations and two consecutive prolines in the hinge region of S2) increased the ratio of neutralizing versus non-neutralizing antibody binding, suggestive for a prefusion conformation of the S protein. Furthermore, the wild-type signal peptide was best suited for the correct cleavage needed for a natively folded protein. These observations translated into superior immunogenicity in mice where the Ad26 vector encoding for a membrane-bound stabilized S protein with a wild-type signal peptide elicited potent neutralizing humoral immunity and cellular immunity that was polarized towards Th1 IFN-γ. This optimized Ad26 vector-based vaccine for SARS-CoV-2, termed Ad26.COV2.S, is currently being evaluated in a phase I clinical trial (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04436276).

Abstract Coronavirus disease 2019 (COVID-19) in humans is often a clinically mild illness, but some individuals develop severe pneumonia, respiratory failure and death 1–4 . Studies of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection in hamsters 5–7 and nonhuman primates 8–10 have generally reported mild clinical disease, and preclinical SARS-CoV-2 vaccine studies have demonstrated reduction of viral replication in the upper and lower respiratory tracts in nonhuman primates 11–13 . Here we show that high-dose intranasal SARS-CoV-2 infection in hamsters results in severe clinical disease, including high levels of virus replication in tissues, extensive pneumonia, weight loss and mortality in a subset of animals. A single immunization with an adenovirus serotype 26 vector-based vaccine expressing a stabilized SARS-CoV-2 spike protein elicited binding and neutralizing antibody responses and protected against SARS-CoV-2-induced weight loss, pneumonia and mortality. These data demonstrate vaccine protection against SARS-CoV-2 clinical disease. This model should prove useful for preclinical studies of SARS-CoV-2 vaccines, therapeutics and pathogenesis.

The Ad26.COV2.S vaccine was highly effective against severe–critical coronavirus disease 2019 (Covid-19), hospitalization, and death in the primary phase 3 efficacy analysis.

Abstract Development of effective preventative interventions against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19 is urgently needed. The viral surface spike (S) protein of SARS-CoV-2 is a key target for prophylactic measures as it is critical for the viral replication cycle and the primary target of neutralizing antibodies. We evaluated design elements previously shown for other coronavirus S protein-based vaccines to be successful, e.g. prefusion-stabilizing substitutions and heterologous signal peptides, for selection of a S-based SARS-CoV-2 vaccine candidate. In vitro characterization demonstrated that the introduction of stabilizing substitutions (i.e., furin cleavage site mutations and two consecutive prolines in the hinge region of S1) increased the ratio of neutralizing versus non-neutralizing antibody binding, suggestive for a prefusion conformation of the S protein. Furthermore, the wild type signal peptide was best suited for the correct cleavage needed for a natively-folded protein. These observations translated into superior immunogenicity in mice where the Ad26 vector encoding for a membrane-bound stabilized S protein with a wild type signal peptide elicited potent neutralizing humoral immunity and cellular immunity that was polarized towards Th1 IFN-γ. This optimized Ad26 vector-based vaccine for SARS-CoV-2, termed Ad26.COV2.S, is currently being evaluated in a phase I clinical trial (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04436276 ).

Abstract Safe and effective coronavirus disease (COVID)-19 vaccines are urgently needed to control the ongoing pandemic. While single-dose vaccine regimens would provide multiple advantages, two doses may improve the magnitude and durability of immunity and protective efficacy. We assessed one- and two-dose regimens of the Ad26.COV2.S vaccine candidate in adult and aged non-human primates (NHP). A two-dose Ad26.COV2.S regimen induced higher peak binding and neutralizing antibody responses compared to a single dose. In one-dose regimens neutralizing antibody responses were stable for at least 14 weeks, providing an early indication of durability. Ad26.COV2.S induced humoral immunity and Th1 skewed cellular responses in aged NHP that were comparable to adult animals. Importantly, aged Ad26.COV2.S-vaccinated animals challenged 3 months post -dose 1 with a SARS-CoV-2 spike G614 variant showed near complete lower and substantial upper respiratory tract protection for both regimens. These are the first NHP data showing COVID-19 vaccine protection against the SARS-CoV-2 spike G614 variant and support ongoing clinical Ad26.COV2.S development. Summary COVID-19 vaccines are urgently needed and while single-dose vaccines are preferred, two-dose regimens may improve efficacy. We show improved Ad26.COV2.S immunogenicity in non-human primates after a second vaccine dose, while both regimens protected aged animals against SARS-CoV-2 disease.

Abstract The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Omicron variant sparked concern due to its fast spread and the unprecedented number of mutations in the spike protein that enables it to partially evade spike-based COVID-19 vaccine-induced humoral immunity. In anticipation of a potential need for an Omicron spike-based vaccine, we generated an Ad26 vector encoding an Omicron (BA.1) spike protein (Ad26.COV2.S.529). Ad26.COV2.S.529 encodes for a prefusion stabilized spike protein, similar to the current COVID-19 vaccine Ad26.COV2.S encoding the Wuhan-Hu-1 spike protein. We verified that spike expression by Ad26.COV2.S.529 was comparable to Ad26.COV2.S. Immunogenicity of Ad26.COV2.S.529 was then evaluated in naïve mice and SARS-CoV-2 Wuhan-Hu-1 spike pre-immunized hamsters. In naïve mice, Ad26.COV2.S.529 elicited robust neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 Omicron (BA.1) but not to SARS-CoV-2 Delta (B.1.617.2), while the opposite was observed for Ad26.COV2.S. In pre-immune hamsters, Ad26.COV2.S.529 vaccination resulted in robust increases in neutralizing antibody titers against both SARS-CoV-2 Omicron (BA.1) and Delta (B.1.617.2), while Ad26.COV2.S vaccination only increased neutralizing antibody titers against the Delta variant. Our data imply that Ad26.COV2.S.529 can both expand and boost a Wuhan-Hu-1 spike-primed humoral immune response to protect against distant SARS-CoV-2 variants.

ABSTRACT Pre-existing immune responses towards adenoviral vector limit the use of a vector based on particular serotypes and its clinical applicability for gene therapy and/or vaccination. Therefore, there is a significant interest to vectorize novel adenoviral types that have low seroprevalence in the human population. Here, we describe the discovery and vectorization of a chimeric human adenovirus, which we call HAdV-20-42-42. Full genome sequencing revealed that this virus is closely related to human serotype 42, except for the penton-base which is derived from serotype 20. The HAdV-20-42-42 vector could be propagated stably to high titers on existing E1-complementing packaging cell lines. Receptor binding studies revealed that the vector utilized both CAR and CD46 as receptors for cell entry. Furthermore, the HAdV-20-42-42 vector was potent in transducing human and murine cardiovascular cells and tissues, irrespective of the presence of blood coagulation factor X. In addition, the vector did not sequester in the liver upon intravenous administration in rodents. Finally, we demonstrate that potent T-cell responses against vector-delivered antigens could be induced upon vaccination. In summary, from the data obtained we conclude that HAdV-20-42-42 provides a valuable addition to the portfolio of adenoviral vectors available to develop safe and efficacious products in the fields of gene therapy and vaccination. IMPORTANCE Adenoviral vectors are currently under investigation for a broad range of therapeutic indications in diverse fields, such as oncology and gene therapy, as well as for vaccination both for human and veterinary use. A wealth of data shows that pre-existing immune responses may limit the use of a vector. Particularly in the current climate of global pandemic, there is a need to expand the toolbox with novel adenoviral vectors for vaccine development. Our data demonstrates that we have successfully vectorized a novel adenovirus serotype with low seroprevalence. The cell transduction data and antigen-specific immune responses induced in vivo demonstrate that this vector is highly promising for the development of gene therapy and vaccine products.