ABSTRACT Breakthrough infections by SARS-CoV-2 variants pose a global challenge to pandemic control, and the development of more effective vaccines of broadspectrum protection is needed. In this study, we constructed pVAX1-based plasmids encoding heterodimeric receptor-binding domain (RBD) chimera of SARS-CoV and SARS-CoV-2 Omicron BA.1 (RBD SARS/BA1 ), SARS-CoV and SARS-CoV-2 Beta (RBD SARS/Beta ), or Omicron BA.1 and Beta (RBD BA1/Beta ) in secreted form. When i.m. injected in mice, RBD SARS/BA1 and RBD SARS/Beta encoding plasmids (pAD1002 and pAD131, respectively) were by far more immunogenic than RBD BA1/Beta plasmid (pAD1003). Dissolvable microneedle array patches (MAP) laden with these DNA plasmids were fabricated. All 3 resulting MAP-based vaccine candidates, namely MAP-1002, MAP1003 and MAP-131, were comparable to i.m. inoculated plasmids with electroporation assistance in eliciting strong and durable IgG responses in BALB/c and C57BL/6 mice as well as rabbits, while MAP-1002 was comparatively the most immunogenic. More importantly, MAP-1002 significantly outperformed inactivated SARS-CoV-2 virus vaccine in inducing RBD-specific IFN-γ + T cells. Moreover, MAP-1002 antisera effectively neutralized pseudoviruses displaying spike proteins of SARS-CoV, prototype SARS-CoV-2 or Beta, Delta, Omicron BA1, BA2 and BA4/5 variants. Collectively, MAP-based DNA constructs encoding chimeric RBDs of SARS-CoV and SARS-CoV-2 variants, as represented by MAP-1002, are potential COVID-19 vaccine candidates worthy further translational study.

ABSTRACT Waves of breakthrough infections by SARS-CoV-2 Omicron subvariants pose a global challenge to pandemic control today. We have previously reported a pVAX1-based DNA vaccine candidate, pAD1002, which encodes a receptor-binding domain (RBD) chimera of SARS-CoV-1 and Omicron BA.1. In mouse and rabbit models, pAD1002 plasmid induced cross-neutralizing Abs against heterologous Sarbecoviruses, including SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 prototype, Delta and Omicron variants. However, these antisera failed to block the recent emerging Omicron subvariants BF.7 and BQ.1. To solve this problem, we replaced the BA.1-encoding DNA sequence in pAD1002 with that of BA.4/5. The resulting construct, namely pAD1016, elicited SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 RBD-specific IFN-γ + cellular responses in BALB/c and C57BL/6 mice. More importantly, pAD1016 vaccination in mice and rabbits generated serum Abs capable of neutralizing pseudoviruses representing multiple SARS-CoV-2 Omicron subvariants including BA.2, BA.4/5, BF.7, BQ.1 and XBB. As a booster vaccine for inactivated SARS-CoV-2 virus preimmunization in C57BL/6 mice, pAD1016 broadened the serum Ab neutralization spectrum to cover the Omicron BA.4/5, BF7 and BQ.1 subvariants. These data highlight the potential benefit of pAD1016 in eliciting neutralizing Abs against broad spectrum Omicron subvariants in individuals previously vaccinated with inactivated prototype SARS-CoV-2 virus and suggests that pAD1016 is worthy further translational study as a COVID-19 vaccine candidate.