Despite recent success in vaccinating populations against SARS-CoV-2, concerns about immunity duration, continued efficacy against emerging variants, protection from infection and transmission, and worldwide vaccine availability, remain. Although mRNA, pDNA, and viral-vector based vaccines are being administered, no protein subunit-based SARS-CoV-2 vaccine is approved. Molecular adjuvants targeting pathogen-recognition receptors (PRRs) on antigen-presenting cells (APCs) could improve and broaden the efficacy and durability of vaccine responses. Native SARS-CoV-2 infection stimulate various PRRs, including toll-like receptors (TLRs) and retinoic-acid-inducible gene I-like receptors (RIG-I). We hypothesized that targeting the same PRRs using adjuvants on nanoparticles along with a stabilized spike (S) protein antigen could provide broad and efficient immune responses. Formulations targeting TLR4 (MPLA), TLR7/8 (R848), TLR9 (CpG), and RIG-I (PUUC) delivered on degradable polymer-nanoparticles (NPs) were combined with the S1 subunit of S protein and assessed in vitro with isogeneic mixed lymphocyte reactions (iso-MLRs). For in vivo studies, the adjuvanted nanoparticles were combined with stabilized S protein and assessed using intranasal and intramuscular prime-boost vaccination models in mice. Combination NP-adjuvants targeting both TLR and RIG-I (MPLA+PUUC, CpG+PUUC, or R848+PUUC) differentially increased proinflammatory cytokine secretion (IL-1β, IL-12p70, IL-27, IFN-β) by APCs cultured in vitro, and induced differential T cell proliferation. When delivered intranasally, MPLA+PUUC NPs enhanced local CD4+CD44+ activated memory T cell responses while MPLA NPs increased anti-S-protein-specific IgG and IgA in the lung. Following intramuscular delivery, PUUC-carrying NPs induced strong humoral immune responses, characterized by increases in anti-S-protein IgG and neutralizing antibody titers and germinal center B cell populations (GL7+ and BCL6+ B cells). MPLA+PUUC NPs further boosted S-protein-neutralizing antibody titers and T follicular helper cell populations in draining lymph nodes. These results suggest that SARS-CoV-2-mimicking adjuvants and subunit vaccines could lead to robust and unique route-specific adaptive immune responses and may provide additional tools against the pandemic.

ABSTRACT Existing parenteral SARS-CoV-2 vaccines produce only limited mucosal responses, which are essential for reducing transmission and achieving sterilizing immunity. Appropriately designed mucosal boosters could overcome the shortcomings of parenteral vaccines and enhance pre- existing systemic immunity. Here we present a new protein subunit nanovaccine using multiadjuvanted (e.g. RIG-I: PUUC, TLR9: CpG) polysaccharide-amino acid-lipid nanoparticles (PAL-NPs) that can be delivered both intramuscularly (IM) and intranasally (IN) to generate balanced mucosal-systemic SARS-CoV-2 immunity. Mice receiving IM-Prime PUUC+CpG PAL- NPs, followed by an IN-Boost, developed high levels of IgA, IgG, and cellular immunity in the lung, and showed robust systemic humoral immunity. Interestingly, as a purely intranasal vaccine (IN-Prime/IN-Boost), PUUC+CpG PAL-NPs induced stronger lung-specific T cell immunity than IM-Prime/IN-Boost, and a comparable IgA and neutralizing antibodies, although with a lower systemic antibody response, indicating that a fully mucosal delivery route for SARS-CoV-2 vaccination may also be feasible. Our data suggest that PUUC+CpG PAL-NP subunit vaccine is a promising candidate for generating SARS-CoV-2 specific mucosal immunity.