The ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a major threat to global health1 and the medical countermeasures available so far are limited2,3. Moreover, we currently lack a thorough understanding of the mechanisms of humoral immunity to SARS-CoV-24. Here we analyse a large panel of human monoclonal antibodies that target the spike (S) glycoprotein5, and identify several that exhibit potent neutralizing activity and fully block the receptor-binding domain of the S protein (SRBD) from interacting with human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Using competition-binding, structural and functional studies, we show that the monoclonal antibodies can be clustered into classes that recognize distinct epitopes on the SRBD, as well as distinct conformational states of the S trimer. Two potently neutralizing monoclonal antibodies, COV2-2196 and COV2-2130, which recognize non-overlapping sites, bound simultaneously to the S protein and neutralized wild-type SARS-CoV-2 virus in a synergistic manner. In two mouse models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of COV2-2196, COV2-2130 or a combination of both of these antibodies protected mice from weight loss and reduced the viral burden and levels of inflammation in the lungs. In addition, passive transfer of either of two of the most potent ACE2-blocking monoclonal antibodies (COV2-2196 or COV2-2381) as monotherapy protected rhesus macaques from SARS-CoV-2 infection. These results identify protective epitopes on the SRBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic agents. An analysis identifies human monoclonal antibodies that potently neutralize wild-type SARS-CoV-2 and protect animals from disease, including two that synergize in a cocktail, suggesting that these could be candidates for use as therapeutic agents for the treatment of COVID-19 in humans.

Prototype DNA vaccines for SARS-CoV-2 The development of a vaccine to protect against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an urgent biomedical need. Yu et al. designed a series of prototype DNA vaccines against the SARS-CoV-2 spike protein, which is used by the virus to bind and invade human cells. Analysis of the vaccine candidates in rhesus macaques showed that animals developed protective humoral and cellular immune responses when challenged with the virus. Neutralizing antibody titers were also observed at levels similar to those seen in humans who have recovered from SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 806

Immunity from reinfection One of the many open questions about severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is whether an individual who has cleared the virus can be infected a second time and get sick. Chandrashekar et al. and Deng et al. generated rhesus macaque models of SARS-CoV-2 infection and tested whether natural SARS-CoV-2 infection could result in immunity to viral rechallenge. They found that animals indeed developed immune responses that protected against a second infection. Although there are differences between SARS-CoV-2 infection in macaques and in humans, these findings have key implications for public health and economic initiatives if validated in human studies. Science , this issue p. 812 , p. 818

Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)-specific monoclonal antibodies with extraordinary potency and breadth have recently been described. In humanized mice, combinations of monoclonal antibodies have been shown to suppress viraemia, but the therapeutic potential of these monoclonal antibodies has not yet been evaluated in primates with an intact immune system. Here we show that administration of a cocktail of HIV-1-specific monoclonal antibodies, as well as the single glycan-dependent monoclonal antibody PGT121, resulted in a rapid and precipitous decline of plasma viraemia to undetectable levels in rhesus monkeys chronically infected with the pathogenic simian-human immunodeficiency virus SHIV-SF162P3. A single monoclonal antibody infusion afforded up to a 3.1 log decline of plasma viral RNA in 7 days and also reduced proviral DNA in peripheral blood, gastrointestinal mucosa and lymph nodes without the development of viral resistance. Moreover, after monoclonal antibody administration, host Gag-specific T-lymphocyte responses showed improved functionality. Virus rebounded in most animals after a median of 56 days when serum monoclonal antibody titres had declined to undetectable levels, although, notably, a subset of animals maintained long-term virological control in the absence of further monoclonal antibody infusions. These data demonstrate a profound therapeutic effect of potent neutralizing HIV-1-specific monoclonal antibodies in SHIV-infected rhesus monkeys as well as an impact on host immune responses. Our findings strongly encourage the investigation of monoclonal antibody therapy for HIV-1 in humans.

The authors test several candidate vaccines for Zika virus in mouse models and show that single-shot DNA vaccines and inactivated virus vaccines provide complete protection against Zika virus isolates from Brazil and Puerto Rico. Dan Barouch and colleagues explore candidate vaccines for Zika virus in mouse models and show that single-shot DNA vaccines and inactivated virus vaccine provide complete protection against Zika virus isolates from Brazil and Puerto Rico. Protection correlates with Env-specific antibody titres and can be passively transferred. Zika virus (ZIKV) is a flavivirus that is responsible for the current epidemic in Brazil and the Americas1,2. ZIKV has been causally associated with fetal microcephaly, intrauterine growth restriction, and other birth defects in both humans3,4,5,6,7,8 and mice9,10,11. The rapid development of a safe and effective ZIKV vaccine is a global health priority1,2, but very little is currently known about ZIKV immunology and mechanisms of immune protection. Here we show that a single immunization with a plasmid DNA vaccine or a purified inactivated virus vaccine provides complete protection in susceptible mice against challenge with a strain of ZIKV involved in the outbreak in northeast Brazil. This ZIKV strain has recently been shown to cross the placenta and to induce fetal microcephaly and other congenital malformations in mice11. We produced DNA vaccines expressing ZIKV pre-membrane and envelope (prM-Env), as well as a series of deletion mutants. The prM-Env DNA vaccine, but not the deletion mutants, afforded complete protection against ZIKV, as measured by absence of detectable viraemia following challenge, and protective efficacy correlated with Env-specific antibody titers. Adoptive transfer of purified IgG from vaccinated mice conferred passive protection, and depletion of CD4 and CD8 T lymphocytes in vaccinated mice did not abrogate this protection. These data demonstrate that protection against ZIKV challenge can be achieved by single-shot subunit and inactivated virus vaccines in mice and that Env-specific antibody titers represent key immunologic correlates of protection. Our findings suggest that the development of a ZIKV vaccine for humans is likely to be achievable.

Importance

 Pregnant women are at increased risk of morbidity and mortality from COVID-19 but have been excluded from the phase 3 COVID-19 vaccine trials. Data on vaccine safety and immunogenicity in these populations are therefore limited. 

Objective

 To evaluate the immunogenicity of COVID-19 messenger RNA (mRNA) vaccines in pregnant and lactating women, including against emerging SARS-CoV-2 variants of concern. 

Design, Setting, and Participants

 An exploratory, descriptive, prospective cohort study enrolled 103 women who received a COVID-19 vaccine from December 2020 through March 2021 and 28 women who had confirmed SARS-CoV-2 infection from April 2020 through March 2021 (the last follow-up date was March 26, 2021). This study enrolled 30 pregnant, 16 lactating, and 57 neither pregnant nor lactating women who received either the mRNA-1273 (Moderna) or BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) COVID-19 vaccines and 22 pregnant and 6 nonpregnant unvaccinated women with SARS-CoV-2 infection. 

Main Outcomes and Measures

 SARS-CoV-2 receptor binding domain binding, neutralizing, and functional nonneutralizing antibody responses from pregnant, lactating, and nonpregnant women were assessed following vaccination. Spike-specific T-cell responses were evaluated using IFN-γ enzyme-linked immunospot and multiparameter intracellular cytokine–staining assays. Humoral and cellular immune responses were determined against the original SARS-CoV-2 USA-WA1/2020 strain as well as against the B.1.1.7 and B.1.351 variants. 

Results

 This study enrolled 103 women aged 18 to 45 years (66% non-Hispanic White) who received a COVID-19 mRNA vaccine. After the second vaccine dose, fever was reported in 4 pregnant women (14%; SD, 6%), 7 lactating women (44%; SD, 12%), and 27 nonpregnant women (52%; SD, 7%). Binding, neutralizing, and functional nonneutralizing antibody responses as well as CD4 and CD8 T-cell responses were present in pregnant, lactating, and nonpregnant women following vaccination. Binding and neutralizing antibodies were also observed in infant cord blood and breast milk. Binding and neutralizing antibody titers against the SARS-CoV-2 B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern were reduced, but T-cell responses were preserved against viral variants. 

Conclusion and Relevance

 In this exploratory analysis of a convenience sample, receipt of a COVID-19 mRNA vaccine was immunogenic in pregnant women, and vaccine-elicited antibodies were transported to infant cord blood and breast milk. Pregnant and nonpregnant women who were vaccinated developed cross-reactive antibody responses and T-cell responses against SARS-CoV-2 variants of concern.

Abstract The emergence and reemergence of highly virulent viral pathogens with pandemic potential has created an urgent need for accelerated discovery of antiviral therapeutics. Antiviral human monoclonal (mAbs) are promising drug candidates to prevent or treat severe viral diseases, but the long timelines needed for discovery limits their rapid deployment and use. Here, we report the development of an integrated sequence of technologies incorporating advances in single-cell mRNA sequence analysis, bioinformatics, synthetic biology, and high-throughput functional analysis that allowed us to discover highly potent antiviral human mAbs and validate their activity in vivo at an unprecedented scale, speed, and efficiency. In a 78-day study, modeling deployment of a rapid response platform to an outbreak, we isolated >100 individual Zika virus (ZIKV) specific human mAbs, assessed their function, identified 29 broadly-neutralizing mAbs, and verified therapeutic potency of lead candidates with antibody-encoding mRNA formulation and/or IgG protein delivery in mice and nonhuman primates. Our work provides a roadmap for the rapid antibody discovery programs against viral pathogens of global concern.

Abstract Zika virus (ZIKV) is a mosquito-borne flavivirus that caused a global pandemic in 2016-2017 with continued ongoing transmission at low levels in several countries. In the absence of an approved ZIKV vaccine, neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) provide an option for the prevention and treatment of ZIKV infection. Previous studies identified a potent neutralizing human mAb ZIKV-117 that reduced fetal infection and death in mice following ZIKV challenge. In this study, we report exquisite potency of ZIKV-117 in a titration study in rhesus macaques to protect against ZIKV challenge. We show complete protection at a dose of 0.016 mg/kg ZIKV-117, which resulted in median serum concentrations of 0.13 µg/mL. The high potency of this mAb supports its potential clinical development as a novel biotherapeutic intervention for ZIKV. Importance In this study, we report the potency of the ZIKV-specific neutralizing antibody ZIKV-117 against ZIKV challenge in a titration study rhesus macaques. This high potency supports the further development of this mAb for ZIKV.

ABSTRACT Human monoclonal antibody (mAb) treatments are promising for COVID-19 prevention, post-exposure prophylaxis, or therapy. However, the titer of neutralizing antibodies required for protection against SARS-CoV-2 infection remains poorly characterized. We previously described two potently neutralizing mAbs COV2-2130 and COV2-2381 targeting non-overlapping epitopes on the receptor-binding domain of SARS-CoV-2 spike protein. Here, we engineered the Fc-region of these mAbs with mutations to extend their persistence in humans and reduce interactions with Fc gamma receptors. Passive transfer of individual or combinations of the two antibodies (designated ADM03820) given prophylactically by intravenous or intramuscular route conferred virological protection in a non-human primate (NHP) model of SARS-CoV-2 infection, and ADM03820 potently neutralized SARS-CoV-2 variants of concern in vitro . We defined 6,000 as a protective serum neutralizing antibody titer in NHPs against infection for passively transferred human mAbs that acted by direct viral neutralization, which corresponded to a concentration of 20 μg/mL of circulating mAb.

Passive administration of HIV neutralizing antibodies (nAbs) can protect macaques from hard-to-neutralize (Tier 2) chimeric simian-human immunodeficiency virus (SHIV) challenge. However, conditions for nAb-mediated protection following vaccination have not been established. Here, we selected groups of 6 rhesus macaques with either high or low serum nAb titers from a total of 78 animals immunized with recombinant native-like (SOSIP) Env trimers from the BG505 HIV isolate. Repeat intrarectal challenge with homologous Tier 2 SHIVBG505 led to rapid infection in unimmunized and low-titer animals. In contrast, high-titer animals demonstrated protection that was gradually lost as nAb titers waned over weeks to months. From these results, we determined that an autologous serum ID50 nAb titer of ~1:500 was required to afford over 90% protection from medium-dose SHIV infection. We further identified autologous nAb titers, but not ADCC or T cell activity, as strong correlates of protection. These results provide proof-of-concept that Env protein-based vaccination strategies can protect against hard-to-neutralize SHIV challenge in rhesus macaques by inducing Tier 2 nAbs, provided appropriate neutralizing titers can be reached and maintained.