Abstract Remarkable progress has been made in developing intramuscular vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2); however, they are limited with respect to eliciting local immunity in the respiratory tract, which is the primary infection site for SARS-CoV-2. To overcome the limitations of intramuscular vaccines, we constructed a nasal vaccine candidate based on an influenza vector by inserting a gene encoding the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein of SARS-CoV-2, named CA4-dNS1-nCoV-RBD (dNS1-RBD). A preclinical study showed that in hamsters challenged 1 day and 7 days after single-dose vaccination or 6 months after booster vaccination, dNS1-RBD largely mitigated lung pathology, with no loss of body weight, caused by either the prototype-like strain or beta variant of SARS-CoV-2. Lasted data showed that the animals could be well protected against beta variant challenge 9 months after vaccination. Notably, the weight loss and lung pathological changes of hamsters could still be significantly reduced when the hamster was vaccinated 24 h after challenge. Moreover, such cellular immunity is relatively unimpaired for the most concerning SARS-CoV-2 variants. The protective immune mechanism of dNS1-RBD could be attributed to the innate immune response in the nasal epithelium, local RBD-specific T cell response in the lung, and RBD-specific IgA and IgG response. Thus, this study demonstrates that the intranasally delivered dNS1-RBD vaccine candidate may offer an important addition to fight against the ongoing COVID-19 pandemic, compensating limitations of current intramuscular vaccines, particularly at the start of an outbreak.

Abstract Massive sequencing of SARS-CoV-2 genomes has led to a great demand for adding new samples to a reference phylogeny instead of building the tree from scratch. To address such challenge, we proposed an algorithm ‘TIPars’ by integrating parsimony analysis with pre-computed ancestral sequences. Compared to four state-of-the-art methods on four benchmark datasets (SARS-CoV-2, Influenza virus, Newcastle disease virus and 16S rRNA genes), TIPars achieved the best performance in most tests. It took only 21 seconds to insert 100 SARS-CoV-2 genomes to a 100k-taxa reference tree using near 1.4 gigabytes of memory. Its efficient and accurate phylogenetic placements and incrementation for phylogenies with highly similar and divergent sequences suggest that it will be useful in a wide range of studies including pathogen molecular epidemiology, microbiome diversity and systematics.

Abstract The widespread SARS-CoV-2 in humans results in the continuous emergence of new variants. Recently emerged Omicron variant with multiple spike mutations sharply increases the risk of breakthrough infection or reinfection, highlighting the urgent need for new vaccines with broad-spectrum antigenic coverage. Using inter-lineage chimera and mutation patch strategies, we engineered a recombinant monomeric spike variant (STFK1628x), which showed high immunogenicity and mutually complementary antigenicity to its prototypic form (STFK). In hamsters, a bivalent vaccine comprised of STFK and STFK1628x elicited high titers of broad-spectrum antibodies to neutralize all 14 circulating SARS-CoV-2 variants, including Omicron; and fully protected vaccinees from intranasal SARS-CoV-2 challenges of either the ancestral strain or immune-evasive Beta variant. Strikingly, the vaccination of hamsters with the bivalent vaccine completely blocked the within-cage virus transmission to unvaccinated sentinels, for either the ancestral SARS-CoV-2 or Beta variant. Thus, our study provides new insights and antigen candidates for developing next-generation COVID-19 vaccines.

Abstract The emergence of SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2) variants and “anatomical escape” characteristics threaten the effectiveness of current coronavirus disease (COVID-19) vaccines. There is an urgent need to understand the immunological mechanism of broad-spectrum respiratory tract protection to guide broader vaccines development. In this study, we investigated immune responses induced by an NS1-deleted influenza virus vectored intranasal COVID-19 vaccine (dNS1-RBD) which provides broad-spectrum protection against SARS-CoV-2 variants. Intranasal delivery of dNS1-RBD induced innate immunity, trained immunity and tissue-resident memory T cells covering the upper and lower respiratory tract. It restrained the inflammatory response by suppressing early phase viral load post SARS-CoV-2 challenge and attenuating pro-inflammatory cytokine ( IL-6, IL-1B , and IFN- γ) levels, thereby reducing excess immune-induced tissue injury compared with the control group. By inducing local cellular immunity and trained immunity, intranasal delivery of NS1-deleted influenza virus vectored vaccine represents a broad-spectrum COVID-19 vaccine strategy to reduce disease burden.

Abstract A safe and effective SARS-CoV-2 vaccine is essential to avert the on-going COVID-19 pandemic. Here, we developed a subunit vaccine, which is comprised of CHO-expressed spike ectodomain protein (StriFK) and nitrogen bisphosphonates-modified zinc-aluminum hybrid adjuvant (FH002C). This vaccine candidate rapidly elicited the robust humoral response, Th1/Th2 balanced helper CD4 T cell and CD8 T cell immune response in animal models. In mice, hamsters, and non-human primates, 2-shot and 3-shot immunization of StriFK-FH002C generated 28- to 38-fold and 47- to 269-fold higher neutralizing antibody titers than the human COVID-19 convalescent plasmas, respectively. More importantly, the StriFK-FH002C immunization conferred sterilizing immunity to prevent SARS-CoV-2 infection and transmission, which also protected animals from virus-induced weight loss, COVID-19-like symptoms, and pneumonia in hamsters. Vaccine-induced neutralizing and cell-based receptor-blocking antibody titers correlated well with protective efficacy in hamsters, suggesting vaccine-elicited protection is immune-associated. The StriFK-FH002C provided a promising SARS-CoV-2 vaccine candidate for further clinical evaluation.