A feature of many successful vaccines is the induction of memory B cells and long-lived plasma cells that can secrete neutralizing antibodies for a lifetime. The mechanisms that stimulate such persistent responses remain poorly understood. Bali Pulendran and colleagues show that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands, proteins with important roles in innate immunity, can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Here it is shown that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Many successful vaccines induce persistent antibody responses that can last a lifetime. The mechanisms by which they do so remain unclear, but emerging evidence indicates that they activate dendritic cells via Toll-like receptors (TLRs)1,2. For example, the yellow fever vaccine YF-17D, one of the most successful empiric vaccines ever developed3, activates dendritic cells via multiple TLRs to stimulate proinflammatory cytokines4,5. Triggering specific combinations of TLRs in dendritic cells can induce synergistic production of cytokines6, which results in enhanced T-cell responses, but its impact on antibody responses remain unknown. Learning the critical parameters of innate immunity that program such antibody responses remains a major challenge in vaccinology. Here we demonstrate that immunization of mice with synthetic nanoparticles containing antigens plus ligands that signal through TLR4 and TLR7 induces synergistic increases in antigen-specific, neutralizing antibodies compared to immunization with nanoparticles containing antigens plus a single TLR ligand. Consistent with this there was enhanced persistence of germinal centres and of plasma-cell responses, which persisted in the lymph nodes for >1.5 years. Surprisingly, there was no enhancement of the early short-lived plasma-cell response relative to that observed with single TLR ligands. Molecular profiling of activated B cells, isolated 7 days after immunization, indicated that there was early programming towards B-cell memory. Antibody responses were dependent on direct triggering of both TLRs on B cells and dendritic cells, as well as on T-cell help. Immunization protected completely against lethal avian and swine influenza virus strains in mice, and induced robust immunity against pandemic H1N1 influenza in rhesus macaques.

After primary immunization with an immunogenic conjugate of (4-hydroxy-3-nitrophenyl)acetyl, two anatomically and phenotypically distinct populations of antibody-forming cells arise in the spleen. As early as 2 d after immunization, foci of antigen-binding B cells are observed along the periphery of the periarteriolar lymphoid sheaths. These foci expand, occupying as much as 1% of the splenic volume by day 8 of the response. Later, foci grow smaller and are virtually absent from the spleen by day 14. A second responding population, germinal center B cells, appear on day 8-10 and persist at least until day 16 post-immunization. Individual foci and germinal centers represent discrete pauciclonal populations that apparently undergo somatic evolution in the course of the primary response. We suggest that foci may represent regions of predominantly interclonal competition for antigen among unmutated B cells, while germinal centers are sites of intraclonal clonal competition between mutated sister lymphocytes.

During acute infections, a small population of effector CD8(+) T cells evades terminal differentiation and survives as long-lived memory T cells. We demonstrate that the transcriptional repressor Blimp-1 enhanced the formation of terminally differentiated CD8(+) T cells during lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection, and Blimp-1 deficiency promoted the acquisition of memory cell properties by effector cells. Blimp-1 expression was preferentially increased in terminally differentiated effector and "effector memory" (Tem) CD8(+) T cells, and gradually decayed after infection as central memory (Tcm) cells developed. Blimp-1-deficient effector CD8(+) T cells showed some reduction in effector molecule expression, but primarily developed into memory precursor cells that survived better and more rapidly acquired several Tcm cell attributes, including CD62L and IL-2 expression and enhanced proliferative responses. These results reveal a critical role for Blimp-1 in controlling terminal differentiation and suppressing memory cell developmental potential in effector CD8(+) T cells during viral infection.

In the genetically restricted response that follows immunization with (4-hydroxy-3-nitrophenyl)acetyl coupled to protein carriers, two distinct populations of B cells are observed in the spleens of C57BL/6 mice. By 48 h postimmunization, foci of antigen-binding B cells appear along the periphery of the periarteriolar lymphoid sheaths. These foci expand to contain large numbers of antibody-forming cells that neither bind the lectin, peanut agglutinin, nor mutate the rearranged immunoglobulin variable region loci. Germinal centers containing peanut agglutinin-positive B cells can be observed by 96-120 h after immunization. Although specific for the immunizing hapten, these B cells do not produce substantial amounts of antibody, but are the population that undergoes somatic hypermutation and affinity-driven selection. Both focus and germinal center populations are pauciclonal, founded, on average, by three or fewer B lymphocytes. Despite the highly specialized roles of the focus (early antibody production) and germinal center (higher affinity memory cells) B cell populations, analysis of VH to D to JH joins in neighboring foci and germinal centers demonstrate that these B cell populations have a common clonal origin.

In the murine spleen, germinal centers are the anatomic sites for antigen-driven hypermutation and selection of immunoglobulin (Ig) genes. To detail the kinetics of Ig mutation and selection, 178 VDJ sequences from 16 antigen-induced germinal centers were analyzed. Although germinal centers appeared by day 4, mutation was not observed in germinal center B cells until day 8 postimmunization; thereafter, point mutations favoring asymmetrical transversions accumulated until day 14. During this period, strong phenotypic selection on the mutant B lymphocytes was inferred from progressively biased distributions of mutations within the Ig variable region, the loss of crippling mutations, decreased relative clonal diversity, and increasingly restricted use of canonical gene segments. The period of most intense selection on germinal center B cell populations preceded significant levels of mutation and may represent a physiologically determined restriction on B cells permitted to enter the memory pathway. Noncanonical Ig genes recovered from germinal centers were mostly unmutated although they probably came from antigen-reactive cells. Together, these observations demonstrate that the germinal center microenvironment is rich and temporally complex but may not be constitutive for somatic hypermutation.

Abstract B cells play a major role in the adaptive immune response by producing antigen-specific antibodies against pathogens and imparting immunological memory. Following infection or vaccination, antibody-secreting B cells and memory B cells are generated in specialized regions of lymph nodes and spleens, called germinal centers. Here, we report a fully synthetic ex-vivo system that recapitulates the generation of antigen-specific germinal-center (GC) like B cells using material-surface driven polyvalent signaling. This synthetic germinal center (sGC) reaction was effectively induced using biomaterial-based artificial “follicular T helper cells (T FH )” that provided both natural CD40-CD40L ligation as well as crosslinking of CD40; and by mimicking artificial “follicular dendritic cells (FDC)” to provide efficient, polyvalent antigen presentation. The artificial sGC reaction resulted in efficient B cell expansion, immunoglobulin (Ig) class switching, and expression of germinal center phenotypes. Antigen presentation during sGC reaction selectively enhanced the antigen-specific B cell population and induced somatic hyper-mutations for potential affinity maturation. The resulting B cell population consisted primarily of GC-like B cells (centrocytes) as well as some plasma-like B cells expressing CD138. With concurrent cell sorting, we successfully created highly enriched populations of antigen-specific B cells. Adoptive transfer of these GC-like B cells into non-irradiated isogeneic or non-lethally irradiated congenic recipient mice showed successful engraftment and survival of the donor cells for the 4 week test period. We show that this material-surface driven sGC reaction can be successfully applied to not only splenic B cells but also B cells isolated from more therapeutically relevant sources such as peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), thus making our current work an exciting prospect in the new era of personalized medicine and custom-immunotherapy.