Importance

 A comprehensive understanding of the benefits of COVID-19 vaccination requires consideration of disease attenuation, determined as whether people who develop COVID-19 despite vaccination have lower disease severity than unvaccinated people. 

Objective

 To evaluate the association between vaccination with mRNA COVID-19 vaccines—mRNA-1273 (Moderna) and BNT162b2 (Pfizer-BioNTech)—and COVID-19 hospitalization, and, among patients hospitalized with COVID-19, the association with progression to critical disease. 

Design, Setting, and Participants

 A US 21-site case-control analysis of 4513 adults hospitalized between March 11 and August 15, 2021, with 28-day outcome data on death and mechanical ventilation available for patients enrolled through July 14, 2021. Date of final follow-up was August 8, 2021. 

Exposures

 COVID-19 vaccination. 

Main Outcomes and Measures

 Associations were evaluated between prior vaccination and (1) hospitalization for COVID-19, in which case patients were those hospitalized for COVID-19 and control patients were those hospitalized for an alternative diagnosis; and (2) disease progression among patients hospitalized for COVID-19, in which cases and controls were COVID-19 patients with and without progression to death or mechanical ventilation, respectively. Associations were measured with multivariable logistic regression. 

Results

 Among 4513 patients (median age, 59 years [IQR, 45-69]; 2202 [48.8%] women; 23.0% non-Hispanic Black individuals, 15.9% Hispanic individuals, and 20.1% with an immunocompromising condition), 1983 were case patients with COVID-19 and 2530 were controls without COVID-19. Unvaccinated patients accounted for 84.2% (1669/1983) of COVID-19 hospitalizations. Hospitalization for COVID-19 was significantly associated with decreased likelihood of vaccination (cases, 15.8%; controls, 54.8%; adjusted OR, 0.15; 95% CI, 0.13-0.18), including for sequenced SARS-CoV-2 Alpha (8.7% vs 51.7%; aOR, 0.10; 95% CI, 0.06-0.16) and Delta variants (21.9% vs 61.8%; aOR, 0.14; 95% CI, 0.10-0.21). This association was stronger for immunocompetent patients (11.2% vs 53.5%; aOR, 0.10; 95% CI, 0.09-0.13) than immunocompromised patients (40.1% vs 58.8%; aOR, 0.49; 95% CI, 0.35-0.69) (P < .001) and weaker at more than 120 days since vaccination with BNT162b2 (5.8% vs 11.5%; aOR, 0.36; 95% CI, 0.27-0.49) than with mRNA-1273 (1.9% vs 8.3%; aOR, 0.15; 95% CI, 0.09-0.23) (P < .001). Among 1197 patients hospitalized with COVID-19, death or invasive mechanical ventilation by day 28 was associated with decreased likelihood of vaccination (12.0% vs 24.7%; aOR, 0.33; 95% CI, 0.19-0.58). 

Conclusions and Relevance

 Vaccination with an mRNA COVID-19 vaccine was significantly less likely among patients with COVID-19 hospitalization and disease progression to death or mechanical ventilation. These findings are consistent with risk reduction among vaccine breakthrough infections compared with absence of vaccination.

Abstract Objectives To characterize the clinical severity of covid-19 associated with the alpha, delta, and omicron SARS-CoV-2 variants among adults admitted to hospital and to compare the effectiveness of mRNA vaccines to prevent hospital admissions related to each variant. Design Case-control study. Setting 21 hospitals across the United States. Participants 11 690 adults (≥18 years) admitted to hospital: 5728 with covid-19 (cases) and 5962 without covid-19 (controls). Patients were classified into SARS-CoV-2 variant groups based on viral whole genome sequencing, and, if sequencing did not reveal a lineage, by the predominant circulating variant at the time of hospital admission: alpha (11 March to 3 July 2021), delta (4 July to 25 December 2021), and omicron (26 December 2021 to 14 January 2022). Main outcome measures Vaccine effectiveness calculated using a test negative design for mRNA vaccines to prevent covid-19 related hospital admissions by each variant (alpha, delta, omicron). Among patients admitted to hospital with covid-19, disease severity on the World Health Organization’s clinical progression scale was compared among variants using proportional odds regression. Results Effectiveness of the mRNA vaccines to prevent covid-19 associated hospital admissions was 85% (95% confidence interval 82% to 88%) for two vaccine doses against the alpha variant, 85% (83% to 87%) for two doses against the delta variant, 94% (92% to 95%) for three doses against the delta variant, 65% (51% to 75%) for two doses against the omicron variant; and 86% (77% to 91%) for three doses against the omicron variant. In-hospital mortality was 7.6% (81/1060) for alpha, 12.2% (461/3788) for delta, and 7.1% (40/565) for omicron. Among unvaccinated patients with covid-19 admitted to hospital, severity on the WHO clinical progression scale was higher for the delta versus alpha variant (adjusted proportional odds ratio 1.28, 95% confidence interval 1.11 to 1.46), and lower for the omicron versus delta variant (0.61, 0.49 to 0.77). Compared with unvaccinated patients, severity was lower for vaccinated patients for each variant, including alpha (adjusted proportional odds ratio 0.33, 0.23 to 0.49), delta (0.44, 0.37 to 0.51), and omicron (0.61, 0.44 to 0.85). Conclusions mRNA vaccines were found to be highly effective in preventing covid-19 associated hospital admissions related to the alpha, delta, and omicron variants, but three vaccine doses were required to achieve protection against omicron similar to the protection that two doses provided against the delta and alpha variants. Among adults admitted to hospital with covid-19, the omicron variant was associated with less severe disease than the delta variant but still resulted in substantial morbidity and mortality. Vaccinated patients admitted to hospital with covid-19 had significantly lower disease severity than unvaccinated patients for all the variants.

Three COVID-19 vaccines are authorized or approved for use among adults in the United States (1,2). Two 2-dose mRNA vaccines, mRNA-1273 from Moderna and BNT162b2 from Pfizer-BioNTech, received Emergency Use Authorization (EUA) by the Food and Drug Administration (FDA) in December 2020 for persons aged ≥18 years and aged ≥16 years, respectively. A 1-dose viral vector vaccine (Ad26.COV2 from Janssen [Johnson & Johnson]) received EUA in February 2021 for persons aged ≥18 years (3). The Pfizer-BioNTech vaccine received FDA approval for persons aged ≥16 years on August 23, 2021 (4). Current guidelines from FDA and CDC recommend vaccination of eligible persons with one of these three products, without preference for any specific vaccine (4,5). To assess vaccine effectiveness (VE) of these three products in preventing COVID-19 hospitalization, CDC and collaborators conducted a case-control analysis among 3,689 adults aged ≥18 years who were hospitalized at 21 U.S. hospitals across 18 states during March 11-August 15, 2021. An additional analysis compared serum antibody levels (anti-spike immunoglobulin G [IgG] and anti-receptor binding domain [RBD] IgG) to SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19, among 100 healthy volunteers enrolled at three hospitals 2-6 weeks after full vaccination with the Moderna, Pfizer-BioNTech, or Janssen COVID-19 vaccine. Patients with immunocompromising conditions were excluded. VE against COVID-19 hospitalizations was higher for the Moderna vaccine (93%; 95% confidence interval [CI] = 91%-95%) than for the Pfizer-BioNTech vaccine (88%; 95% CI = 85%-91%) (p = 0.011); VE for both mRNA vaccines was higher than that for the Janssen vaccine (71%; 95% CI = 56%-81%) (all p<0.001). Protection for the Pfizer-BioNTech vaccine declined 4 months after vaccination. Postvaccination anti-spike IgG and anti-RBD IgG levels were significantly lower in persons vaccinated with the Janssen vaccine than the Moderna or Pfizer-BioNTech vaccines. Although these real-world data suggest some variation in levels of protection by vaccine, all FDA-approved or authorized COVID-19 vaccines provide substantial protection against COVID-19 hospitalization.

Real-world evaluations have demonstrated high effectiveness of vaccines against COVID-19-associated hospitalizations (1-4) measured shortly after vaccination; longer follow-up is needed to assess durability of protection. In an evaluation at 21 hospitals in 18 states, the duration of mRNA vaccine (Pfizer-BioNTech or Moderna) effectiveness (VE) against COVID-19-associated hospitalizations was assessed among adults aged ≥18 years. Among 3,089 hospitalized adults (including 1,194 COVID-19 case-patients and 1,895 non-COVID-19 control-patients), the median age was 59 years, 48.7% were female, and 21.1% had an immunocompromising condition. Overall, 141 (11.8%) case-patients and 988 (52.1%) controls were fully vaccinated (defined as receipt of the second dose of Pfizer-BioNTech or Moderna mRNA COVID-19 vaccines ≥14 days before illness onset), with a median interval of 65 days (range = 14-166 days) after receipt of second dose. VE against COVID-19-associated hospitalization during the full surveillance period was 86% (95% confidence interval [CI] = 82%-88%) overall and 90% (95% CI = 87%-92%) among adults without immunocompromising conditions. VE against COVID-19- associated hospitalization was 86% (95% CI = 82%-90%) 2-12 weeks and 84% (95% CI = 77%-90%) 13-24 weeks from receipt of the second vaccine dose, with no significant change between these periods (p = 0.854). Whole genome sequencing of 454 case-patient specimens found that 242 (53.3%) belonged to the B.1.1.7 (Alpha) lineage and 74 (16.3%) to the B.1.617.2 (Delta) lineage. Effectiveness of mRNA vaccines against COVID-19-associated hospitalization was sustained over a 24-week period, including among groups at higher risk for severe COVID-19; ongoing monitoring is needed as new SARS-CoV-2 variants emerge. To reduce their risk for hospitalization, all eligible persons should be offered COVID-19 vaccination.