Antibodies are a principal determinant of immunity for most RNA viruses and have promise to reduce infection or disease during major epidemics. The novel coronavirus SARS-CoV-2 has caused a global pandemic with millions of infections and hundreds of thousands of deaths to date 1,2 . In response, we used a rapid antibody discovery platform to isolate hundreds of human monoclonal antibodies (mAbs) against the SARS-CoV-2 spike (S) protein. We stratify these mAbs into five major classes based on their reactivity to subdomains of S protein as well as their cross-reactivity to SARS-CoV. Many of these mAbs inhibit infection of authentic SARS-CoV-2 virus, with most neutralizing mAbs recognizing the receptor-binding domain (RBD) of S. This work defines sites of vulnerability on SARS-CoV-2 S and demonstrates the speed and robustness of new antibody discovery methodologies.

The COVID-19 pandemic is a major threat to global health for which there are only limited medical countermeasures, and we lack a thorough understanding of mechanisms of humoral immunity 1,2 . From a panel of monoclonal antibodies (mAbs) targeting the spike (S) glycoprotein isolated from the B cells of infected subjects, we identified several mAbs that exhibited potent neutralizing activity with IC 50 values as low as 0.9 or 15 ng/mL in pseudovirus or wild-type ( wt ) SARS-CoV-2 neutralization tests, respectively. The most potent mAbs fully block the receptor-binding domain of S (S RBD ) from interacting with human ACE2. Competition-binding, structural, and functional studies allowed clustering of the mAbs into defined classes recognizing distinct epitopes within major antigenic sites on the S RBD . Electron microscopy studies revealed that these mAbs recognize distinct conformational states of trimeric S protein. Potent neutralizing mAbs recognizing unique sites, COV2-2196 and COV2-2130, bound simultaneously to S and synergistically neutralized authentic SARS-CoV-2 virus. In two murine models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of either COV2-2916 or COV2-2130 alone or a combination of both mAbs protected mice from severe weight loss and reduced viral burden and inflammation in the lung. These results identify protective epitopes on the S RBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic cocktails.

The emergence of highly transmissible SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) that are resistant to therapeutic antibodies highlights the need for continuing discovery of broadly reactive antibodies. We identify four receptor-binding domain targeting antibodies from three early-outbreak convalescent donors with potent neutralizing activity against 12 variants including the B.1.1.7 and B.1.351 VOCs. Two of them are ultrapotent, with sub-nanomolar neutralization titers (IC50 <0.0006 to 0.0102 μ g/mL; IC80 < 0.0006 to 0.0251 μ g/mL). We define the structural and functional determinants of binding for all four VOC-targeting antibodies, and show that combinations of two antibodies decrease the in vitro generation of escape mutants, suggesting potential means to mitigate resistance development. These results define the basis of therapeutic cocktails against VOCs and suggest that targeted boosting of existing immunity may increase vaccine breadth against VOCs.

Pan-betacoronavirus neutralizing antibodies may hold the key to developing broadly protective vaccines against coronaviruses that cause severe disease, for anticipating novel pandemic-causing viruses, and to respond more effectively to SARS-CoV-2 variants. The emergence of the Omicron variant of SARS-CoV-2 has illustrated the limitations of solely targeting the receptor binding domain (RBD) of the envelope Spike (S)-protein. Here, we isolated a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) from SARS-CoV-2 recovered-vaccinated donors that target a conserved S2 region in the fusion machinery on betacoronavirus spikes. Select bnAbs show broad in vivo protection against all three pathogenic betacoronaviruses, SARS-CoV-1, SARS-CoV-2 and MERS-CoV, that have spilled over into humans in the past 20 years to cause severe disease. The bnAbs provide new opportunities for antibody-based interventions and key insights for developing pan-betacoronavirus vaccines.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in 2019 as the causative agent of the novel pandemic viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for safe, broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV), a monophosphoramidate prodrug of an adenosine analog, potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC 50 = 0.01 μM). Weaker activity was observed in Vero E6 cells (EC 50 = 1.65 μM) due to their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase, of SARS-CoV-2. In mice infected with chimeric virus, therapeutic RDV administration diminished lung viral load and improved pulmonary function as compared to vehicle treated animals. These data provide evidence that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo , supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

The COVID-19 pandemic remains uncontrolled despite the rapid rollout of safe and effective SARS-CoV-2 vaccines, underscoring the need to develop highly effective antivirals. In the setting of waning immunity from infection and vaccination, breakthrough infections are becoming increasingly common and treatment options remain limited. Additionally, the emergence of SARS-CoV-2 variants of concern with their potential to escape therapeutic monoclonal antibodies emphasizes the need to develop second-generation oral antivirals targeting highly conserved viral proteins that can be rapidly deployed to outpatients. Here, we demonstrate the in vitro antiviral activity and in vivo therapeutic efficacy of GS-621763, an orally bioavailable prodrug of GS-441524, the parental nucleoside of remdesivir, which targets the highly conserved RNA-dependent RNA polymerase. GS-621763 exhibited significant antiviral activity in lung cell lines and two different human primary lung cell culture systems. The dose-proportional pharmacokinetic profile observed after oral administration of GS-621763 translated to dose-dependent antiviral activity in mice infected with SARS-CoV-2. Therapeutic GS-621763 significantly reduced viral load, lung pathology, and improved pulmonary function in COVID-19 mouse model. A direct comparison of GS-621763 with molnupiravir, an oral nucleoside analog antiviral currently in human clinical trial, proved both drugs to be similarly efficacious. These data demonstrate that therapy with oral prodrugs of remdesivir can significantly improve outcomes in SARS-CoV-2 infected mice. Thus, GS-621763 supports the exploration of GS-441524 oral prodrugs for the treatment of COVID-19 in humans.

Abstract The emergence of SARS-CoV in 2003 and SARS-CoV-2 in 2019 highlights the need to develop universal vaccination strategies against the broader Sarbecovirus subgenus. Using chimeric spike designs, we demonstrate protection against challenge from SARS-CoV, SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 B.1.351, bat CoV (Bt-CoV) RsSHC014, and a heterologous Bt-CoV WIV-1 in vulnerable aged mice. Chimeric spike mRNAs induced high levels of broadly protective neutralizing antibodies against high-risk Sarbecoviruses. In contrast, SARS-CoV-2 mRNA vaccination not only showed a marked reduction in neutralizing titers against heterologous Sarbecoviruses, but SARS-CoV and WIV-1 challenge in mice resulted in breakthrough infection. Chimeric spike mRNA vaccines efficiently neutralized D614G, UK B.1.1.7., mink cluster five, and the South African B.1.351 variant of concern. Thus, multiplexed-chimeric spikes can prevent SARS-like zoonotic coronavirus infections with pandemic potential. Sentence Chimerized RBD, NTD, and S2 spike mRNA-LNPs protect mice against epidemic, zoonotic, and pandemic SARS-like viruses

Improving the standard of clinical care for individuals infected with SARS-CoV-2 variants is a global health priority. Small molecule antivirals like remdesivir (RDV) and biologics such as human monoclonal antibodies (mAb) have demonstrated therapeutic efficacy against SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. However, it is not known if combination RDV/mAb will improve outcomes over single agent therapies or whether antibody therapies will remain efficacious against variants. In kinetic studies in a mouse-adapted model of ancestral SARS-CoV-2 pathogenesis, we show that a combination of two mAbs in clinical trials, C144 and C135, have potent antiviral effects against even when initiated 48 hours after infection. The same antibody combination was also effective in prevention and therapy against the B.1.351 variant of concern (VOC). Combining RDV and antibodies provided a modest improvement in outcomes compared to single agents. These data support the continued use of RDV to treat SARS-CoV-2 infections and support the continued clinical development of the C144 and C135 antibody combination to treat patients infected with SARS-CoV-2 variants.

The emergence of current SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) and potential future spillovers of SARS-like coronaviruses into humans pose a major threat to human health and the global economy 1-7 . Development of broadly effective coronavirus vaccines that can mitigate these threats is needed 8, 9 . Notably, several recent studies have revealed that vaccination of recovered COVID-19 donors results in enhanced nAb responses compared to SARS-CoV-2 infection or vaccination alone 10-13 . Here, we utilized a targeted donor selection strategy to isolate a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) to sarbecoviruses from two such donors. Many of the bnAbs are remarkably effective in neutralization against sarbecoviruses that use ACE2 for viral entry and a substantial fraction also show notable binding to non-ACE2-using sarbecoviruses. The bnAbs are equally effective against most SARS-CoV-2 VOCs and many neutralize the Omicron variant. Neutralization breadth is achieved by bnAb binding to epitopes on a relatively conserved face of the receptor binding domain (RBD) as opposed to strain-specific nAbs to the receptor binding site that are commonly elicited in SARS-CoV-2 infection and vaccination 14-18 . Consistent with targeting of conserved sites, select RBD bnAbs exhibited in vivo protective efficacy against diverse SARS-like coronaviruses in a prophylaxis challenge model. The generation of a large panel of potent bnAbs provides new opportunities and choices for next-generation antibody prophylactic and therapeutic applications and, importantly, provides a molecular basis for effective design of pan-sarbecovirus vaccines.

ABSTRACT Coronavirus vaccines that are highly effective against SARS-CoV-2 variants are needed to control the current pandemic. We previously reported a receptor-binding domain (RBD) sortase A-conjugated ferritin nanoparticle (RBD-scNP) vaccine that induced neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 and pre-emergent sarbecoviruses and protected monkeys from SARS-CoV-2 WA-1 infection. Here, we demonstrate SARS-CoV-2 RBD-scNP immunization induces potent neutralizing antibodies in non-human primates (NHPs) against all eight SARS-CoV-2 variants tested including the Beta, Delta, and Omicron variants. The Omicron variant was neutralized by RBD-scNP-induced serum antibodies with a mean of 10.6-fold reduction of ID50 titers compared to SARS-CoV-2 D614G. Immunization with RBD-scNPs protected NHPs from SARS-CoV-2 WA-1, Beta, and Delta variant challenge, and protected mice from challenges of SARS-CoV-2 Beta variant and two other heterologous sarbecoviruses. These results demonstrate the ability of RBD-scNPs to induce broad neutralization of SARS-CoV-2 variants and to protect NHPs and mice from multiple different SARS-related viruses. Such a vaccine could provide the needed immunity to slow the spread of and reduce disease caused by SARS-CoV-2 variants such as Delta and Omicron.