Abstract We analyzed data from two ongoing COVID-19 longitudinal serological surveys in Orange County, CA., between April 2020 and March 2021. A total of 8,476 finger stick blood specimens were collected before and after an aggressive mRNA vaccination campaign. IgG levels were determined using a multiplex antigen microarray containing 10 SARS-CoV-2 antigens, 4 SARS, 3 MERS, 12 Common CoV, and 8 Influenza antigens. Twenty-six percent of 3,347 specimens from unvaccinated Orange County residents in December 2020 were SARS-CoV-2 seropositive. The Ab response was predominantly against nucleocapsid (NP), full length spike and the spike S2 domain. Anti-receptor binding domain (RBD) reactivity was low and there was no cross-reactivity against SARS S1 or SARS RBD. An aggressive mRNA vaccination campaign at the UCI Medical Center started on December 16, 2020 and 6,724 healthcare workers were vaccinated within 3 weeks. Seroprevalence increased from 13% in December to 79% in January, 93% in February and 99% in March. mRNA vaccination induced much higher Ab levels especially against the RBD domain and significant cross-reactivity against SARS RBD and S1 was also observed. Nucleocapsid protein Abs can be used to distinguish individuals in a population of vaccinees to classify those who have been previously infected and those who have not, because nucleocapsid is not in the vaccine. Previously infected individuals developed higher Ab titers to the vaccine than those who have not been previously exposed. These results indicate that mRNA vaccination rapidly induces a much stronger and broader Ab response than SARS-CoV-2 infection.

Abstract To detect the presence of antibodies in blood against SARS-CoV-2 in a highly sensitive and specific manner, here we describe a robust, inexpensive ($200), 3D-printable portable imaging platform (TinyArray imager) that can be deployed immediately in areas with minimal infrastructure to read coronavirus antigen microarrays (CoVAMs) that contain a panel of antigens from SARS-CoV-2, SARS-1, MERS, and other respiratory viruses. Application includes basic laboratories and makeshift field clinics where a few drops of blood from a finger prick could be rapidly tested in parallel for the presence of antibodies to SARS-CoV-2 with a test turnaround time of only 2-4 h. To evaluate our imaging device, we probed and imaged coronavirus microarrays with COVID-19-positive and negative sera and achieved a performance on par with a commercial microarray reader 100x more expensive than our imaging device. This work will enable large scale serosurveillance, which can play an important role in the months and years to come to implement efficient containment and mitigation measures, as well as help develop therapeutics and vaccines to treat and prevent the spread of COVID-19.

Abstract Antibodies against Aß amyloid are indispensable research tools and potential therapeutics for Alzheimer’s Disease, but display several unusual properties, such as specificity for aggregated forms of the peptide, ability to distinguish polymorphic aggregate structures and ability to recognize generic aggregation-related epitopes formed by unrelated amyloid sequences. Understanding the mechanisms underlying these unusual properties of anti-amyloid antibodies and the structures of their corresponding epitopes is crucial for the understanding why antibodies display different therapeutic activities and for the development of more effective therapeutic agents. Here we employed a novel “epitomic” approach to map the fine structure of the epitopes of 28 monoclonal antibodies against amyloid-beta using immunoselection of random sequences from a phage display library, deep sequencing and pattern analysis to define the critical sequence elements recognized by the antibodies. Although most of the antibodies map to major linear epitopes in the amino terminal 1-14 residues of Aß, the antibodies display differences in the target sequence residues that are critical for binding and in their individual preferences for non-target residues, indicating that the antibodies bind to alternative conformations of the sequence by different mechanisms. Epitomic analysis also identifies more discontinuous, non-overlapping sequence Aß segments than peptide array approaches that may constitute the conformational epitopes that underlie the aggregation specificity of antibodies. Aggregation specific antibodies recognize sequences that display a significantly higher predicted propensity for forming amyloid than antibodies that recognize monomer, indicating that the ability of random sequences to aggregate into amyloid is a critical element of their binding mechanism.

Abstract Enterotoxigenic E. coli (ETEC) contribute significantly to the substantial burden of infectious diarrhea among children living in low and middle income countries. In the absence of a vaccine for ETEC, children succumb to acute dehydration as well as non-diarrheal sequelae related to these infections including malnutrition. The considerable diversity of ETEC genomes has complicated canonical vaccine development approaches focused on a subset of antigens known as colonization factors (CFs). To identify additional conserved immunogens, we mined genomic sequences of 89 ETEC isolates, bioinformatically selected potential surface-exposed pathovar-specific antigens conserved in more than 40% of the genomes (n=118), and assembled the representative proteins onto microarrays, complemented with known or putative colonization factor subunit molecules (n=52), and toxin subunits to interrogate samples from individuals with acute symptomatic ETEC infections. Surprisingly, in this open-aperture approach, we found that immune responses were largely constrained to a small number of antigens including individual colonization factor antigens and EtpA, an extracellular adhesin. In a Bangladeshi cohort of naturally infected children < 2 years of age, both EtpA and a second noncanonical antigen, EatA, elicited significant serologic responses that were associated with protection from symptomatic illness. In addition, children infected with ETEC isolates bearing either etpA or eatA genes were significantly more likely to develop symptomatic disease. These studies support a role for more recently discovered noncanonical antigens in virulence and the development of adaptive immune responses during ETEC infections, findings that may inform vaccine design efforts to complement existing approaches.

Abstract A coronavirus antigen microarray (COVAM) was constructed containing 11 SARS-CoV-2, 5 SARS-1, 5 MERS, and 12 seasonal coronavirus recombinant proteins. The array is designed to measure immunoglobulin isotype and subtype levels in serum or plasma samples against each of the individual antigens printed on the array. We probed the COVAM with COVID-19 convalescent plasma (CCP) collected from 99 donors who recovered from a PCR+ confirmed SARS-CoV-2 infection. The results were analyzed using two computational approaches, a generalized linear model (glm) and Random Forest (RF) prediction model, to classify individual specimens as either Reactive or Non-Reactive against the SARS-CoV-2 antigens. A training set of 88 pre-COVID-19 specimens (PreCoV) collected in August 2019 and102 positive specimens from SARS-CoV-2 PCR+ confirmed COVID-19 cases was used for these analyses. Results compared with an FDA emergency use authorized (EUA) SARS-CoV2 S1-based total Ig chemiluminescence immunoassay (Ortho Clinical Diagnostics VITROS® Anti-SARS-CoV-2 Total, CoV2T) and with a SARS-CoV-2 S1-S2 spike-based pseudovirus micro neutralization assay (SARS-CoV-2 reporter viral particle neutralization titration (RVPNT) showed high concordance between the 3 assays. Three CCP specimens that were negative by the VITROS CoV2T immunoassay were also negative by both COVAM and the RVPNT assay. Concordance between VITROS CoV2T and COVAM was 96%, VITROS CoV2T and RVPNT 93%, and RVPNT and COVAM 95%. The discordances were all weakly reactive samples near the cutoff threshold of the VITROS CoV2T immunoassay. The multiplex COVAM allows CCP to be grouped according to antibody reactivity patterns against 11 SARS-CoV-2 antigens. Unsupervised K-means analysis, via the gap statistics, as well as hierarchical clustering analysis revealed 3 main clusters with distinct reactivity intensities and patterns. These patterns were not recapitulated by adjusting the VITROS CoV2T or RVPNT assay thresholds. Plasma classified according to these reactivity patterns may be better associated with CCP treatment efficacy than antibody levels alone. The use of a SARS-CoV-2 antigen array may be useful to qualify CCP for administration as a treatment for acute COVID-19 and to interrogate vaccine immunogenicity and performance in preclinical and clinical studies to understand and recapitulate antibody responses associated with protection from infection and disease.

The current practice for diagnosis of COVID-19, based on SARS-CoV-2 PCR testing of pharyngeal or respiratory specimens in a symptomatic patient at high epidemiologic risk, likely underestimates the true prevalence of infection. Serologic methods can more accurately estimate the disease burden by detecting infections missed by the limited testing performed to date. Here, we describe the validation of a coronavirus antigen microarray containing immunologically significant antigens from SARS-CoV-2, in addition to SARS-CoV, MERS-CoV, common human coronavirus strains, and other common respiratory viruses. A comparison of antibody profiles detected on the array from control sera collected prior to the SARS-CoV-2 pandemic versus convalescent blood specimens from virologically confirmed COVID-19 cases demonstrates complete discrimination of these two groups. This array can be used as a diagnostic tool, as an epidemiologic tool to more accurately estimate the disease burden of COVID-19, and as a research tool to correlate antibody responses with clinical outcomes.### Competing Interest StatementThe coronavirus antigen microarray is intellectual property of the Regents of the University of California that is licensed for commercialization to Nanommune Inc. (Irvine, CA), a private company for which Philip L. Felgner is the largest shareholder and several co-authors (de Assis, Jain, Nakajima, Jasinskas, Obiero, Davies, and Khan) also own shares. Nanommune Inc. has a business partnership with Sino Biological Inc. (Beijing, China) which expressed and purified the antigens used in this study. The convalescent plasma used in this study was collected for clinical use by independent blood centers using licensed plasma or platelet processing systems manufactured by Cerus Corporation, for which multiple authors (Corash, Bagri) are shareholders and employees.

Extreme diversity of the major surface antigen and virulence determinant of the malaria parasite Plasmodium falciparum, Erythrocyte Membrane Protein-1 (PfEMP1), poses a major barrier to identifying targets of protective immunity. To overcome this problem, we developed a PfEMP1 protein microarray containing 456 DBLα domains, which was used to characterize the immunome of a cohort of semi-immune children and to identify variants associated with protective immune responses. Children with high mean antibody levels to DBLα group 2 had a 26-36% reduced risk of uncomplicated (clinical) malaria, however only 8 diverse DBLα variants were weakly associated with protection from clinical malaria and had low predictive accuracy. On the other hand, children with high mean antibodies to DBLα groups 1 and 2 (which are markers for pathogenic Type A PfEMP1) and elevated antibodies to 85 (18.6%) of individual DBLα variants had a 70 -100% reduced risk of severe malaria. Of the top 20 predictive variants for severe disease protection, 17 were strongly associated with protection (86 - 100% reduction in risk of severe malaria) and had high predictive accuracy for severe disease risk. Many variants were conserved and had highly correlated antibody responses, including the three highest-ranking variants, which were linked to EPCR-binding CIDR domains. The results suggest that while immunity to uncomplicated malaria is characterised by antibodies to a diverse repertoire of PfEMP1, immunity to severe malaria requires antibodies to a limited subset of antigenically conserved variants. These findings provide new insights into antimalarial immunity and potential biomarkers for tracking disease risk.

The current practice for diagnosis of SARS-CoV-2 infection relies on PCR testing of nasopharyngeal or respiratory specimens in a symptomatic patient at high epidemiologic risk. This testing strategy likely underestimates the true prevalence of infection, creating the need for serologic methods to detect infections missed by the limited testing to date. Here, we describe the development of a coronavirus antigen microarray containing immunologically significant antigens from SARS-CoV-2, in addition to SARS-CoV, MERS-CoV, common human coronavirus strains, and other common respiratory viruses. A preliminary study of human sera collected prior to the SARS-CoV-2 pandemic demonstrates overall high IgG reactivity to common human coronaviruses and low IgG reactivity to epidemic coronaviruses including SARS-CoV-2, with some cross-reactivity of conserved antigenic domains including S2 domain of spike protein and nucleocapsid protein. This array can be used to answer outstanding questions regarding SARS-CoV-2 infection, including whether baseline serology for other coronaviruses impacts disease course, how the antibody response to infection develops over time, and what antigens would be optimal for vaccine development.