A safe and effective vaccine against COVID-19 is urgently needed in quantities that are sufficient to immunize large populations. Here we report the preclinical development of two vaccine candidates (BNT162b1 and BNT162b2) that contain nucleoside-modified messenger RNA that encodes immunogens derived from the spike glycoprotein (S) of SARS-CoV-2, formulated in lipid nanoparticles. BNT162b1 encodes a soluble, secreted trimerized receptor-binding domain (known as the RBD–foldon). BNT162b2 encodes the full-length transmembrane S glycoprotein, locked in its prefusion conformation by the substitution of two residues with proline (S(K986P/V987P); hereafter, S(P2) (also known as P2 S)). The flexibly tethered RBDs of the RBD–foldon bind to human ACE2 with high avidity. Approximately 20% of the S(P2) trimers are in the two-RBD 'down', one-RBD 'up' state. In mice, one intramuscular dose of either candidate vaccine elicits a dose-dependent antibody response with high virus-entry inhibition titres and strong T-helper-1 CD4+ and IFNγ+CD8+ T cell responses. Prime–boost vaccination of rhesus macaques (Macaca mulatta) with the BNT162b candidates elicits SARS-CoV-2-neutralizing geometric mean titres that are 8.2–18.2× that of a panel of SARS-CoV-2-convalescent human sera. The vaccine candidates protect macaques against challenge with SARS-CoV-2; in particular, BNT162b2 protects the lower respiratory tract against the presence of viral RNA and shows no evidence of disease enhancement. Both candidates are being evaluated in phase I trials in Germany and the USA1–3, and BNT162b2 is being evaluated in an ongoing global phase II/III trial (NCT04380701 and NCT04368728). BNT162b1 and BNT162b2 are two candidate mRNA vaccines against COVID-19 that elicit high virus-entry inhibition titres in mice, elicit high virus-neutralizing titres in rhesus macaques and protect macaques from SARS-CoV-2 challenge.

Vaccine and antiviral development against SARS-CoV-2 infection or COVID-19 disease would benefit from validated small animal models. Here, we show that transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) by the human cytokeratin 18 promoter (K18 hACE2) represent a susceptible rodent model. K18 hACE2 transgenic mice succumbed to SARS-CoV-2 infection by day 6, with virus detected in lung airway epithelium and brain. K18 ACE2 transgenic mice produced a modest TH1/2/17 cytokine storm in the lung and spleen that peaked by day 2, and an extended chemokine storm that was detected in both lungs and brain. This chemokine storm was also detected in the brain at day 6. K18 hACE2 transgenic mice are, therefore, highly susceptible to SARS-CoV-2 infection and represent a suitable animal model for the study of viral pathogenesis, and for identification and characterization of vaccines (prophylactic) and antivirals (therapeutics) for SARS-CoV-2 infection and associated severe COVID-19 disease.

Abstract A safe and effective vaccine against COVID-19 is urgently needed in quantities sufficient to immunise large populations. We report the preclinical development of two BNT162b vaccine candidates, which contain lipid-nanoparticle (LNP) formulated nucleoside-modified mRNA encoding SARS-CoV-2 spike glycoprotein-derived immunogens. BNT162b1 encodes a soluble, secreted, trimerised receptor-binding domain (RBD-foldon). BNT162b2 encodes the full-length transmembrane spike glycoprotein, locked in its prefusion conformation (P2 S). The flexibly tethered RBDs of the RBD-foldon bind ACE2 with high avidity. Approximately 20% of the P 2S trimers are in the two-RBD ‘down,’ one-RBD ‘up’ state. In mice, one intramuscular dose of either candidate elicits a dose-dependent antibody response with high virus-entry inhibition titres and strong TH1 CD4 + and IFNγ + CD8 + T-cell responses. Prime/boost vaccination of rhesus macaques with BNT162b candidates elicits SARS-CoV-2 neutralising geometric mean titres 8.2 to 18.2 times that of a SARS-CoV-2 convalescent human serum panel. The vaccine candidates protect macaques from SARS-CoV-2 challenge, with BNT162b2 protecting the lower respiratory tract from the presence of viral RNA and with no evidence of disease enhancement. Both candidates are being evaluated in phase 1 trials in Germany and the United States. BNT162b2 is being evaluated in an ongoing global, pivotal Phase 2/3 trial ( NCT04380701 , NCT04368728 ).

ABSTRACT Vaccine and antiviral development against SARS-CoV-2 infection or COVID-19 disease currently lacks a validated small animal model. Here, we show that transgenic mice expressing human angiotensin converting enzyme 2 (hACE2) by the human cytokeratin 18 promoter (K18 hACE2) represent a susceptible rodent model. K18 hACE2-transgenic mice succumbed to SARS-CoV-2 infection by day 6, with virus detected in lung airway epithelium and brain. K18 ACE2-transgenic mice produced a modest TH1/2/17 cytokine storm in the lung and spleen that peaked by day 2, and an extended chemokine storm that was detected in both lungs and brain. This chemokine storm was also detected in the brain at day 4. K18 hACE2-transgenic mice are, therefore, highly susceptible to SARS-CoV-2 infection and represent a suitable animal model for the study of viral pathogenesis, and for identification and characterization of vaccines (prophylactic) and antivirals (therapeutics) for SARS-CoV-2 infection and associated severe COVID-19 disease.

Summary There are no known cures or vaccines for COVID-19, the defining pandemic of this era. Animal models are essential to fast track new interventions and nonhuman primate (NHP) models of other infectious diseases have proven extremely valuable. Here we compare SARS-CoV-2 infection in three species of experimentally infected NHPs (rhesus macaques, baboons, and marmosets). During the first 3 days, macaques developed clinical signatures of viral infection and systemic inflammation, coupled with early evidence of viral replication and mild-to-moderate interstitial and alveolar pneumonitis, as well as extra-pulmonary pathologies. Cone-beam CT scans showed evidence of moderate pneumonia, which progressed over 3 days. Longitudinal studies showed that while both young and old macaques developed early signs of COVID-19, both groups recovered within a two-week period. Recovery was characterized by low-levels of viral persistence in the lung, suggesting mechanisms by which individuals with compromised immune systems may be susceptible to prolonged and progressive COVID-19. The lung compartment contained a complex early inflammatory milieu with an influx of innate and adaptive immune cells, particularly interstitial macrophages, neutrophils and plasmacytoid dendritic cells, and a prominent Type I-interferon response. While macaques developed moderate disease, baboons exhibited prolonged shedding of virus and extensive pathology following infection; and marmosets demonstrated a milder form of infection. These results showcase in critical detail, the robust early cellular immune responses to SARS-CoV-2 infection, which are not sterilizing and likely impact development of antibody responses. Thus, various NHP genera recapitulate heterogeneous progression of COVID-19. Rhesus macaques and baboons develop different, quantifiable disease attributes making them immediately available essential models to test new vaccines and therapies.

Abstract Traditional bulk RNA-Seq pipelines do not assess cell-type composition within heterogeneous tissues. Therefore, it is difficult to determine whether conflicting findings among samples or datasets are the result of biological differences or technical differences due to variation in sample collections. This report provides a user-friendly, open source method to assess cell-type composition in bulk RNA-Seq datasets for heterogeneous tissues using published single cell (sc)RNA-Seq data as a reference. As an example, we apply the method to analysis of kidney cortex bulk RNA-Seq data from female (N=8) and male (N=9) baboons to assess whether observed transcriptome sex differences are biological or technical, i.e., variation due to ultrasound guided biopsy collections. We found cell-type composition was not statistically different in female versus male transcriptomes based on expression of 274 kidney cell-type specific transcripts, indicating differences in gene expression are not due to sampling differences. This method of cell-type composition analysis is recommended for providing rigor in analysis of bulk RNA-Seq datasets from complex tissues. It is clear that with reduced costs, more analyses will be done using scRNA-Seq; however, the approach described here is relevant for data mining and meta analyses of the thousands of bulk RNA-Seq data archived in the NCBI GEO public database. Author Summary This method, which provides a simple method for assessing sampling biases in bulk RNA-Seq datasets with evaluation of cell-type composition, will aid researchers in assessing whether bulk RNA-Seq from different studies of the same heterogeneous tissue are comparable. The additional layer of information can help determine if differential gene expression observed is biological or technical, i.e., cell composition variation among study samples. The described method uses publicly available bioinformatics resources and does not require coding expertise or high-capacity computational processing. Development of tools accessible to scientists without computing expertise will contribute to greater rigor and reproducibility for bioinformatic analyses of transcriptome data.

Abstract To contain the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, a safe and effective vaccine against the new severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) is urgently needed in quantities sufficient to immunise large populations. In this study, we report the design, preclinical development, immunogenicity and anti-viral protective effect in rhesus macaques of the BNT162b2 vaccine candidate. BNT162b2 contains an LNP-formulated nucleoside-modified mRNA that encodes the spike glycoprotein captured in its prefusion conformation. After expression of the BNT162b2 coding sequence in cells, approximately 20% of the spike molecules are in the one-RBD ‘up’, two-RBD ‘down’ state. Immunisation of mice with a single dose of BNT162b2 induced dose level-dependent increases in pseudovirus neutralisation titers. Prime-boost vaccination of rhesus macaques elicited authentic SARS-CoV-2 neutralising geometric mean titers 10.2 to 18.0 times that of a SARS-CoV-2 convalescent human serum panel. BNT162b2 generated strong T H 1 type CD4 + and IFNγ + CD8 + T-cell responses in mice and rhesus macaques. The BNT162b2 vaccine candidate fully protected the lungs of immunised rhesus macaques from infectious SARS-CoV-2 challenge. BNT162b2 is currently being evaluated in a global, pivotal Phase 2/3 trial ( NCT04368728 ).