Abstract The spread of the SARS-CoV-2 into a global pandemic within a few months of onset motivates the development of a rapidly scalable vaccine. Here, we present a self-amplifying RNA encoding the SARS-CoV-2 spike protein encapsulated within a lipid nanoparticle (LNP) as a vaccine. We observe remarkably high and dose-dependent SARS-CoV-2 specific antibody titers in mouse sera, as well as robust neutralization of both a pseudo-virus and wild-type virus. Upon further characterization we find that the neutralization is proportional to the quantity of specific IgG and of higher magnitude than recovered COVID-19 patients. saRNA LNP immunizations induce a Th1-biased response in mice, and there is no antibody-dependent enhancement (ADE) observed. Finally, we observe high cellular responses, as characterized by IFN- γ production, upon re-stimulation with SARS-CoV-2 peptides. These data provide insight into the vaccine design and evaluation of immunogenicity to enable rapid translation to the clinic.

ABSTRACT The spread of the SARS-CoV-2 into a global pandemic within a few months of onset motivates the development of a rapidly scalable vaccine. Here, we present a self-amplifying RNA encoding the SARS-CoV-2 spike protein encapsulated within a lipid nanoparticle as a vaccine and demonstrate induction of robust neutralization of a pseudo-virus, proportional to quantity of specific IgG and of higher quantities than recovered COVID-19 patients. These data provide insight into the vaccine design and evaluation of immunogenicity to enable rapid translation to the clinic.

Abstract Self-amplifying RNA (saRNA) vaccines are able to induce a higher antigen-specific immune response with a more cost-effective and rapid production process compared to plasmid DNA vaccines. saRNAs are synthesized through in vitro transcription (IVT) however; this process has mainly been optimized for relatively short mRNAs. Here, we optimized the IVT process for long saRNAs, approximately 9.4 kb through a design of experiment (DoE) approach to produce a maximal RNA yield and validated the optimal IVT method on various sizes of RNA. We found that magnesium has the highest impact on RNA yield with acetate ions enabling a higher yield than chloride ions. In addition, the interaction between magnesium and nucleoside triphosphates (NTPs) is highly essential for IVT. Further addition of sodium acetate (NaOAc) during IVT provided no added benefit in RNA yield. Moreover, pyrophosphatase was not essential for productive IVT. The optimal IVT method can be used to synthesize different lengths of RNA. These findings emphasize the ability to synthesize high quality and quantity of saRNA through IVT and that the optimal amount of each component is essential for their interactions to produce a high RNA yield.

ABSTRACT TRIANNI mice carry an entire set of human immunoglobulin V region gene segments and are a powerful tool to rapidly generate human monoclonal antibodies. After immunizing these mice against the spike protein of SARS-CoV-2, we identified 29 hybridoma antibodies that reacted with the SARS-CoV-2 spike protein. Nine antibodies neutralized SARS-CoV-2 infection at IC50 values in the subnanomolar range. ELISA-binding studies and DNA sequence analyses revealed one cluster of clonally related neutralizing antibodies that target the receptor-binding domain and compete with the cellular receptor hACE2. A second cluster of neutralizing antibodies binds to the N-terminal domain of the spike protein without competing with the binding of hACE2 or cluster 1 antibodies. SARS-CoV-2 mutants selected for resistance to an antibody from one cluster are still neutralized by an antibody from the other cluster. Antibodies from both clusters markedly reduced viral spread in mice transgenic for human ACE2 and protected the animals from SARS-CoV-2 induced weight loss. Thus, we report two clusters of potent non-competing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies providing potential candidates for therapy and prophylaxis of COVID-19. The study further supports the use of transgenic animals with human immunoglobulin gene repertoires in pandemic preparedness initiatives.

Abstract The second and third years of the SARS-CoV-2 pandemic have been marked by the repeated emergence and replacement of ‘variants’ with genetic and phenotypic distance from the ancestral strains, the most recent examples being Delta and Omicron. Here we describe a hamster contact exposure challenge model to assess protection conferred by vaccination or prior infection against re-infection. We found that 2-doses of self-amplifying RNA vaccine based on the ancestral spike ameliorated weight loss following Delta infection and decreased viral loads, but had minimal effect on Omicron/BA.1 infection. Prior infection with ancestral or Alpha variant was partially protective against Omicron/BA.1 infection, whereas all animals previously infected with Delta and exposed to Omicron became infected, although shed less virus. We further tested whether prior infection with Omicron/BA.1 protected from re-infection with Delta or Omicron/BA.2. Omicron/BA.1 was protective against Omicron/BA.2, but not Delta reinfection, again showing Delta and Omicron have a very large antigenic distance. Indeed, cross-neutralisation assays with human antisera from otherwise immunonaïve individuals (unvaccinated and no known prior infection), confirmed a large antigenic distance between Delta and Omicron. Prior vaccination followed by Omicron or Delta breakthrough infection led to a higher degree of cross-reactivity to all tested variants. To conclude, cohorts whose only immune experience of COVID is Omicron/BA.1 infection may be particularly vulnerable to future circulation of Delta or Delta-like derivatives. In contrast, repeated exposure to antigenically distinct spikes, via infection and or vaccination drives a more cross-reactive immune response, both in hamsters and people. One Sentence Summary Infection with the Delta and Omicron SARS-CoV-2 variants do not provide cross-protective immunity against reinfection with one another in hamsters.

Abstract Several vaccines have demonstrated efficacy against SARS-CoV-2 mediated disease, yet there is limited data on the immune response induced by heterologous vaccination regimens using alternate vaccine modalities. Here, we present a detailed description of the immune response, in mice, following vaccination with a self-amplifying RNA (saRNA) vaccine and an adenoviral vectored vaccine (ChAdOx1 nCoV-19/AZD1222) against SARS-CoV-2. We demonstrate that antibody responses are higher in two dose heterologous vaccination regimens than single dose regimens. Neutralising titres after heterologous prime-boost were at least comparable or higher than the titres measured after homologous prime boost vaccination with viral vectors. Importantly, the cellular immune response after a heterologous regimen is dominated by cytotoxic T cells and Th1 + CD4 T cells which is superior to the response induced in homologous vaccination regimens in mice. These results underpin the need for clinical trials to investigate the immunogenicity of heterologous regimens with alternate vaccine technologies.

ABSTRACT Integrase Defective Lentiviral Vectors (IDLVs) represent an attractive vaccine platform for delivering HIV-1 antigens, given their ability to induce specific and persistent immune responses in both mice and non-human primates (NHPs). Recent advances in HIV-1 immunogen design demonstrated that native-like HIV-1 Envelope (Env) trimers that mimic the structure of virion-associated Env induce neutralization breadth in rabbits and macaques. Here, we describe the development of an IDLV-based HIV-1 vaccine expressing either soluble ConSOSL.UFO.664 or membrane-tethered ConSOSL.UFO.750 native-like Env immunogens with enhanced bNAb epitopes exposure. We show that IDLV can be pseudotyped with properly folded membrane-tethered native-like UFO.750 trimers. After a single IDLV injection in BALB/c mice, IDLV-UFO.750 induced a faster humoral kinetic as well as higher levels of anti-Env IgG compared to IDLV-UFO.664. IDLV-UFO.750 vaccinated cynomolgus macaques developed unusually long-lasting anti-Env IgG antibodies, as underlined by their remarkable half-life both after priming and boost with IDLV. After boosting with recombinant ConM SOSIP.v7 protein, two animals developed neutralization activity against the autologous tier 1B ConS virus mediated by V1/V2 and V3 glycan sites responses. By combining the possibility to display stabilized trimeric Env on the vector particles with the ability to induce sustained humoral responses, IDLVs represent an appropriate strategy for delivering rationally designed antigens to progress towards an effective HIV-1 vaccine.

Lipid nanoparticle (LNP) formulation plays a vital role in RNA vaccine delivery. However, further optimisation of self-amplifying RNA (saRNA) vaccine formulation could help enhance seroconversion rates in humans and improve storage stability. Altering either the ionisable or helper lipid can alter the characteristics and performance of formulated saRNA through the interplay of the phospholipid's packing parameter and the geometrical shape within the LNP membrane. In this study, we compared the impact of three helper lipids (DSPC, DOPC, or DOPE) used with two different ionisable lipids (MC3 and C12-200) on stability, transfection efficiency and the inflammation and immunogenicity of saRNA. While helper lipid identity altered saRNA expression across four cell lines in vitro, this was not predictive of an ex vivo or in vivo response. The helper lipid used influenced LNP storage where DSPC provided the best stability profile over four weeks at 2-8 °C. Importantly, helper lipid impact on LNP storage stability was the best predictor of expression in human skin explants, where C12-200 in combination with DSPC provided the most durable expression. C12-200 LNPs also improved protein expression (firefly luciferase) and humoral responses to a SARS-CoV-2 spike saRNA vaccine compared to MC3 LNPs, where the effect of helper lipids was less apparent. Nevertheless, the performance of C12-200 in combination with DSPC appears optimal for saRNA when balancing preferred storage stability requirements against in vivo and ex vivo potency. These data suggest that helper lipid influences the stability and functionality of ionisable lipid nanoparticle-formulated saRNA.

Abstract SARS-CoV-2 has a broad mammalian species tropism infecting humans, cats, dogs and farmed mink. Since the start of the 2019 pandemic several reverse zoonotic outbreaks of SARS-CoV-2 have occurred in mink, one of which reinfected humans and caused a cluster of infections in Denmark. Here we investigate the molecular basis of mink and ferret adaptation and demonstrate the spike mutations Y453F, F486L, and N501T all specifically adapt SARS-CoV-2 to use mustelid ACE2. Furthermore, we risk assess these mutations and conclude mink-adapted viruses are unlikely to pose an increased threat to humans, as Y453F attenuates the virus replication in human cells and all 3 mink-adaptations have minimal antigenic impact. Finally, we show that certain SARS-CoV-2 variants emerging from circulation in humans may naturally have a greater propensity to infect mustelid hosts and therefore these species should continue to be surveyed for reverse zoonotic infections.

Abstract Lineage B.1.1.7 (Variant of Concern 202012/01) is a new SARS-CoV-2 variant which was first sequenced in the UK in September 2020 before becoming the majority strain in the UK and spreading worldwide. The rapid spread of the B.1.1.7 variant results from increased transmissibility but the virological characteristics which underpin this advantage over other circulating strains remain unknown. Here, we demonstrate that there is no difference in viral replication between B.1.1.7 and other contemporaneous SARS-CoV-2 strains in primary human airway epithelial (HAE) cells. However, B.1.1.7 replication is disadvantaged in Vero cells potentially due to increased furin-mediated cleavage of its spike protein as a result of a P681H mutation directly adjacent to the S1/S2 cleavage site. In addition, we show that B.1.1.7 does not escape neutralisation by convalescent or post-vaccination sera. Thus, increased transmission of B.1.1.7 is not caused by increased replication, as measured on HAE cells, or escape from serological immunity.