한줄 요약: 

짧은 요약(Abstract) :    

COVID-19 백신의 효능 감소는 주요 변이의 출현에 따라 백신 부스터의 필요성을 야기했습니다. 그러나 주 백신 플랫폼이 다를 때 부스터가 어떻게 보호 범위를 확장하는지, 주요 변이 스파이크를 포함한 부스터가 어떻게 면역 반응을 확장하는지는 명확하지 않습니다. 여기서 우리는 원조(프로토타입) 및 베타 변이의 재조합 스파이크 항원으로 구성된 부스터가 비인간 영장류에서 강력하고 다기능적인 범변이 면역 반응을 유도함을 보고합니다. 흥미롭게도, 베타 스파이크가 포함된 부스터는 단백질 기반 백신을 사용한 경우, 애주번트 시스템 03(AS03)과 함께 투여될 때 더 넓은 범위의 면역글로불린 A(IgA)를 자극합니다. 우리의 결과는 SARS-CoV-2에 대해 폭넓은 면역 인식을 위해 부스터 전략의 유용성을 강조하며, 이는 주 백신 시리즈와 독립적입니다. 이는 전 세계적으로 다양한 주 백신 플랫폼이 배포됨에 따라 매우 중요합니다.


The reduced effectiveness of COVID-19 vaccines due to the emergence of variants of concern (VOCs) necessitated the use of vaccine boosters to bolster protection against disease. However, it remains unclear how boosting expands protective breadth when primary vaccine platforms are distinct and how boosters containing VOC spike(s) broaden humoral responses. Here, we report that boosters composed of recombinant spike antigens of ancestral (prototype) and Beta VOCs elicit a robust, pan-VOC, and multi-functional humoral response in non-human primates largely independent of the primary vaccine series platform. Interestingly, Beta-spike-containing boosters stimulate immunoglobulin A (IgA) with a greater breadth of recognition in protein-primed recipients when administered with adjuvant system 03 (AS03). Our results highlight the utility of a component-based booster strategy for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) for broad humoral recognition, independent of primary vaccine series. This is of high global health importance given the heterogeneity of primary vaccination platforms distributed.

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Methodology

동물 실험은 연구 시설의 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 승인된 동물 프로토콜에 따라 모든 관련 미국 국립보건원 규정을 준수하여 수행되었습니다. NHP 연구는 루이지애나 대학교 라파예트 뉴 이베리아 연구소에서 수행되었습니다. 2세에서 8세 사이의 원숭이들은 성별, 나이, 체중에 따라 무작위로 선정되어 두 개의 연구 그룹, mRNA Prime과 Protein Prime으로 나뉘었습니다. mRNA Prime 연구 그룹에서는 16마리의 긴꼬리원숭이가 각각 0일과 21일에 두 번의 mRNA 백신 프라이머를 투여받고, 이후 205일째에 서브유닛 부스터를 투여받았습니다. 혈액 샘플은 첫 두 번의 투여 후 면역원성의 정점에서, 210일째와 224일째에 채취되었습니다. 16마리의 동물 그룹은 각각 네 개의 부스터 방식 중 하나를 받는 네 그룹으로 추가로 나뉘었습니다. 그룹 1은 5mg의 용해형 prefusion 안정화된 베타 스파이크 타이머(PANGO 계통 B.1.351)를, 그룹 2는 AS03과 함께 5mg의 prefusion 안정화된 프로토타입 스파이크 타이머를, 그룹 3은 AS03과 함께 5mg의 베타 prefusion 안정화된 스파이크 타이머를, 그룹 4는 AS03과 함께 5mg의 이가(prefusion 안정화된 프로토타입 + 베타) 스파이크 타이머를 받았습니다. Protein Prime 연구 그룹에서는 24마리의 붉은털원숭이가 각각 0일과 21일에 프라이머로 AS03과 함께 프로토타입 prefusion 안정화된 스파이크 타이머 백신을 두 번 투여받고, 이후 202일째에 서브유닛 부스터를 투여받았습니다. 혈액 샘플은 첫 두 번의 투여 후 면역원성의 정점에서, 196일째와 216일째에 채취되었습니다.

Animal experiments were conducted in compliance with all pertinent US National Institutes of Health regulations according to approved animal protocols from the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) at the research facilities. The NHP study was performed at the University of Louisiana at Lafayette New Iberia Research. Macaques between the ages of two and eight years-old were randomized based on sex, age, and weight (Figure 1A) and divided into two study groups, mRNA Prime and Protein Prime. In the mRNA Prime study group, 16 Cynomolgus macaques received two doses of mRNA vaccine primers on Day 0 and Day 21, respectively, and subsequently a subunit booster on Day 205. Blood samples were collected at peak immunogenicity after the first two doses, Day 210, as well as Day 224. The group of 16 animals was further divided into groups of four, with each group receiving one of the four different booster schemes. Group 1 received 5 mg of soluble prefusion-stabilized Beta spike timer (PANGO lineage B.1.351), group 2 received 5 mg prefusion-stabilized Prototype spike timer with AS03, group 3 received 5 mg Beta prefusion-stabilized spike timer with AS03, and group 4 received a bivalent 5 mg prefusion-stabilized spike timer (Prototype + Beta) with AS03. In the Protein Prime study group, 24 Rhesus macaques received two doses of Prototype prefusion-stabilized spike timer with AS03 vaccine as the primer on Day 0 and Day 21, respectively, and subsequently a subunit booster on Day 202. Blood samples were collected at peak immunogenicity after the first two doses, Day 196, as well as Day 216.

Results

서브유닛 부스터는 mRNA 또는 서브유닛 백신으로 프라이밍된 원숭이에서 항체 프로필을 개선합니다. 우리는 두 개의 다른 코호트로 나뉜 원숭이에서 SARS-CoV-2 바이러스의 prefusion 스파이크에 대한 백신 유도 항체의 기능적 역할을 비교했습니다 (그림 1A). 서브유닛(단백질) 부스터를 사용한 mRNA 시리즈의 프라이밍 후와 전체 서브유닛 백신 시리즈 후의 항체 반응을 특성화하기 위해, 우리는 전체 원숭이에 대해 전체 길이 조상 항원과 VOCs(알파, 베타, 델타, 오미크론 포함)에 대한 종합적인 항체 프로파일링을 수행했습니다 (그림 S1). 일변량 비교 결과, 부스터는 초기 mRNA 백신 시리즈와 프리부스트 시점 후의 정점 면역원성과 비교하여 조상 prefusion 스파이크 특정 IgG1-, FcgIIA-, 및 FcgIIIA-결합 항체의 수준을 상승시켰습니다. 이는 AS03을 포함한 백신에서만 관찰되었습니다(그림 1B, 상단 행; no-AS03 부스터와의 통계적 유의미한 차이는 별표로 표시됨). AS03을 포함한 단백질 프라이머 시리즈를 받은 코호트에서는 prefusion 스파이크 특정 IgG1-, FcgIIA-, 및 FcgIIIA-결합 항체가 고용량, 이가-백신 부스터 그룹에서 더 높은 반응을 보였습니다. 다른 부스터들은 다양한 정도의 조상 스파이크 반응성을 보였으며, 일부는 no-AS03 부스터와 비교하여 유의미한 차이를 달성했습니다(그림 1B, 하단 행). 모든 그룹은 초기 백신 플랫폼과 독립적으로 감소한 반응의 회복을 보였습니다.

FcgR 결합의 차이가 기능적 차이로 변환되는지 확인하기 위해, 우리는 백신 유도 항체의 여러 Fc-매개 효과 활동을 비교했습니다. 여기에는 항체-의존성 호중구 식작용(ADNP), 항체-의존성 세포 식작용(ADCP), 항체-의존성 보체 침전(ADCD), 및 CD107a 발현, 탈과립 마커(ADNK CD107a)로 측정된 항체-의존성 자연 살해(NK) 세포 탈과립이 포함되었습니다(그림 1C). 우리는 서브유닛 부스터가 두 코호트 모두에서 기능적 활동을 증가시키지만, 어떤 포뮬레이션이 가장 넓은 기능적 보호를 제공하는지에 대한 명확한 경향은 없음을 발견했습니다. mRNA-프라이밍 그룹에서는 프로토타입으로만 부스터가 no-AS03 부스터 그룹과 비교하여 ADNK 활동을 유의미하게 증가시켰습니다(그림 1C, 상단 행). 단백질 프라이밍 그룹에서는 베타와 이가 부스터가 더 높은 ADCP를 보였으며, 고용량 이가는 no-AS03 참조 그룹과 비교하여 더 높은 ADNK를 나타냈습니다(그림 1C, 하단 행). 궁극적으로, 부스터 후 모든 기능적 분석에서 회복 효과가 관찰되었습니다(그림 1C). 모든 경우에서, 성분 기반 백신으로 부스터를 하면 감소한 기능이 회복되고, 많은 경우에는 초기 시리즈 후의 정점 면역원성과 비교하여 기능이 증가했습니다.

AS03을 포함한 서브유닛 부스터는 VOCs 및 조상 스파이크의 일부 하위 도메인에 대한 항체 프로필을 향상시킵니다. 부스터 후 다른 VOCs에 대한 항체 반응의 확장을 더 잘 이해하기 위해, 우리는 모든 SARS-CoV-2 스파이크 VOCs, 오미크론 포함,에 대한 각 코호트의 IgG1 반응을 분석했습니다. 부스터는 알파(그림 2A 및 2B, 왼쪽 상단, B.1.1.7), 베타(그림 2A 및 2B, 오른쪽 상단, B.1.351), 델타(그림 2A 및 2B, 왼쪽 하단, B.1.617.2), 및 오미크론 BA.1(그림 2A 및 2B, 오른쪽 하단, B.1.1.529)의 전체 길이 스파이크 인식을 기하급수적으로 확장시켰습니다. 흥미롭게도, AS03 없이 서브유닛 부스터 후의 항체 반응은 모든 VOCs의 스파이크에 대한 확장이 거의 없었습니다(보라색 선, 음영이 있는 색 영역은 평균 표준 오차를 나타냄). 그러나 AS03이 있는 경우, 모든 단백질 부스터는 pan-VOC 스파이크 반응성을 보였습니다(그림 2A 및 2B; 프리부스트 값은 각 VOC에 대한 각 부스터의 확장 배수를 계산하기 위해 1로 설정되었습니다). 단백질 프라이밍 코호트에서는 이가 부스터가 용량-의존적 효과를 보여, 가장 높은 용량이 각 VOC 스파이크에 대해 가장 높은 타이터를 유도했습니다(그림 2B, 파란색과 노란색 선 비교). VOC의 RBD에 대한 IgG1 타이터 확장의 유사한 패턴도 관찰되었습니다(그림 S2).

각 그룹 내에서 확장되는 스파이크 하위 도메인이 무엇인지 분석하기 위해, 우리는 부스터 전후 NTD, RBD, 및 S2 도메인의 인식을 분석했습니다. 확장 배수는 no-AS03 그룹과 비교하여 측정되었습니다. mRNA 및 단백질 프라이머리 시리즈 모두에 대해, NTD 특정 IgG1은 부스터 후 확장이 거의 없었습니다(그림 2C 및 2D, 왼쪽 하단). 흥미롭게도, 야생형(WT) 스파이크의 RBD 및 S2에 대한 확장이 AS03 포함 그룹에서 더 높게 나타났습니다(그림 2C 및 2D).

Subunit boosters improve antibody profiles in macaques primed with either mRNA or subunit vaccines. We compared the functional role of vaccine-induced antibodies against the prefusion spike of the SARS-CoV-2 virus in macaques divided into two different cohorts (Figure 1A). To characterize the antibody response after a primary mRNA series with a subunit (protein) booster and after a full subunit vaccine series, we performed comprehensive antibody profiling across all macaques against the full-length ancestral antigen and VOCs, including Alpha, Beta, Delta, and Omicron (Figure S1). Univariate comparison demonstrated that the booster elicited elevated levels of ancestral prefusion spike-specific IgG1-, FcgIIA-, and FcgIIIA-binding antibodies compared to the peak immunogenicity after a primary mRNA vaccine series and pre-boost time points. This was exclusively observed in AS03-containing vaccines (Figure 1B, top row; statistically significant differences from no-AS03 boosters are shown with an asterisk). In the cohort that received a protein primary series with AS03, prefusion spike-specific IgG1-, FcgIIA-, and FcgIIIA-binding antibodies showed a significantly higher response in the high-dose, bivalent-vaccine-boosted group that contained AS03. Other boosters showed different degrees of ancestral spike responsiveness, with some achieving significance relative to the no-AS03 booster (Figure 1B, bottom row). All groups showed a restoration of waned responses independent of the primary vaccine platform.

To determine whether the differences in FcgR binding translate to functional differences, we next compared several Fc-mediated effector activities of vaccine-induced antibodies. These included antibody-dependent neutrophil phagocytosis (ADNP), antibody-dependent cellular phagocytosis (ADCP), antibody-dependent complement deposition (ADCD), and antibody-dependent natural killer (NK) cell degranulation, as measured by CD107a expression, a degranulation marker (ADNK CD107a) (Figure 1C). We found that a subunit booster results in an upregulation of functional activity across both cohorts, but there was no clear trend for which formulation gave the broadest functional protection. For the mRNA-primed group, only boosting with the prototype resulted in a significant increase in ADNK activity compared with the no-AS03 boosted group (Figure 1C, top row). For the protein-primed group, a Beta and a bivalent booster yielded higher ADCP, and a high-dose bivalent gave higher ADNK compared with the no-AS03 reference group (Figure 1C, bottom row). Ultimately, restorative effects were observed across all functional assays after the booster (Figure 1C). In all cases, boosting with a component-based vaccine restored waned functionality and, in many cases, increased functionality compared to peak immunogenicity after the primary series.

Subunit boosters with AS03 enhance antibody profiles against the SARS-CoV-2 spike of VOCs and across some subdomains of the ancestral spike. To better understand the changes in the expansion of post-booster antibody responses against other VOCs, we analyzed IgG1 responses for each cohort for all SARS-CoV-2 spike VOCs, including Omicron. Boosting exponentially expanded IgG1 recognition of the full-length spikes of Alpha (Figures 2A and 2B, top left, B.1.1.7), Beta (Figures 2A and 2B, top right, B.1.351), Delta (Figures 2A and 2B, bottom left, B.1.617.2), and Omicron BA.1 (Figures 2A and 2B, bottom right, B.1.1.529) for both mRNA-primed and protein-primed cohorts. Interestingly, antibody responses after the subunit booster in the absence of AS03 displayed little expansion to spikes of all VOCs (purple line, shaded colored regions represent the standard error of the mean). However, in the presence of AS03, all protein boosters exhibited pan-VOC spike reactivity (Figures 2A and 2B; pre-boost values were set to 1 to calculate fold expansion for each booster for each VOC). For the protein-primed cohort, the bivalent booster demonstrated a dose-dependent effect on spike-specific IgG1 expansion, with the highest dose eliciting the highest titers for each VOC spike tested (Figure 2B, compare blue and yellow lines). Similar patterns were also observed in the fold expansion of IgG1 titers against the RBD of the VOC (Figure S2).

To assay which spike subdomains were expanding within each group, we analyzed recognition of the spike N-terminal domain (NTD), RBD, and S2 domains before and after the boost. Fold expansions were measured relative to the no-AS03 group. For both the mRNA and protein primary series, NTD-specific IgG1 showed little expansion post-boost (Figures 2C and 2D, bottom left). Interestingly, expansions toward the wild-type (WT) spike’s RBD and S2 were higher in the AS03-containing groups (Figures 2C and 2D).

예시

백신 부스터 전략의 효과를 평가하기 위해, 두 가지 주요 백신 시리즈, mRNA와 단백질을 사용하여 원숭이를 두 그룹으로 나누어 연구를 진행했습니다. 각 그룹은 서로 다른 백신 부스터 포뮬레이션을 받았습니다. 연구의 일환으로, 우리는 두 가지 주요 백신 시리즈, mRNA와 단백질을 사용하여 원숭이를 두 그룹으로 나누어 연구를 진행했습니다. 각 그룹은 서로 다른 백신 부스터 포뮬레이션을 받았습니다.

예제 1: mRNA 백신 시리즈를 받은 그룹에서, 16마리의 원숭이가 첫 번째 두 번의 mRNA 백신을 각각 0일과 21일에 투여받았습니다. 그 후, 205일째에 서브유닛 부스터를 투여받았습니다. 혈액 샘플은 첫 두 번의 투여 후 면역 반응이 최고조에 달했을 때, 210일째와 224일째에 채취되었습니다. 이 그룹은 다시 네 개의 하위 그룹으로 나누어졌고, 각 그룹은 네 가지 다른 부스터 스킴 중 하나를 받았습니다.

예제 2: 단백질 백신 시리즈를 받은 그룹에서, 24마리의 원숭이가 첫 번째 두 번의 단백질 백신을 각각 0일과 21일에 투여받았습니다. 그 후, 202일째에 서브유닛 부스터를 투여받았습니다. 혈액 샘플은 첫 두 번의 투여 후 면역 반응이 최고조에 달했을 때, 196일째와 216일째에 채취되었습니다.

To evaluate the efficacy of vaccine booster strategies, we conducted a study involving two main vaccine series, mRNA and protein, dividing the macaques into two groups. Each group received different vaccine booster formulations. As part of the study, we conducted a study involving two main vaccine series, mRNA and protein, dividing the macaques into two groups. Each group received different vaccine booster formulations.

Example 1: In the group that received the mRNA vaccine series, 16 macaques were administered two doses of the mRNA vaccine on Day 0 and Day 21. Subsequently, they received a subunit booster on Day 205. Blood samples were collected at peak immunogenicity after the first two doses, on Day 210, as well as Day 224. This group was further divided into four sub-groups, with each group receiving one of four different booster schemes.

Example 2: In the group that received the protein vaccine series, 24 macaques were administered two doses of the protein vaccine on Day 0 and Day 21. Subsequently, they received a subunit booster on Day 202. Blood samples were collected at peak immunogenicity after the first two doses, on Day 196, as well as Day 216.

요약

COVID-19 변이의 출현으로 인해 백신 부스터의 필요성이 증가했습니다. 연구는 mRNA 및 단백질 백신을 사용하여 두 그룹의 원숭이에게 서로 다른 부스터 포뮬레이션을 투여했습니다. 서브유닛 부스터는 주 백신 플랫폼과 독립적으로 강력하고 다기능적인 면역 반응을 유도했습니다. AS03을 포함한 부스터는 특히 단백질 기반 백신을 사용한 경우, 더 넓은 범위의 IgA 반응을 자극했습니다. 이 연구는 폭넓은 면역 인식을 위한 부스터 전략의 유용성을 강조합니다.

The emergence of COVID-19 variants has increased the need for vaccine boosters. The study involved administering different booster formulations to two groups of macaques primed with mRNA and protein vaccines. Subunit boosters elicited robust and multifunctional immune responses largely independent of the primary vaccine platform. Boosters containing AS03 stimulated a broader range of IgA responses, particularly in protein-primed recipients. This study highlights the utility of booster strategies for broad immune recognition.

기타

mRNA 및 단백질 기반 백신 모두에서 서브유닛 부스터가 강력한 면역 반응을 유도했습니다. AS03이 포함된 부스터가 특히 더 넓은 IgA 반응을 자극하는 것으로 나타났습니다. 연구에서 사용된 백신 부스터 전략은 주 백신 플랫폼과 독립적으로 작동했습니다. 연구 결과는 전 세계적으로 다양한 주 백신 플랫폼이 배포된 상황에서 중요성을 가집니다. 베타 변이 스파이크를 포함한 부스터는 단백질 기반 백신에서 높은 IgA 반응을 보였습니다.

Subunit boosters induced strong immune responses in both mRNA and protein-based vaccine groups. Boosters with AS03 notably stimulated a broader IgA response. The booster vaccine strategy worked independently of the primary vaccine platform used. The findings are significant given the global distribution of diverse primary vaccination platforms. Boosters containing Beta variant spike showed high IgA responses in protein-based vaccine primed macaques.

refer format:

Deng, Yixiang, Atyeo, Caroline, Yuan, Dansu, Chicz, Taras M., Tibbitts, Timothy, Gorman, Matthew, Taylor, Sabian, Lecouturier, Valerie, Lauffenburger, Douglas A., Chicz, Roman M., Alter, Galit, & McNamara, Ryan P. (2023). Beta-spike-containing boosters induce robust and functional antibody responses to SARS-CoV-2 in macaques primed with distinct vaccines. Cell Reports, 42, 113292. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.113292

@article{deng2023beta, title={Beta-spike-containing boosters induce robust and functional antibody responses to SARS-CoV-2 in macaques primed with distinct vaccines}, author={Deng, Yixiang and Atyeo, Caroline and Yuan, Dansu and Chicz, Taras M and Tibbitts, Timothy and Gorman, Matthew and Taylor, Sabian and Lecouturier, Valerie and Lauffenburger, Douglas A and Chicz, Roman M and Alter, Galit and McNamara, Ryan P}, journal={Cell Reports}, volume={42}, pages={113292}, year={2023}, publisher={Elsevier}, doi={10.1016/j.celrep.2023.113292} }