Characterization of B cell and antibody responses induced by vaccination against the human coronaviruses MERS-CoV and SARS-CoV-2

Abstract

Over the past decades, numerous viruses of zoonotic origin have newly emerged in the human population, including three coronaviruses (CoV) causing respiratory diseases in the human host: The severe acute respiratory syndrome (SARS)-CoV, the Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV, and most recently SARS-CoV-2 which caused a worldwide pandemic. Vaccines are one of the most important countermeasures in the fight against viral spread and the related disease, and vaccine platforms such as mRNA and viral vectors have the potential to accelerate vaccine development in response to newly emerging pathogens. One promising viral vector is the recombinant Modified Vaccinia virus Ankara (rMVA), which has been shown to be safe and immunogenic in multiple studies. Binding and neutralizing antibody titers are considered correlates of protection against many pathogens, but additional immune parameters may show statistical association with protection from infection and/or disease and may be useful to predict vaccine efficacy. The aim of this thesis was a comprehensive analysis of antibodies and B cells induced by vaccination against MERS and COVID-19, the respiratory diseases caused by MERS-CoV and SARS-CoV-2. The major focus was the characterization of the immune responses elicited by the rMVA-based vaccine candidates tested in phase 1 clinical trials at the University Medical Center Hamburg-Eppendorf, including the MERS vaccine MVA-MERS-S and the two COVID-19 vaccines MVA-SARS-2-S and MVASARS-2-ST. For this purpose, a repertoire of techniques was developed, allowing for an antigen-specific analysis of antibody isotypes, subclasses and non-neutralizing functionality, as well as frequency and phenotype of memory B cells. Additionally, the immunogenicity of the rMVA-based COVID-19 vaccine candidates was compared to control cohorts of healthy individuals and immunocompromised patients vaccinated with licensed COVID-19 vaccines based on mRNA and ChAd vaccine platforms. MVA-MERS-S, based on the full-length native MERS-CoV spike protein, had been shown to be safe and immunogenic in a previous study. As part of this thesis, the impact of a late booster vaccination was investigated and revealed substantial increases in the frequency of spike-specific B cells and titers of IgG antibodies. Additionally, antibody persistence as well as neutralizing and non-neutralizing antibody functionality were strongly enhanced following the booster vaccination. MVA-SARS-2-ST, encoding for a pre-fusion stabilized version of the SARS-CoV-2 spike protein with an inactivated S1/2 cleavage site, elicited enhanced immunogenicity compared to MVA-SARS-2-S, a vaccine based on the native spike protein. A late booster vaccination with MVA-SARS-2-ST elicited stronger immune responses in individuals with lower baseline immunity. In direct comparison to licensed COVID-19 vaccines, both rMVA-based candidates induced lower antibody levels. Notably, all three rMVA-based vaccines induced the pro-inflammatory and highly functional IgG1 and IgG3 subclasses, whereas an atypical induction of the IgG2 and IgG4 subclasses was observed after repeated mRNA vaccination. Overall, these findings underline the complexity and provide important insights into the factors influencing vaccine-induced immune responses. The immune signatures identified for the specific vaccines indicate that the quality of immune responses may be dependent on the vaccine platform and antigen, as well as the antigen-specific immunity prior to vaccination. Additionally, the obtained findings highlight the potential of late booster vaccinations to induce recall responses that may result in enhanced persistence and functionality of antibodies. The here developed techniques provide a tool to comprehensively analyze magnitude and phenotype of antigen-specific antibody and memory B cell responses, which may contribute to a better understanding of vaccine-induced immune mechanisms and specific immune markers that correlate with protection.

In den letzten Jahrzehnten traten in der menschlichen Bevölkerung vermehrt zoonotische Viren auf, darunter drei Coronaviren (CoV), die im Menschen zu schweren Atemwegserkrankungen führen können: Das Severe acute respiratory syndrome (SARS)-CoV, das Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV, und zuletzt SARS-CoV-2, das eine weltweite Pandemie verursachte. Impfstoffe sind eine der wichtigsten Maßnahmen gegen die Ausbreitung von Viren und die damit assoziierten Erkran-kungen. Insbesondere Impfstoff-Plattformen wie mRNA und virale Vektoren haben das Potential, die Impfstoffentwicklung gegen neuauftretende Pathogene zu beschleunigen. Ein vielversprechender viraler Vektor ist das rekombinante Modified Vaccinia virus Ankara (rMVA), welches sich in verschiedenen Studien als sicher und immunogen erwiesen hat. Bindende und neutralisierende Antikörpertiter gelten als Korrelat für den Schutz vor vielen Pathogenen, aber auch andere Immun-parameter können wichtig für die Protektion vor Infektion und/oder Erkrankung sein. Das Ziel dieser Arbeit war eine umfassende Analyse der durch Impfung gegen MERS und COVID-19 induzierten Antikörper und B-Zellen. Der Fokus lag dabei auf der Charakterisierung der Immun-antworten nach Impfung mit rMVA-basierten Impfstoffkandidaten, die in Phase 1 klinischen Studien am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf getestet wurden: der MERS-Impfstoff MVA-MERS-S und die zwei COVID-19-Impfstoffe MVA SARS-2-S und MVA-SARS-2-ST. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Methoden etabliert, die die Antigen-spezifische Analyse von Antikörper-Isotypen, -Subklassen und nicht-neutralisierender Funktionalität, sowie der Frequenz und dem Phänotyp von B-Gedächtniszellen ermöglichen. Zusätzlich wurde die Immunogenität der rMVA-basierten COVID-19 Impfstoffe zu Kontrollkohorten gesunder Proband:innen und immungeschwächter Patient:innen verglichen, die mit zugelassenen mRNA- und ChAd-basierten COVID-19 Impfstoffen geimpft wurden. MVA-MERS-S, basierend auf dem nativen MERS-CoV Spike-Protein, hatte sich bereits in einer früheren Studie als sicher und immunogen erwiesen. Als Teil dieser Doktorarbeit wurde der Einfluss einer späten Auffrischungsimpfung untersucht, welche einen beträchtlichen Anstieg der Spike-spezifischen B-Zellen und IgG-Antikörpertiter hervorrief. Zusätzlich zeigten die Antikörper eine erhöhte Persistenz, sowie neutralisierende und nicht-neutralisierende Funktionalität. Der Impfstoff MVA-SARS-2-ST, der für ein stabilisiertes SARS-CoV-2 Spike-Protein mit inaktivierter S1/2-Spaltungsstelle kodiert, zeigte eine verstärkte Immunogenität im Vergleich zu MVA-SARS-2-S, der auf dem nativen Spike-Protein basiert. Eine späte Auffrischungsimpfung mit MVA-SARS-2-ST löste in Individuen mit geringerer vorheriger Immunität eine stärkere Immunantwort aus. Im Vergleich zu zugelassenen COVID-19-Impfstoffen induzierten beide rMVA-basierten Kandidaten geringere Antikörpertiter. Alle drei rMVA-Impfstoffe induzierten die pro-inflammatorischen und funktionellen Antikörpersubklassen IgG1 und IgG3, während nach wiederholter mRNA-Impfung eine atypische Induktion von IgG2 und IgG4 auftrat. Insgesamt liefern diese Ergebnisse wichtige Einblicke in die Faktoren, die die impfinduzierte Immunantwort beeinflussen und heben deren Komplexität hervor. Die identifizierten Immun-signaturen weisen auf eine Abhängigkeit der Immunantwort von Impfstoff-Plattform und Antigen hin sowie von der vor einer Impfung vorhandenen Immunität. Zusätzlich unterstreichen die hier gewonnenen Erkenntnisse das Potential später Auffrischungsimpfungen zur Reaktivierung von B Gedächtniszellen, die in der Produktion von Antikörpern mit erhöhter Persistenz und Funktionalität resultieren kann. Die hier entwickelten Methoden bieten ein Hilfsmittel zur umfassenden Analyse der Stärke und Funktionalität von Antikörper- und B-Gedächtniszell-Antworten, die zu einem besseren Verständnis impfinduzierter Immunmechanismen und spezifischer Immunkorrelate beitragen können.