Spike-specific T cell immunity following vaccination against the human coronaviruses SARS-CoV-2 and MERS-CoV

Abstract

Emerging infectious diseases (EIDs) are an increasing threat to the human population. In the past two decades, three coronaviruses (CoVs) have spilled over to humans and caused outbreaks of the following respiratory diseases: The severe acute respiratory syndrome (SARS), the Middle East respiratory syndrome (MERS), and the coronavirus disease 2019 (COVID-19), caused by infection with SARS-CoV, MERS-CoV, and SARS-CoV-2, respectively. Vaccination is an important cornerstone in pandemic preparedness against pathogens, in particular concerning the WHO-prioritized CoVs. Vaccine development can be accelerated by the employment of adaptable vaccine platforms, such as mRNA technology and viral vectors, as exemplified by the COVID-19 pandemic. Within a year of the emergence of SARS-CoV-2, one ChAdOx1 viral vector-based and two mRNA-based COVID 19 vaccines were licensed. While vaccine-induced antibodies can provide protection against infection, T cell responses are important for the clearance of virus-infected cells and provide long-term protection against disease. The aim of this thesis was a comprehensive, longitudinal analysis of the T cell response following vaccination against SARS-CoV-2 and MERS-CoV in humans. Vaccine candidates based on the recombinant Modified Vaccinia virus Ankara (rMVA) viral vector were developed against MERS (MVA-MERS-S) and COVID-19 (MVA-SARS-2-S and MVA-SARS-2-ST) and investigated in phase 1 clinical trials at the University Medical Center Hamburg-Eppendorf between 2017 and 2023. Frequent blood sampling in these phase 1 clinical trials provided the unique opportunity to study T cell immunity in detail. Blood samples were collected from trial participants before and longitudinally after vaccination, and compared to blood samples from healthy and immunocompromised individuals, who were vaccinated with licensed vaccines. The magnitude, function, and antigen-specificity of T cell responses were investigated in various assays. The comparative study of the COVID-19 vaccines revealed a higher T cell immunogenicity of MVA SARS-2-ST encoding a prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike protein, compared to MVA-SARS 2 S encoding the native spike protein. While both vaccine candidates were less immunogenic in SARS CoV 2 naïve individuals compared to the licensed vaccine regimens, in heterologous vaccination they showed promising results: MVA-SARS-2-S could prime a polyfunctional CD8+ response when given before mRNA-based immunization. MVA-SARS-2-ST as a third vaccination following mRNA-based immunization could boost the T cell response in individuals with low residual immunity. In contrast to healthy individuals who generated a robust T cell response following prime-boost immunization with licensed COVID-19 vaccines, immunocompromised patients with chronic lymphocytic leukemia, liver cirrhosis or liver transplant had a reduced response. Notably, a third booster dose and heterologous regimens combining mRNA- and viral vector-based vaccines enhanced the T cell response in these patients considerably. The analysis of the MVA-MERS-S vaccine candidate revealed that using a lower vaccine dose and a prolonged time interval between prime and boost immunization enhanced the T cell immunogenicity. Furthermore, CD8+ T cells against a newly identified immunodominant epitope were shown to have a long-lived, polyfunctional phenotype. In summary, these findings underline that vaccine characteristics, vaccination regimen, as well as host factors, can shape the vaccine-induced T cell response. These findings provide important insights for the development of more effective immunization strategies which aim to build up a long-lived T cell memory for protection against disease. This is of particular relevance for immunocompromised patients.

Neu auftretende Infektionskrankheiten stellen eine zunehmende Bedrohung für die Bevölkerung dar. In den vergangenen zwei Jahrzehnten sind drei Coronaviren (CoV) auf den Menschen übergesprungen und haben Ausbrüche der folgenden Atemwegserkrankungen verursacht: Das severe acute respiratory syndrome (SARS), das Middle East respiratory syndrome (MERS), und das coronavirus disease 2019 (COVID-19), die durch die Ansteckung mit SARS-CoV, MERS-CoV bzw. SARS-CoV-2 verursacht werden. Impfungen sind ein wichtiger Grundpfeiler der Pandemievorsorge, insbesondere in Bezug auf die von der WHO als prioritär eingestuften Coronaviren. Die Impfstoffentwicklung kann durch anpassungsfähige Impfstoffplattformen wie die mRNA-Technologie und virale Vektoren beschleunigt werden, wie das Beispiel der COVID-19-Pandemie zeigte. Innerhalb eines Jahres wurden ein ChAdOx1-Vektor-basierter und zwei mRNA-basierte COVID-19-Impfstoffe zugelassen. Während impfstoffinduzierte Antikörpertiter einen Schutz vor einer Infektion bieten können, ist die T-Zell-Antwort entscheidend für die Beseitigung von virusinfizierten Zellen und den langfristigen Schutz vor einer Erkrankung. Ziel dieser Arbeit war eine umfassende, longitudinale Analyse der T-Zell-Antwort nach Impfung gegen SARS-CoV-2 und MERS-CoV. Impfstoffkandidaten, die auf rekombinanten Modifizierten Vacciniaviren Ankara (rMVA) basieren, wurden gegen MERS (MVA-MERS-S) und COVID-19 (MVA-SARS-2-S und MVA SARS-2-ST) entwickelt und zwischen 2017 und 2023 in klinischen Phase-1-Studien am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf untersucht. Regelmäßige Blutentnahmen in diesen klinischen Phase-1-Studien boten die besondere Möglichkeit, die T-Zell-Immunität im Detail zu untersuchen. Es wurden Blutproben von Studienteilnehmern vor und longitudinal nach Impfung genommen und mit Blutproben von gesunden und immungeschwächten Personen verglichen, die mit zugelassenen Impfstoffen geimpft wurden. Die Stärke, die Funktion und die Antigenspezifität der T Zell-Antwort wurden in verschiedenen Assays untersucht. Die vergleichende COVID-19 Studie ergab eine höhere T-Zell-Immunogenität des Impfstoffkandidaten MVA-SARS-2-ST, der ein präfusionsstabilisiertes SARS-CoV-2-Spike-Protein kodiert, im Vergleich zu MVA-SARS-2-S, der das native Spike-Protein kodiert. Während beide Impfstoffkandidaten bei SARS CoV-2-naïven Individuen im Vergleich zu den zugelassenen Impfstoffen weniger immunogen waren, erwiesen sie sich bei der heterologen Impfung als vielversprechend: MVA-SARS-2-S konnte eine polyfunktionelle CD8+-Antwort auslösen, wenn es vor der mRNA-basierten Immunisierung verabreicht wurde. MVA-SARS-2-ST als Auffrischungsimpfung nach einer mRNA-basierten Immunisierung konnte die T-Zell-Antwort bei Personen mit geringer Restimmunität verstärken. Im Gegensatz zu gesunden Personen, die nach der Grundimmunisierung mit zugelassenen COVID-19-Impfstoffen eine robuste T Zell-Antwort entwickelten, zeigten immungeschwächte Patienten mit chronischer lymphatischer Leukämie, Leberzirrhose oder Lebertransplantation eine geringere Antwort. Insbesondere eine dritte Auffrischungsimpfung und ein heterologes Impfschema aus mRNA- und vektorbasierten Impfstoffen, verstärkten die T-Zell-Antwort bei diesen Patienten deutlich. Die Untersuchung des MVA-MERS-S-Impfstoffkandidaten ergab, dass eine niedrigere Impfstoffdosis und ein längeres Zeitintervall zwischen den ersten beiden Impfungen die T-Zell-Immunogenität verbesserte. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass CD8+ T-Zellen gegen ein neu identifiziertes immundominantes Epitop einen langlebigen, polyfunktionalen Phänotyp aufweisen. Zusammenfassend verdeutlichen diese Ergebnisse, dass Impfstoffcharakteristika, Impfschema sowie individuelle Faktoren die durch den Impfstoff ausgelöste T-Zell-Antwort beeinflussen können. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von effektiveren Immunisierungsstrategien, die den Aufbau eines langlebigen T-Zell-Gedächtnisses als Schutz vor Krankheit zum Ziel haben. Dies ist besonders für immungeschwächte Patienten von Bedeutung.