NPJ Vaccines. 2024 Mar 6;9(1):53.

L Marcos-Villar#, B Perdiguero#, .... M Esteban, CE Gómez

Abstract

Vaccines based on mRNA technology have revolutionized the field. In fact, lipid nanoparticles (LNP) formulated with mRNA are the preferential vaccine platform used in the fight against SARS-CoV-2 infection, with wider application against other diseases. The high demand and property right protection of the most potent cationic/ionizable lipids used for LNP formulation of COVID-19 mRNA vaccines have promoted the design of alternative nanocarriers for nucleic acid delivery. In this study we have evaluated the immunogenicity and efficacy of different rationally designed lipid and polymeric-based nanoparticle prototypes against SARS-CoV-2 infection. An mRNA coding for a trimeric soluble form of the receptor binding domain (RBD) of the spike (S) protein from SARS-CoV-2 was encapsulated using different components to form nanoemulsions (NE), nanocapsules (NC) and lipid nanoparticles (LNP). The toxicity and biological activity of these prototypes were evaluated in cultured cells after transfection and in mice following homologous prime/boost immunization. Our findings reveal good levels of RBD protein expression with most of the formulations. In C57BL/6 mice immunized intramuscularly with two doses of formulated RBD-mRNA, the modified lipid nanoparticle (mLNP) and the classical lipid nanoparticle (LNP-1) were the most effective delivery nanocarriers at inducing binding and neutralizing antibodies against SARS-CoV-2. Both prototypes fully protected susceptible K18-hACE2 transgenic mice from morbidity and mortality following a SARS-CoV-2 challenge. These results highlight that modulation of mRNAs immunogenicity can be achieved by using alternative nanocarriers and support further assessment of mLNP and LNP-1 prototypes as delivery vehicles for mRNA vaccines.

DOI: 10.1038/s41541-024-00838-8

 Antiviral Res. 2023 Dec:220:105760. Epub 2023 Nov 21.

A Gómez-Carballa, G Albericio, J Montoto-Louzao, P Pérez, D Astorgano, I Rivero-Calle, F Martinón-Torres, M Esteban, A Salas, J García-Arriaza

Abstract

Unravelling the molecular mechanism of COVID-19 vaccines through transcriptomic pathways involved in the host response to SARS-CoV-2 infection is key to understand how vaccines work, and for the development of optimized COVID-19 vaccines that can prevent the emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VoCs) and future outbreaks. In this study, we investigated the effects of vaccination with a modified vaccinia virus Ankara (MVA)-based vector expressing the full-length SARS-CoV-2 spike protein (MVA-S) on the lung transcriptome from susceptible K18-hACE2 mice after SARS-CoV-2 infection. One dose of MVA-S regulated genes related to viral infection control, inflammation processes, T-cell response, cytokine production and IFN-γ signalling. Down-regulation of Rhcg and Tnfsf18 genes post-vaccination with one and two doses of MVA-S may represent a mechanism for controlling infection immunity and vaccine-induced protection. One dose of MVA-S provided partial protection with a distinct lung transcriptomic profile to healthy animals, while two doses of MVA-S fully protected against infection with a transcriptomic profile comparable to that of non-vaccinated healthy animals. This suggests that the MVA-S booster generates a robust and rapid antigen-specific immune response preventing virus infection. Notably, down-regulation of Atf3 and Zbtb16 genes in mice vaccinated with two doses of MVA-S may contribute to vaccine control of innate immune system and inflammation processes in the lungs during SARS-CoV-2 infection. This study shows host transcriptomic mechanisms likely involved in the MVA-S vaccine-mediated immune response against SARS-CoV-2 infection, which could help in improving vaccine dose assessment and developing novel, well-optimized SARS-CoV-2 vaccine candidates against prevalent or emerging VoCs.

 DOI: 10.1016/j.antiviral.2023.105760

J Virol. 2015; pii: JVI.03566-14.

Regla-Nava JA, Nieto-Torres JL, Jimenez-Guardeño JM, Fernandez-Delgado R, Fett C, Castaño-Rodríguez C, Perlman S, Enjuanes L, DeDiego ML.

J Virol. 2015; pii: JVI.03566-14Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) causes a respiratory disease with a mortality rate of 10%. A mouse-adapted SARS-CoV (SARS-CoV-MA15) lacking the envelope (E) protein (rSARS-CoV-MA15-ΔE) is attenuated in vivo.

To identify E protein regions and host responses that contribute to rSARS-CoV-MA15-ΔE attenuation, several mutants (rSARS-CoV-MA15-E*) containing point mutations or deletions in the amino-terminal or the carboxy-terminal regions of the E protein were generated. Amino acid substitutions in the amino terminus, or deletion of regions in the internal carboxy terminal region of E protein led to virus attenuation. Attenuated viruses induced minimal lung injury, diminished limited neutrophil influx and increased CD4+ and CD8+ T cell counts in the lungs of BALB/c mice, when compared to mice infected with wild type virus. To analyze the host responses leading to rSARS-CoV-MA15-E* attenuation, differences in gene expression elicited by the native and mutant viruses in the lungs of infected mice were determined. Expression levels of a large number of proinflammatory cytokines associated with lung injury were reduced in the lungs of rSARS-CoV-MA15-E* infected mice, whereas the levels of anti-inflammatory cytokines were increased, both at the mRNA and protein levels.

These results suggested that the reduction in lung inflammation together with a more robust antiviral T cell response contributed to rSARS-CoV-MA15-E* attenuation. The attenuated viruses completely protected mice against challenge with the lethal parental virus, indicating that these viruses are promising vaccine candidates.

J Virol. 2015; 89 (2): 970-988.

Perdiguero B, Gómez CE, Cepeda V, Sánchez-Sampedro L, García-Arriaza J, Mejías-Pérez E, Jiménez V, Sánchez C, Sorzano CÓ, Oliveros JC, Delaloye J, Roger T, Calandra T, Asbach B, Wagner R, Kibler KV, Jacobs BL, Pantaleo G, Esteban M.

J Virol. 2015; 89 (2): 970-988The generation of vaccines against HIV/AIDS able to induce long-lasting protective immunity remains a major goal in the HIV field. The modest efficacy (31.2%) against HIV infection observed in the RV144 phase III clinical trial highlighted the need for further improvement of HIV vaccine candidates, formulation, and vaccine regimen.

n this study, we have generated two novel NYVAC vectors, expressing HIV-1 clade C gp140(ZM96) (NYVAC-gp140) or Gag(ZM96)-Pol-Nef(CN54) (NYVAC-Gag-Pol-Nef), and defined their virological and immunological characteristics in cultured cells and in mice. The insertion of HIV genes does not affect the replication capacity of NYVAC recombinants in primary chicken embryo fibroblast cells, HIV sequences remain stable after multiple passages, and HIV antigens are correctly expressed and released from cells, with Env as a trimer (NYVAC-gp140), while in NYVAC-Gag-Pol-Nef-infected cells Gag-induced virus-like particles (VLPs) are abundant. Electron microscopy revealed that VLPs accumulated with time at the cell surface, with no interference with NYVAC morphogenesis. Both vectors trigger specific innate responses in human cells and show an attenuation profile in immunocompromised adult BALB/c and newborn CD1 mice after intracranial inoculation. Analysis of the immune responses elicited in mice after homologous NYVAC prime/NYVAC boost immunization shows that recombinant viruses induced polyfunctional Env-specific CD4 or Gag-specific CD8 T cell responses. Antibody responses against gp140 and p17/p24 were elicited.

Our findings showed important insights into virus-host cell interactions of NYVAC vectors expressing HIV antigens, with the activation of specific immune parameters which will help to unravel potential correlates of protection against HIV in human clinical trials with these vectors.

Hum Vaccin Immunother. 2014; 10(8).

García-Arriaza J, Esteban M.

Hum Vaccin Immunother. 2014; 10(8)Attenuated recombinant poxvirus vectors expressing heterologous antigens from pathogens are currently at various stages in clinical trials with the aim to establish their efficacy. This is because these vectors have shown excellent safety profiles, significant immunogenicity against foreign expressed antigens and are able to induce protective immune responses.

In view of the limited efficacy triggered by some poxvirus strains used in clinical trials (i.e, ALVAC in the RV144 phase III clinical trial for HIV), and of the restrictive replication capacity of the highly attenuated vectors like MVA and NYVAC, there is a consensus that further improvements of these vectors should be pursuit. In this review we considered several strategies that are currently being implemented, as well as new approaches, to improve the immunogenicity of the poxvirus vectors. This includes heterologous prime/boost protocols, use of co-stimulatory molecules, deletion of viral immunomodulatory genes still present in the poxvirus genome, enhancing virus promoter strength, enhancing vector replication capacity, optimizing expression of foreign heterologous sequences, and the combined use of adjuvants. An optimized poxvirus vector triggering long-lasting immunity with a high protective efficacy against a selective disease should be sought.

MBio. 2013 Sep 10;4(5). pii: e00650-13

Almazán F, Dediego ML, Sola I, Zuñiga S, Nieto-Torres JL, Marquez-Jurado S, Andrés G, Enjuanes L.

MBio. 2013 Sep 10;4(5). pii: e00650-13Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) is an emerging coronavirus infecting humans that is associated with acute pneumonia, occasional renal failure, and a high mortality rate and is considered a threat to public health. The construction of a full-length infectious cDNA clone of the MERS-CoV genome in a bacterial artificial chromosome is reported here, providing a reverse genetics system to study the molecular biology of the virus and to develop attenuated viruses as vaccine candidates.

Following transfection with the cDNA clone, infectious virus was rescued in both Vero A66 and Huh-7 cells. Recombinant MERS-CoVs (rMERS-CoVs) lacking the accessory genes 3, 4a, 4b, and 5 were successfully rescued from cDNA clones with these genes deleted. The mutant viruses presented growth kinetics similar to those of the wild-type virus, indicating that accessory genes were not essential for MERS-CoV replication in cell cultures. In contrast, an engineered mutant virus lacking the structural E protein (rMERS-CoV-ΔE) was not successfully rescued, since viral infectivity was lost at early passages. Interestingly, the rMERS-CoV-ΔE genome replicated after cDNA clone was transfected into cells.

The infectious virus was rescued and propagated in cells expressing the E protein in trans, indicating that this virus was replication competent and propagation defective. Therefore, the rMERS-CoV-ΔE mutant virus is potentially a safe and promising vaccine candidate to prevent MERS-CoV infection.

J Virol. 2013 Jul;87(13):7282-300

Gómez CE, Perdiguero B, Cepeda MV, Mingorance L, García-Arriaza J, Vandermeeren A, Sorzano CO, Esteban M.

J Virol. 2013 Jul;87(13):7282-300A major goal in the control of hepatitis C infection is the development of a vaccine. Here, we have developed a novel HCV vaccine candidate based on the highly attenuated poxvirus vector MVA (referred as MVA-HCV) expressing the near full-length (7.9 kbp) HCV sequence, with the aim to target almost all of the T and B cell determinants described for HCV.

In infected cells, MVA-HCV produces a polyprotein that is subsequently processed into the structural and nonstructural HCV proteins, triggering the cytoplasmic accumulation of dense membrane aggregates. In both C57BL/6 and transgenic HLA-A2 vaccinated mice, MVA-HCV induced high, broad, polyfunctional and long-lasting HCV-specific T cell immune responses. The vaccine-induced T cell response was mainly mediated by CD8 T cells; however, although lower in magnitude, the CD4+ T cells were highly polyfunctional. In homologous protocol (MVA-HCV/MVA-HCV) the main CD8+ T cell target was p7+NS2, whereas in heterologous combination (DNA-HCV/MVA-HCV) the main target was NS3. Antigenic responses were also detected against other HCV proteins (Core, E1-E2, NS4) but the magnitude of the responses was dependent of the protocol used. The majority of the HCV-induced CD8+ T cells were triple or quadruple-cytokine producers. The MVA-HCV vaccine induced memory CD8+ T cell responses with an effector memory (TEM) phenotype.

Overall, our data showed that MVA-HCV induced broad, highly polyfunctional and durable T cell responses of a magnitude and quality that might be associated with protective immunity and open the path for future considerations of MVA-HCV as prophylactic and/or therapeutic vaccine candidate against HCV.

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