Vaccine induced adaptive immunity against SARS-CoV-2 Omicron and clade 2.3.4.4B A/H5N1 viruses

Abstract

ABSTRACT

Coronaviruses and influenza viruses are respiratory viruses with a history of causing pandemics in humans. Vaccines are one of the best ways of limiting and containing their spread. However, these viruses frequently mutate and diverge into new, emergent variants. Because of this, vaccines based on the earlier variants are often significantly less effective at inducing protective immunity against them. This necessitates the updating of vaccines with the new variants, often annually, to ensure humoral and cellular immunity are protective against circulating variants.

In the studies presented in this dissertation, we sought to analyze humoral and cell mediated immunity induced by vaccines against SARS-CoV-2 Omicron variants and avian influenza viruses. We also explored how SARS-CoV-2 breakthrough infections affect antiviral immunity. To accomplish this, we analyzed antibodies present in the serum samples taken from healthcare workers and AIV at-risk groups with ELISA and microneutralization tests. We also analyzed cell samples with activation induced marker assays combined with flow cytometry.

We show that three vaccinations with Spikevax and Comirnaty mRNA vaccines induced high titers of long-lasting S1-specific antibodies with a good neutralizing capacity against early Omicron subvariants BA.1, BA.2, and BA.5. The fourth and fifth vaccine doses based on later Omicron subvariants were shown to induce high titers of S1-specific antibodies, that declined more slowly against later Omicron subvariants BQ.1.1, XBB.1.5 and JN.1. Even though vaccine induced antibodies were considered neutralizing and thus protective, the neutralization capacity of the antibodies against the newer Omicron subvariants was substantially reduced compared to older Omicron subvariants. The combination of breakthrough infection and vaccinations induced the highest neutralization capacity. Additionally, we showed that effective CD4+ and CD8+ T-cell responses are likewise induced.

We showed that an inactivated subunit vaccine based on A/Astrakhan/3212/2020 (H5N8)-like strain induced antibodies with high neutralization capacity, and robust CD4+ T-cell activation against circulating H5N1 viruses of clade 2.3.4.4b.

The results of this dissertation show that mRNA and inactivated subunit vaccines are adaptable platforms capable of inducing efficient humoral and cellular immune responses against emergent SARS-CoV-2 variants and AIV strains.

KEYWORDS: SARS-CoV-2, Omicron, vaccine, H5N1, antibody, cell-mediated immunity

TIIVISTELMÄ

Korona- ja influenssavirukset ovat hengitystieviruksia, jotka ovat kautta historian aiheuttaneet pandemioita ihmisissä. Rokotteet ovat tehokkaita rajoittamaan virusten leviämistä. Korona- ja influenssavirukset kuitenkin muuntuvat usein, mikä johtaa uusien varianttien ilmaantumiseen. Tämän vuoksi aikaisempiin variantteihin perustuvat rokotteet ovat usein tehottomampia luomaan suojaavan immuniteetin uusia variantteja vastaan. Jotta humoraalinen ja soluvälitteinen immuniteetti pysyisivät suojaavina myös uudempia variantteja vastaan, rokotteita joudutaan päivittämään vuosittain.

Tutkimuksissamme analysoimme SARS-CoV-2- ja lintuinfluenssavirus (AIV) rokotteiden aikaansaamaa humoraalista ja soluvälitteistä immuniteettia, ja SARS-CoV-2-läpimurtotartuntojen vaikutusta immuniteettiin. Analysoimme rokotetuilta henkilöiltä saatujen seeruminäytteiden vasta-aineita ELISA- ja mikroneutralisaatiotesteillä, sekä solunäytteitä aktivaatioindusoiduilla markkeritesteillä ja virtaussytometrialla soluvälitteisen immuniteetin osoittamiseksi.

Osoitimme, että kolme rokotusta Spikevax- ja Comirnaty mRNA-rokotteilla indusoi korkeita tiittereitä pitkäkestoisia S1-spesifisiä vasta-aineita, joilla oli hyvä neutralisoiva kapasiteetti varhaisia Omicron-alavariantteja BA.1, BA.2 ja BA.5 vastaan. Neljännen ja viidennen rokoteannoksen, jotka perustuivat myöhempiin Omicron-alavariantteihin, osoitettiin indusoivan korkeatiitterisiä ja hitaammin häviäviä S1-spesifisiä vasta-aineita myöhempiä alavariantteja BQ.1.1, XBB.1.5 ja JN.1 vastaan. Vaikka vasta-aineet olivat edelleen neutralisoivia ja suojaavia, niiden neutralisaatiokapasiteetti uudempia alavariantteja vastaan oli heikompi verrattuna vanhempiin alavariantteihin. Läpimurtoinfektion ja rokotusten yhdistelmä tuotti korkeimman neutralisaatiokapasiteetin. SARS-CoV-2 rokotteet indusoivat tehokkaita CD4+- ja CD8+ T-soluvasteita. Havaitsimme, että A/Astrakhan/3212/2020 (H5N8)-kaltaiseen kantaan perustuva alayksikörokote indusoi korkean neutralisaatiokapasiteetin omaavia vasta-aineita, ja vahvan CD4+ T-soluvasteen linjaan 2.3.4.4b kuuluvia H5N1 -viruksia vastaan.

Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat inaktivoitujen alayksikkö- ja mRNA rokotteiden olevan tehokkaita indusoimaan humoraalisia ja soluvälitteisiä immuunivasteita uudempia SARS-CoV-2-variantteja ja AIV-kantoja vastaan.

AVAINSANAT: SARS-CoV-2, Omicron, Rokotus, H5N1, vasta-aine, soluvälitteinen immuniteetti