Charlie Fricke

• During the SARS-CoV-2 pandemic, different viral variants emerged with distinct transmissibility, pathogenicity, and immune evasion features. Although these traits were reflected in the pandemic course, knowledge about immunity against the emerging variants remained limited and lagged behind. Information about early antiviral immunity mainly came from blood or tissue samples of individuals who died from COVID-19, which cannot fully reflect local protective immune responses during acute SARS-CoV-2 infections. This thesis utilized small animals to model COVID-19 in humans and used it afterward to test mRNA vaccine efficacy. The aim was to gain insights into early immune responses after SARS-CoV-2 infection and mRNA-induced protective immunity in various tissues, which is challenging to accomplish in humans. Publication I demonstrates that infection of K18-hACE2 mice with ancestral SARS-CoV- 2, Beta, or Delta VOC results in unique patterns of viral dissemination into the lungs and distinct inflammatory responses within the first 5 days post-infection (DPI). The Beta variant spread to the lungs earlier and caused higher levels of inflammatory cytokines and more significant infiltration of innate immune cells than the ancestral SARS-CoV-2. Adaptive immune responses were detected within 7 DPI and were associated with lower viral burden, suggesting a potential role in clearing the infection. The depletion of B and T cells allowed correlating viral clearance with virus-specific antibody levels and T cell responses. While innate immune responses differed among SARS-CoV-2 variants, adaptive responses developed similarly, suggesting a potential target for pan-variant countermeasures. Publication II indicates that low-dose mixed mRNA vaccines, containing half the amount of each monovalent vaccine, produce similar levels of neutralizing antibodies and virus-specific T cells in the lungs, protecting K18-hACE2 mice from lethal disease. The vaccination of Wistar rats showed that bivalent vaccination can elicit neutralizing antibodies against different variants (e.g., BA1 and BA.5) that are not included in the vaccine formulation. The study suggests that alternative vaccination strategies could generate cross-protective immunity, helping to overcome immune evasion by SARS-CoV-2 variants. Publication III investigates protective immunity against SARS-CoV-2 upon mRNA vaccination in a mouse model with restricted B cell responses, commonly seen in vaccinated individuals with immunodeficiencies. It demonstrates that T cells can compensate for the lack of serum antibodies to prevent sublethal disease in mice. Serum antibody levels correlated with reduced disease severity and mRNA vaccine-induced IgG limited viral replication in the nasal conchae, indicating a potential role in protecting from virus transmission. This thesis provides valuable insights into protective immune responses against infection with various SARS-CoV-2 variants and upon mRNA vaccination and informs about vaccination strategies to overcome immune escape. The numerous experimental studies within this thesis are essential for characterizing emerging viral variants and developing effective vaccines. These findings offer valuable insights that can guide the development of effective countermeasures to combat immune evasion by future SARS-CoV-2 variants.
• Während der SARS-CoV-2-Pandemie entwickelten sich verschiedene virale Varianten, die unterschiedliche Übertragbarkeiten, Pathogenitäten und Eigenschaften zur Immunflucht aufwiesen. Trotz der sich verändernden Merkmale der SARS-CoV-2 Varianten blieb das Wissen über die Immunität gegenüber diesen begrenzt und entwickelte sich nur langsam weiter. Informationen zur frühen antiviralen Immunität stammten überwiegend aus Blut- oder Gewebeproben von Personen, die an COVID-19 verstorben waren. Diese Daten reflektieren jedoch nicht vollständig die lokalen Schutzreaktionen des Immunsystems während akuter SARS-CoV-2-Infektionen. Die vorliegende Arbeit nutzte Kleintiermodelle, um COVID-19 beim Menschen zu modellieren und untersuchte in diesen die Wirksamkeit von mRNA-Impfstoffen. Ziel war es, Einblicke in frühe Immunreaktionen nach einer SARS-CoV-2-Infektion sowie in die mRNA-induzierte Immunität in verschiedenen Geweben zu erhalten, was beim Menschen schwer zu erfassen ist. Publikation I zeigt, dass die Infektion von K18- hACE2-Mäusen mit dem ursprünglichen SARS-CoV-2 sowie den Beta- oder Delta- Varianten zu einer unterschiedlichen viralen Ausbreitung in die Lunge und verschiedenen Entzündungsreaktionen innerhalb der ersten fünf Tage nach der Infektion führt. Die Beta-Variante breitete sich schneller in die Lunge aus, verursachte höhere Spiegel an Entzündungsmediatoren und eine signifikante Infiltration von angeborenen Immunzellen im Vergleich zum ursprünglichen SARS-CoV-2 (BavPat1). Adaptive Immunantworten wurden innerhalb von sieben Tagen nach der Infektion nachgewiesen und waren mit einer geringeren Viruslast verbunden, was auf eine mögliche Rolle bei der Abwehr der Infektion hindeutete. Die Depletion von B- und TZellen ermöglichte es, die Viruselimination mit virus-spezifischen Antikörpern und TZell- Antworten zu korrelieren. Während die angeborenen Immunantworten zwischen den SARS-CoV-2-Varianten variierten, entwickelten sich die adaptiven Antworten ähnlich, was auf ein mögliches Ziel für Varianten-übergreifende Gegenmaßnahmen hinweist. Publikation II zeigt, dass niedrig dosierte, bivalente mRNA-Impfstoffe, die jeweils die Hälfte der Menge eines monovalenten Impfstoffs enthalten, vergleichbare Titer an neutralisierenden Antikörpern und virus-spezifischen T-Zellen in der Lunge erzeugen wie monovalente Impfstoffe und K18-hACE2-Mäuse vor tödlichen Erkrankungen schützen. Die Impfung von Wistar-Ratten ergab, dass eine bivalente Impfung neutralisierende Antikörper gegen verschiedene Varianten (z.B. BA.1 und BA.5) hervorrufen kann, obwohl deren S-Protein nicht in der Impfstoffformulierung enthalten ist. Die Studie legt nahe, dass alternative Impfstrategien eine Kreuzimmunität erzeugen könnten, um die Immunflucht durch SARS-CoV-2-Varianten zu überwinden. Publikation III untersucht den Schutz vor SARS-CoV-2 durch mRNA-Impfung in einem Mausmodell mit eingeschränktem B-Zell-Repertoire, wie es bei Personen mit Immundefizienzen vorkommen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass TZellen den Mangel an Serumantikörpern ausgleichen können, um subletale Erkrankungen bei Mäusen zu verhindern. Serumantikörperspiegel korrelierten mit einer verminderten Schwere der Erkrankung, und durch mRNA-Impfstoff induziertes IgG begrenzte die Virusreplikation in den Nasenmuscheln, was auf eine mögliche Rolle beim Schutz vor der Virusübertragung hinweist. Diese Arbeit bietet wertvolle Einblicke in die Schutzreaktionen des Immunsystems gegen verschiedene SARS-CoV-2-Varianten oder nach mRNA-Impfung. Die Dissertation informiert über Impfstrategien zur Überwindung der Immunflucht durch neue Virusvarianten. Die zahlreichen experimentellen Studien in dieser Arbeit sind entscheidend für die Charakterisierung sich verändernder Virusvarianten und die Entwicklung effektiver Impfstoffe. Die Erkenntnisse dieser Dissertation bieten wichtige Grundlagen für die Gestaltung wirksamer Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung der Immunflucht durch zukünftige SARS-CoV-2-Varianten.