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Intranasal administration of Escherichia coli Nissle expressing the spike protein of SARS-CoV-2 induces long-term immunization and prevents spike protein-mediated lung injury in mice - 27/04/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116441 
Giovanni Sarnelli a, b, 1 , Alessandro Del Re c, 1 , Irene Palenca c, 1 , Silvia Basili Franzin c , Jie Lu b, d , Luisa Seguella c, , Aurora Zilli c , Marcella Pesce a, Sara Rurgo a , Giovanni Esposito b, e , Walter Sanseverino b , Giuseppe Esposito b, c
a Department of Clinical Medicine and Surgery, Section of Gastroenterology, University Federico II, Naples 80138, Italy 
b Nextbiomics S.R.L. (Società a Responsabilità Limitata), Naples 80100, Italy 
c Department of Physiology and Pharmacology “V. Erspamer”, Sapienza University of Rome, Rome 00185, Italy 
d Department of Anatomy and Cell Biology, China Medical University, Shenyang 110122, China 
e Department of Molecular Medicine and Medical Biotechnologies, Centro Ingegneria Genetica-Biotecnologie Avanzate s.c.a rl, Naples 80131, Italy 

Corresponding author.

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Abstract

While current anti-Spike protein (SP) vaccines have been pivotal in managing the pandemic, their limitations in delivery, storage, and the inability to provide mucosal immunization (preventing infections) highlight the ongoing necessity for research and innovation. To tackle these constraints, our research group developed a bacterial-based vaccine using a non-pathogenic E. coli Nissle 1917 (EcN) strain genetically modified to express the SARS-CoV-2 spike protein on its surface (EcN-pAIDA1-SP). We intranasally delivered the EcN-pAIDA1-SP in two doses and checked specific IgG/IgA production as well as the key immune mediators involved in the process. Moreover, following the initial and booster vaccine doses, we exposed both immunized and non-immunized mice to intranasal delivery of SARS-CoV-2 SP to assess the effectiveness of EcN-pAIDA1-SP in protecting lung tissue from the inflammation damage. We observed detectable levels of anti-SARS-CoV-2 spike IgG in serum samples and IgA in bronchoalveolar lavage fluid two weeks after the initial treatment, with peak concentrations in the respective samples on the 35th day. Moreover, immunoglobulins displayed a progressively enhanced avidity index, suggesting a selective binding to the spike protein. Finally, the pre-immunized group displayed a decrease in proinflammatory markers (TLR4, NLRP3, ILs) following SP challenge, compared to the non-immunized groups, along with better preservation of tissue morphology. Our probiotic-based technology provides an effective immunobiotic tool to protect individuals against disease and control infection spread.

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Graphical Abstract




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Highlights

E. coli Nissle was genetically engineered to express the SARS-CoV-2 spike protein on its surface.
E. coli Nissle (EcN)-pAIDA1-SP is intranasally administrable in mice.
EcN-pAIDA1-SP increased anti-SARS-CoV-2 spike IgG/IgA after immunization.
EcN-pAIDA1-SP immunization mitigated Spike protein- induced lung injury in mice.

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Keywords : COVID-19, Engineered probiotics, IgA, NLRP3, Intranasal vaccine, Mice lung injury, Spike protein


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