With the start of the SARS-CoV-2 pandemic in late 2019, understanding the immune responses to SARS-CoV-2 in various populations became critical for guiding public health strategies and vaccination campaigns. The variability in how e.g. different age groups, populations and individuals with prior infections as well as individuals with vaccine breakthrough infections responded to the virus and vaccines offered valuable insights in understanding the pandemic’s dynamics. This thesis synthesized data and publications from multiple cohorts to shed light on the immune dynamics of children and the general population and investigated the impact of emerging variants. Children and adolescents often experience mild symptoms during the acute phase of COVID-19, making SARS-CoV-2 infections easily overlooked in this population. The first manuscript sought to better understand the immune responses in children following infection as well as the role of children in transmission dynamics of the early SARS-CoV-2 pandemic. In a cross-sectional design, children aged 1-17 were recruited, symptoms were recorded, and antibody responses were analyzed. Of the 2,832 children tested between May and July 2020, antibodies were identified in 162 children (5.7%). Notably, only 86% of antibody-positive children exhibited sufficient neutralizing activity, irrespective of age and sex, whereas 30% of PCR positive children showed no seroconversion at all. In contrast to grown-ups, neither specific COVID-19 symptoms except for loss of smell and taste, nor any relationship between antibody response and symptoms could be found. SARS-CoV-2 antibody testing was rapidly introduced in early 2020 and played a crucial role in determining serostatus and potential correlates of protection. Yet, the transition from initial test development to exhaustive population-based testing harbors the risk of introducing spectrum bias. The second study of this thesis aimed to explore the presence and extent of spectrum bias and to estimate the performance measures of antibody tests in a population-based setting, using data from 856 participants within the TiKoCo-19 cohort. Notable differences in test sensitivities and specificities were observed when transitioning from simulated test-development to population-based application, with greater bias in earlier tests. The Roche ELECSYS N and S tests outperformed others in sensitivity and specificity for dichotomous outcomes but did not correlate well with neutralization capacity. In contrast, the in-house ELISA, though inferior in dichotomous testing, showed solid quantitative correlation with neutralization capacity, indicating it might better reflect protective immunity. In the face of hotspot outbreaks, contradicting reports on infection fatality and quickly introduced vaccination, understanding the dynamics of SARS-CoV-2 spread and the impact of public health interventions required detailed population-level data over time. Thus, in the third manuscript, a longitudinal serosurveillance study with 4203 participants in Tirschenreuth, the hardest-hit county in Germany, provided insights into seroprevalence, surveillance detection ratios (SDR), infection fatality ratios (IFR), and vaccination success. From June 2020 to April 2021, the seroprevalence increased from 9.2% to 15.4%. The SDR decreased significantly from 5 to 1, reflecting enhanced testing efforts. The general IFR of 2.3% increased slightly to 3.3% and remained highest among individuals aged 70 and above (>10%). By April 2021, vaccination rates among the elderly were high, exceeding 77.4%. The fourth manuscript aimed to broaden the knowledge on the vaccine immunogenicity. Thus, SARSCoV-2 antibody responses were measured in the Tirschenreuth cohort during April 2021. Single-dose vaccinated participants showed median neutralizing antibody titers of ID50 = 25 to 75, whereas twodose vaccinated individuals had significantly higher titers. Regression analysis indicated that older age and longer time since vaccination reduced antibody levels. Previously infected participants with one vaccine dose exhibited high median ID50 levels, suggesting robust immune priming. Prior infection also led to higher IgA levels in response to vaccination compared to uninfected individuals. The emergence of VOCs with reports of immune escape and immune imprinting as well as a cooccurring change in infection dynamics and spiking reports of vaccine breakthrough infections, further expanded the landscape of SARS-CoV-2 immune responses. The final manuscript examined the impact of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) and vaccination on the neutralizing antibody profile in a longitudinal multicenter cohort study. Analysis of vaccinated and non-vaccinated individuals postinfection with Alpha, Delta, or Omicron variants showed enhanced neutralization capacity and breadth in vaccinated individuals against multiple VOCs. Sustained neutralization was observed after breakthrough infections, particularly in triple-vaccinated individuals. Antigenic mapping revealed a shift towards VOC specific responses post-infection, yet long term responses revealed an imprinted bias towards the initially immunized antigen. Nonetheless, machine-learning models could confirm a sustained change in immune profiles following breakthrough infections. In conclusion, this collection of studies shed light on the infection and antibody dynamics in children and hotspot regions during the early pandemic. We identified senior care homes and the elderly as drivers of infection fatality, underscored the variability in immune responses among different populations and highlighted the importance of vaccination. Additionally, multiple widely used tests were benchmarked, identifying apparent spectrum bias in early tests. Finally, variant based immune imprinting effects were illustrated, though bioinformatical methods could identify enhanced breadth and sustained shifts in immunity after antigenically distant immunization events

Mit dem Ausbruch der SARS-CoV-2-Pandemie Ende 2019 wurde rasch deutlich, dass eine detaillierte Analyse der spezifischen Immunantworten auf SARS-CoV-2 in verschiedenen Bevölkerungsgruppen nicht nur für das grundlegende Verständnis der Virus-Wirt-Interaktion von zentraler Bedeutung ist, sondern auch wichtige Impulse für Strategien im öffentlichen Gesundheitswesen und für Impfkampagnen liefern wird. Die teils deutlichen Unterschiede in den Immunantworten zwischen Altersgruppen, Bevölkerungsgruppen sowie bei Personen mit vorangegangener Infektion oder Impfdurchbruchsinfektion lieferten dabei zentrale Erkenntnisse über die Heterogenität der Immunabwehr gegen SARS-CoV-2. Diese Dissertation fasst Daten und Publikationen aus mehreren Kohorten zusammen, um die Infektionsdynamik bei Kindern und in der Allgemeinbevölkerung zu beleuchten sowie den Einfluss neu auftretender Virusvarianten zu untersuchen. Kinder und Jugendliche zeigen während der akuten Phase von COVID-19 oft nur milde Symptome, wodurch SARS-CoV-2 Infektionen in dieser Bevölkerungsgruppe häufig unentdeckt bleiben. Das erste Manuskript hatte zum Ziel, die Immunantworten bei Kindern nach einer Infektion sowie deren Rolle in der Übertragungsdynamik der frühen SARS-CoV-2-Pandemie besser zu verstehen. In einem Querschnittsdesign wurden Kinder im Alter von 1 bis 17 Jahren rekrutiert, Symptome erfasst und Antikörperantworten analysiert. Von den 2.832 zwischen Mai und Juli 2020 getesteten Kindern, wurden bei 162 (5,7 %) Antikörper nachgewiesen. Bemerkenswerterweise wiesen nur 86 % der Antikörper positiven Kinder eine ausreichende neutralisierende Aktivität auf, unabhängig von Alter und Geschlecht, während 30 % der PCR-positiven Kinder überhaupt keine Serokonversion zeigten. Im Gegensatz zu Erwachsenen ließen sich weder spezifische COVID-19-Symptome (mit Ausnahme von Geruchs- und Geschmacksverlust), noch ein Zusammenhang zwischen Symptomen und Antikörperantwort feststellen. SARS-CoV-2-Antikörpertests wurden Anfang 2020 schnell eingeführt und spielten eine zentrale Rolle bei der Bestimmung von Serostatus sowie der Untersuchung potenzieller Korrelate des Schutzes. Der Übergang von initialer Testentwicklung zu flächendeckenden bevölkerungsbasierten Testungen birgt jedoch das Risiko eines Spektrum Bias. Die zweite Studie dieser Arbeit zielte darauf ab, das Vorhandensein und Ausmaß dieses Bias zu untersuchen und die Leistungsmerkmale von Antikörpertests in einem bevölkerungsbasierten Umfeld, basierend auf Daten von 856 Teilnehmenden der TiKoCo-19-Kohorte, zu bewerten. Beim Übergang von der simulierten Testentwicklung zur Anwendung in der Allgemeinbevölkerung zeigten sich deutliche Unterschiede in Sensitivität und Spezifität, mit stärkerem Bias bei früheren Tests. Die Roche ELECSYS N- und S-Tests schnitten in Bezug auf Sensitivität und Spezifität bei dichotomen Ergebnissen am besten ab, korrelierten jedoch nur schwach mit der Neutralisationskapazität. Im Gegensatz dazu zeigte ein hausinterner ELISA, trotz schwächerer Leistung bei dichotomen Ergebnissen, eine zufriedenstellende quantitative Korrelation mit der Neutralisation. Angesichts lokaler Ausbrüche, widersprüchlicher Berichte zur Infektionssterblichkeit und einer rasch eingeführten Impfkampagne war ein detailliertes Verständnis der Ausbreitungsdynamik von SARSCoV-2, sowie der Auswirkungen von Maßnahmen auf Bevölkerungsebene und über die Zeit hinweg essenziell. Im dritten Manuskript wurde daher eine longitudinale Serosurveillance-Studie mit 4.203 Teilnehmenden in Tirschenreuth, dem am stärksten betroffenen Landkreis Deutschlands, durchgeführt. Die Studie ermöglichte Einblicke in Seroprävalenz, Surveillance Detection Ratios (SDR), Infektionssterblichkeitsraten (IFR) und Impferfolg. Zwischen Juni 2020 und April 2021 stieg die Seroprävalenz von 9,2 % auf 15,4 %. Die SDR sank signifikant von 5 auf 1, was auf verbesserte Teststrategien hindeutete. Die allgemeine IFR stieg leicht von 2,3 % auf 3,3 % und blieb bei Personen ab 70 Jahren am höchsten (> 10 %). Bis April 2021 war die Impfquote in der älteren Bevölkerung hoch und lag bei über 77,4 %. Das vierte Manuskript zielte darauf ab, das Wissen zur Immunogenität der neu eingeführten Impfstoffe zu erweitern. Dazu wurden im April 2021 SARS-CoV-2 Antikörperantworten in der Tirschenreuth-Kohorte gemessen. Einfach geimpfte, seronegative Teilnehmende zeigten im Median neutralisierende Antikörpertiter (ID50) von 25 bis 75, während zweifach Geimpfte signifikant höhere Titer aufwiesen. Regressionsanalysen ergaben, dass höheres Alter und eine längere Zeit seit der Impfung mit niedrigeren Antikörperspiegeln assoziiert waren. Zuvor infizierte Teilnehmende mit nur einer Impfdosis wiesen deutlich höhere ID50-Werte auf, was auf eine verbesserte hybride Immunität hinweist. Eine vorherige Infektion führte zudem zu höheren IgA-Spiegeln nach Impfung im Vergleich zu nicht infizierten Personen. Das Auftreten von besorgniserregenden Virusvarianten (Variants of Concern, VOCs), Berichte über Immunflucht und Immunprägung (imprinting), einhergehend mit veränderten Infektionsdynamiken und einer Zunahme von Impfdurchbrüchen, erweiterten die Variabilität und die Wichtigkeit des Verständnisses der SARS-CoV-2-Immunantworten erheblich. Das abschließende Manuskript untersuchte den Einfluss von VOCs und Impfungen auf das Profil neutralisierender Antikörper in einer longitudinalen, multizentrischen Kohortenstudie. Die Analyse geimpfter und ungeimpfter Personen nach Infektionen mit Alpha-, Delta- oder Omikron-Varianten zeigte bei Geimpften eine gesteigerte Neutralisationskapazität und -breite gegenüber mehreren VOCs. Nach Impfdurchbrüchen, insbesondere bei dreifach Geimpften, konnte eine länger anhaltende Neutralisation beobachtet werden. Antigen Karten zeigten eine Verschiebung hin zu VOC-spezifischen Antworten nach Infektion, langfristig zeigte sich jedoch eine Prägung in Richtung des ursprünglich immunisierenden Antigens. Dennoch identifizierten Maschine-Learning Modelle eine anhaltende Veränderung der Immunprofile nach Impfdurchbrüchen. Zusammenfassend beleuchtet diese Sammlung von Studien die Infektions- und Antikörperdynamik bei Kindern und in Hotspot-Regionen während der frühen Pandemie. Weiterhin wurden Altenheime und ältere Menschen als Treiber der Infektionssterblichkeit identifiziert, die Variabilität der Immunantworten in verschiedenen Bevölkerungsgruppen unterstrichen und die Bedeutung der Impfung betont. Darüber hinaus wurden mehrere weit verbreitete Tests evaluiert, wobei ein deutlicher Spektrum Bias in frühen Tests festgestellt wurde. Abschließend wurden variantenabhängige Effekte der Immunprägung aufgezeigt, wenngleich bioinformatische Methoden eine verbesserte Breite und anhaltende Verschiebung der Immunantwort nach antigenisch entfernten Immunisierungsereignissen identifizieren konnten.