A vaccine for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is needed to control the coronavirus disease 2019 (COVID-19) global pandemic. Structural studies have led to the development of mutations that stabilize Betacoronavirus spike proteins in the prefusion state, improving their expression and increasing immunogenicity1. This principle has been applied to design mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a SARS-CoV-2 spike protein that is stabilized in the prefusion conformation. Here we show that mRNA-1273 induces potent neutralizing antibody responses to both wild-type (D614) and D614G mutant2 SARS-CoV-2 as well as CD8+ T cell responses, and protects against SARS-CoV-2 infection in the lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a phase III trial to evaluate its efficacy. mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a stabilized prefusion-state severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, elicits robust immune responses and protects mice against replication of SARS-CoV-2 in the upper and lower airways.

Coronaviruses are prone to transmission to new host species, as recently demonstrated by the spread to humans of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1. Small animal models that recapitulate SARS-CoV-2 disease are needed urgently for rapid evaluation of medical countermeasures2,3. SARS-CoV-2 cannot infect wild-type laboratory mice owing to inefficient interactions between the viral spike protein and the mouse orthologue of the human receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)4. Here we used reverse genetics5 to remodel the interaction between SARS-CoV-2 spike protein and mouse ACE2 and designed mouse-adapted SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 MA), a recombinant virus that can use mouse ACE2 for entry into cells. SARS-CoV-2 MA was able to replicate in the upper and lower airways of both young adult and aged BALB/c mice. SARS-CoV-2 MA caused more severe disease in aged mice, and exhibited more clinically relevant phenotypes than those seen in Hfh4-ACE2 transgenic mice, which express human ACE2 under the control of the Hfh4 (also known as Foxj1) promoter. We demonstrate the utility of this model using vaccine-challenge studies in immune-competent mice with native expression of mouse ACE2. Finally, we show that the clinical candidate interferon-λ1a (IFN-λ1a) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in primary human airway epithelial cells in vitro-both prophylactic and therapeutic administration of IFN-λ1a diminished SARS-CoV-2 replication in mice. In summary, the mouse-adapted SARS-CoV-2 MA model demonstrates age-related disease pathogenesis and supports the clinical use of pegylated IFN-λ1a as a treatment for human COVID-196.

The SARS-CoV-2 pandemic has caused extreme human suffering and economic harm. We generated and characterized a new mouse-adapted SARS-CoV-2 virus that captures multiple aspects of severe COVID-19 disease in standard laboratory mice. This SARS-CoV-2 model exhibits the spectrum of morbidity and mortality of COVID-19 disease as well as aspects of host genetics, age, cellular tropisms, elevated Th1 cytokines, and loss of surfactant expression and pulmonary function linked to pathological features of acute lung injury (ALI) and acute respiratory distress syndrome (ARDS). This model can rapidly access existing mouse resources to elucidate the role of host genetics, underlying molecular mechanisms governing SARS-CoV-2 pathogenesis, and the protective or pathogenic immune responses related to disease severity. The model promises to provide a robust platform for studies of ALI and ARDS to evaluate vaccine and antiviral drug performance, including in the most vulnerable populations (i.e., the aged) using standard laboratory mice.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the novel viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV) potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC50 = 0.01 μM). Weaker activity is observed in Vero E6 cells (EC50 = 1.65 μM) because of their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase of SARS-CoV-2. In mice infected with the chimeric virus, therapeutic RDV administration diminishes lung viral load and improves pulmonary function compared with vehicle-treated animals. These data demonstrate that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo, supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

A safe, effective, and scalable vaccine is needed to halt the ongoing SARS-CoV-2 pandemic. We describe the structure-based design of self-assembling protein nanoparticle immunogens that elicit potent and protective antibody responses against SARS-CoV-2 in mice. The nanoparticle vaccines display 60 SARS-CoV-2 spike receptor-binding domains (RBDs) in a highly immunogenic array and induce neutralizing antibody titers 10-fold higher than the prefusion-stabilized spike despite a 5-fold lower dose. Antibodies elicited by the RBD nanoparticles target multiple distinct epitopes, suggesting they may not be easily susceptible to escape mutations, and exhibit a lower binding:neutralizing ratio than convalescent human sera, which may minimize the risk of vaccine-associated enhanced respiratory disease. The high yield and stability of the assembled nanoparticles suggest that manufacture of the nanoparticle vaccines will be highly scalable. These results highlight the utility of robust antigen display platforms and have launched cGMP manufacturing efforts to advance the SARS-CoV-2-RBD nanoparticle vaccine into the clinic.

All coronaviruses known to have recently emerged as human pathogens probably originated in bats1. Here we use a single experimental platform based on immunodeficient mice implanted with human lung tissue (hereafter, human lung-only mice (LoM)) to demonstrate the efficient in vivo replication of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), as well as two endogenous SARS-like bat coronaviruses that show potential for emergence as human pathogens. Virus replication in this model occurs in bona fide human lung tissue and does not require any type of adaptation of the virus or the host. Our results indicate that bats contain endogenous coronaviruses that are capable of direct transmission to humans. Our detailed analysis of in vivo infection with SARS-CoV-2 in human lung tissue from LoM showed a predominant infection of human lung epithelial cells, including type-2 pneumocytes that are present in alveoli and ciliated airway cells. Acute infection with SARS-CoV-2 was highly cytopathic and induced a robust and sustained type-I interferon and inflammatory cytokine and chemokine response. Finally, we evaluated a therapeutic and pre-exposure prophylaxis strategy for SARS-CoV-2 infection. Our results show that therapeutic and prophylactic administration of EIDD-2801—an oral broad-spectrum antiviral agent that is currently in phase II/III clinical trials—markedly inhibited SARS-CoV-2 replication in vivo, and thus has considerable potential for the prevention and treatment of COVID-19. Human and bat coronaviruses replicate efficiently in immunodeficient mice implanted with human lung tissue, and treatment or prophylaxis using EIDD-2801 in this model suggests that this oral antiviral agent may be effective in preventing COVID-19.

The COVID-19 pandemic remains uncontrolled despite the rapid rollout of safe and effective SARS-CoV-2 vaccines, underscoring the need to develop highly effective antivirals. In the setting of waning immunity from infection and vaccination, breakthrough infections are becoming increasingly common and treatment options remain limited. Additionally, the emergence of SARS-CoV-2 variants of concern with their potential to escape therapeutic monoclonal antibodies emphasizes the need to develop second-generation oral antivirals targeting highly conserved viral proteins that can be rapidly deployed to outpatients. Here, we demonstrate the in vitro antiviral activity and in vivo therapeutic efficacy of GS-621763, an orally bioavailable prodrug of GS-441524, the parental nucleoside of remdesivir, which targets the highly conserved RNA-dependent RNA polymerase. GS-621763 exhibited significant antiviral activity in lung cell lines and two different human primary lung cell culture systems. The dose-proportional pharmacokinetic profile observed after oral administration of GS-621763 translated to dose-dependent antiviral activity in mice infected with SARS-CoV-2. Therapeutic GS-621763 significantly reduced viral load, lung pathology, and improved pulmonary function in COVID-19 mouse model. A direct comparison of GS-621763 with molnupiravir, an oral nucleoside analog antiviral currently in human clinical trial, proved both drugs to be similarly efficacious. These data demonstrate that therapy with oral prodrugs of remdesivir can significantly improve outcomes in SARS-CoV-2 infected mice. Thus, GS-621763 supports the exploration of GS-441524 oral prodrugs for the treatment of COVID-19 in humans.

A safe, effective, and scalable vaccine is urgently needed to halt the ongoing SARS-CoV-2 pandemic. Here, we describe the structure-based design of self-assembling protein nanoparticle immunogens that elicit potent and protective antibody responses against SARS-CoV-2 in mice. The nanoparticle vaccines display 60 copies of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein receptor-binding domain (RBD) in a highly immunogenic array and induce neutralizing antibody titers roughly ten-fold higher than the prefusion-stabilized S ectodomain trimer despite a more than five-fold lower dose. Antibodies elicited by the nanoparticle immunogens target multiple distinct epitopes on the RBD, suggesting that they may not be easily susceptible to escape mutations, and exhibit a significantly lower binding:neutralizing ratio than convalescent human sera, which may minimize the risk of vaccine-associated enhanced respiratory disease. The high yield and stability of the protein components and assembled nanoparticles, especially compared to the SARS-CoV-2 prefusion-stabilized S trimer, suggest that manufacture of the nanoparticle vaccines will be highly scalable. These results highlight the utility of robust antigen display platforms for inducing potent neutralizing antibody responses and have launched cGMP manufacturing efforts to advance the lead RBD nanoparticle vaccine into the clinic.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in 2019 as the causative agent of the novel pandemic viral disease COVID-19. With no approved therapies, this pandemic illustrates the urgent need for safe, broad-spectrum antiviral countermeasures against SARS-CoV-2 and future emerging CoVs. We report that remdesivir (RDV), a monophosphoramidate prodrug of an adenosine analog, potently inhibits SARS-CoV-2 replication in human lung cells and primary human airway epithelial cultures (EC 50 = 0.01 μM). Weaker activity was observed in Vero E6 cells (EC 50 = 1.65 μM) due to their low capacity to metabolize RDV. To rapidly evaluate in vivo efficacy, we engineered a chimeric SARS-CoV encoding the viral target of RDV, the RNA-dependent RNA polymerase, of SARS-CoV-2. In mice infected with chimeric virus, therapeutic RDV administration diminished lung viral load and improved pulmonary function as compared to vehicle treated animals. These data provide evidence that RDV is potently active against SARS-CoV-2 in vitro and in vivo , supporting its further clinical testing for treatment of COVID-19.

COVID-19 survivors develop post-acute sequelae of SARS-CoV-2 (PASC), but the mechanistic basis of PASC-associated lung abnormalities suffers from a lack of longitudinal samples. Mouse-adapted SARS-CoV-2 MA10 produces an acute respiratory distress syndrome (ARDS) in mice similar to humans. To investigate PASC pathogenesis, studies of MA10-infected mice were extended from acute disease through clinical recovery. At 15-120 days post-virus clearance, histologic evaluation identified subpleural lesions containing collagen, proliferative fibroblasts, and chronic inflammation with tertiary lymphoid structures. Longitudinal spatial transcriptional profiling identified global reparative and fibrotic pathways dysregulated in diseased regions, similar to human COVID-19. Populations of alveolar intermediate cells, coupled with focal upregulation of pro-fibrotic markers, were identified in persistently diseased regions. Early intervention with antiviral EIDD-2801 reduced chronic disease, and early anti-fibrotic agent (nintedanib) intervention modified early disease severity. This murine model provides opportunities to identify pathways associated with persistent SARS-CoV-2 pulmonary disease and test countermeasures to ameliorate PASC.