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.

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.

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.

Improving the standard of clinical care for individuals infected with SARS-CoV-2 variants is a global health priority. Small molecule antivirals like remdesivir (RDV) and biologics such as human monoclonal antibodies (mAb) have demonstrated therapeutic efficacy against SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. However, it is not known if combination RDV/mAb will improve outcomes over single agent therapies or whether antibody therapies will remain efficacious against variants. In kinetic studies in a mouse-adapted model of ancestral SARS-CoV-2 pathogenesis, we show that a combination of two mAbs in clinical trials, C144 and C135, have potent antiviral effects against even when initiated 48 hours after infection. The same antibody combination was also effective in prevention and therapy against the B.1.351 variant of concern (VOC). Combining RDV and antibodies provided a modest improvement in outcomes compared to single agents. These data support the continued use of RDV to treat SARS-CoV-2 infections and support the continued clinical development of the C144 and C135 antibody combination to treat patients infected with SARS-CoV-2 variants.

Two group 2B β-coronaviruses (sarbecoviruses) have caused regional and global epidemics in modern history. The mechanisms of cross protection driven by the sarbecovirus spike, a dominant immunogen, are less clear yet critically important for pan-sarbecovirus vaccine development. We evaluated the mechanisms of cross-sarbecovirus protective immunity using a panel of alphavirus-vectored vaccines covering bat to human strains. While vaccination did not prevent virus replication, it protected against lethal heterologous disease outcomes in both SARS-CoV-2 and clade 2 bat sarbecovirus HKU3-SRBD challenge models. The spike vaccines tested primarily elicited a highly S1-specific homologous neutralizing antibody response with no detectable cross-virus neutralization. We found non-neutralizing antibody functions that mediated cross protection in wild-type mice were mechanistically linked to FcgR4 and spike S2-binding antibodies. Protection was lost in FcR knockout mice, further supporting a model for non-neutralizing, protective antibodies. These data highlight the importance of FcR-mediated cross-protective immune responses in universal pan-sarbecovirus vaccine designs.

Infectious diseases have shaped the human population genetic structure, and genetic variation influences the susceptibility to many viral diseases. However, a variety of challenges have made the implementation of traditional human Genome-wide Association Studies (GWAS) approaches to study these infectious outcomes challenging. In contrast, mouse models of infectious diseases provide an experimental control and precision, which facilitates analyses and mechanistic studies of the role of genetic variation on infection. Here we use a genetic mapping cross between two distinct Collaborative Cross mouse strains with respect to SARS-CoV disease outcomes. We find several loci control differential disease outcome for a variety of traits in the context of SARS-CoV infection. Importantly, we identify a locus on mouse Chromosome 9 that shows conserved synteny with a human GWAS locus for SARS-CoV-2 severe disease. We follow-up and confirm a role for this locus, and identify two candidate genes, CCR9 and CXCR6 that both play a key role in regulating the severity of SARS-CoV, SARS-CoV-2 and a distantly related bat sarbecovirus disease outcomes. As such we provide a template for using experimental mouse crosses to identify and characterize multitrait loci that regulate pathogenic infectious outcomes across species.

We have developed a novel class of peptidomimetic inhibitors targeting several host cell human serine proteases including transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2), matriptase and hepsin. TMPRSS2 is a membrane associated protease which is highly expressed in the upper and lower respiratory tract and is utilized by SARS-CoV-2 and other viruses to proteolytically process their glycoproteins, enabling host cell receptor binding, entry, replication, and dissemination of new virion particles. We have previously shown that compound MM3122 exhibited sub nanomolar potency against all three proteases and displayed potent antiviral effects against SARS-CoV-2 in a cell-viability assay. Herein, we demonstrate that MM3122 potently inhibits viral replication in human lung epithelial cells and is also effective against the EG.5.1 variant of SARS-CoV-2. Further, we have evaluated MM3122 in a mouse model of COVID-19 and have demonstrated that MM3122 administered intraperitoneally (IP) before (prophylactic) or after (therapeutic) SARS-CoV-2 infection had significant protective effects against weight loss and lung congestion, and reduced pathology. Amelioration of COVID-19 disease was associated with a reduction in pro-inflammatory cytokines and chemokines production after SARS-CoV-2 infection. Prophylactic, but not therapeutic, administration of MM3122 also reduced virus titers in the lungs of SARS-CoV-2 infected mice. Therefore, MM3122 is a promising lead candidate small molecule drug for the treatment and prevention of infections caused by SARS-CoV-2 and other coronaviruses.SARS-CoV-2 and other emerging RNA coronaviruses are a present and future threat in causing widespread endemic and pandemic infection and disease. In this paper, we have shown that the novel host-cell protease inhibitor, MM3122, blocks SARS-CoV-2 viral replication and is efficacious as both a prophylactic and therapeutic drug for the treatment of COVID-19 in mice. Targeting host proteins and pathways in antiviral therapy is an underexplored area of research but this approach promises to avoid drug resistance by the virus, which is common in current antiviral treatments.

Abstract Coronaviruses are prone to emergence into new host species most recently evidenced by SARS-CoV-2, the causative agent of the COVID-19 pandemic. Small animal models that recapitulate SARS-CoV-2 disease are desperately needed to rapidly evaluate medical countermeasures (MCMs). SARS-CoV-2 cannot infect wildtype laboratory mice due to inefficient interactions between the viral spike (S) protein and the murine ortholog of the human receptor, ACE2. We used reverse genetics to remodel the S and mACE2 binding interface resulting in a recombinant virus (SARS-CoV-2 MA) that could utilize mACE2 for entry. SARS-CoV-2 MA replicated in both the upper and lower airways of both young adult and aged BALB/c mice. Importantly, disease was more severe in aged mice, and showed more clinically relevant phenotypes than those seen in hACE2 transgenic mice. We then demonstrated the utility of this model through vaccine challenge studies in immune competent mice with native expression of mACE2. Lastly, we show that clinical candidate interferon (IFN) lambda-1a can potently inhibit SARS-CoV-2 replication in primary human airway epithelial cells in vitro , and both prophylactic and therapeutic administration diminished replication in mice. Our mouse-adapted SARS-CoV-2 model demonstrates age-related disease pathogenesis and supports the clinical use of IFN lambda-1a treatment in human COVID-19 infections.