We present an initial study on applying genetic algorithms (GA) to retrieve human skin optical properties using visual reflectance spectroscopy (VRS). A three-layered skin model consisting of 13 parameters is first used to simulate skin and, through an analytical model based on optical diffusion theory, we study their independent effects on the reflectance spectra. Based on a preliminary analysis, nine skin parameters are chosen to be fitted by GA. The fitting procedure is applied first on simulated reflectance spectra with added white noise, and then on measured spectra from normal and port wine stain (PWS) human skin. A normalized residue of less than 0.005 is achieved for simulated spectra. In the case of measured spectra from human skin, the normalized residue is less than 0.01. Comparisons between applying GA and manual iteration (MI) fitting show that GA performed much better than the MI fitting method and can easily distinguish melanin concentrations for different skin types. Furthermore, the GA approach can lead to a reasonable understanding of the blood volume fraction and other skin properties, provided that the applicability of the diffusion approximation is satisfied.

Both diffusion approximation (DA) and Monte Carlo (MC) models have been used to simulate light distribution in multilayered human skin with or without discrete blood vessels. However, no detailed comparison of the light distribution, heat generation and induced thermal damage between these two models has been done for discrete vessels. Three models were constructed: (1) MC-based finite element method (FEM) model, referred to as MC-FEM; (2) DA-based FEM with simple scaling factors according to chromophore concentrations (SFCC) in the epidermis and vessels, referred to as DA-FEM-SFCC; and (3) DA-FEM with improved scaling factors (ISF) obtained by equalizing the total light energy depositions that are solved from the DA and MC models in the epidermis and vessels, respectively, referred to as DA-FEM-ISF. The results show that DA-FEM-SFCC underestimates the light energy deposition in the epidermis and vessels when compared to MC-FEM. The difference is nonlinearly dependent on wavelength, dermal blood volume fraction, vessel size and depth, etc. Thus, the temperature and damage profiles are also dramatically different. DA-FEM-ISF achieves much better results in calculating heat generation and induced thermal damage when compared to MC-FEM, and has the advantages of both calculation speed and accuracy. The disadvantage is that a multidimensional ISF table is needed for DA-FEM-ISF to be a practical modelling tool.

The diffuse reflectance spectrum of human skin in the visible region (400-800 nm) contains information on the concentrations of chromophores such as melanin and haemoglobin. This information may be extracted by fitting the reflectance spectrum with an optical diffusion based analytical expression applied to a layered skin model. With the use of the analytical expression, it is assumed that light transport is dominated by scattering. For port wine stain (PWS) and highly pigmented human skin, however, this assumption may not be valid resulting in a potentially large error in visual reflectance spectroscopy (VRS). Monte Carlo based techniques can overcome this problem but are currently too computationally intensive to be combined with previously used fitting procedures. The fitting procedure presented herein is based on a library search which enables the use of accurate reflectance spectra based on forward Monte Carlo simulations or diffusion theory. This allows for accurate VRS to characterize chromophore concentrations in PWS and highly pigmented human skin. The method is demonstrated using both simulated and measured reflectance spectra. An additional advantage of the method is that the fitting procedure is very fast.

ABSTRACT SARS-CoV-2 is the causative agent for the COVID-19 pandemic and there is an urgent need to understand the cellular response to SARS-CoV-2 infection. Beclin-1 is an essential scaffold autophagy protein that forms two distinct subcomplexes with modulators Atg14 and UVRAG, responsible for autophagosome formation and maturation, respectively. In the present study, we found that SARS-CoV-2 infection triggers an incomplete autophagy response, elevated autophagosome formation but impaired autophagosome maturation, and declined autophagy by genetic knockout of essential autophagic genes reduces SARS-CoV-2 replication efficiency. By screening 28 viral proteins of SARS-CoV-2, we demonstrated that expression of ORF3a alone is sufficient to induce incomplete autophagy. Mechanistically, SARS-CoV-2 ORF3a interacts with autophagy regulator UVRAG to facilitate Beclin-1-Vps34-Atg14 complex but selectively inhibit Beclin-1-Vps34-UVRAG complex. Interestingly, although SARS-CoV ORF3a shares 72.7% amino acid identity with the SARS-CoV-2 ORF3a, the former had no effect on cellular autophagy response. Thus, our findings provide the mechanistic evidence of possible takeover of host autophagy machinery by ORF3a to facilitate SARS-CoV-2 replication and raises the possibility of targeting the autophagic pathway for the treatment of COVID-19.

BACKGROUND Despite widespread clinical use of cryogen spray cooling (CSC) in conjunction with laser dermatologic surgery, in vivo cutaneous effects have not been systematically evaluated. OBJECTIVE The authors characterize the in vivo cutaneous effects for Fitzpatrick skin types I through VI after CSC exposures of varying spurt durations and spurt delivery patterns (single vs. multiple spurts). METHODS AND MATERIALS Twenty-seven normal human subjects were exposed to single cryogen spurts from 10 to 80 milliseconds, and multiple spurt patterns consisting of two 20-millisecond spurts, four 10-millisecond spurts, and eight 5-millisecond spurts. Subjects were evaluated by clinical observation and photography at 1 hour, 1 day, and 1, 4, 8, and 12 weeks after CSC exposure. RESULTS Acute erythema and urticaria (1–24 hours) were noted in 14 of 27 and 3 of 27 subjects, respectively. Transient hyperpigmentation occurred in 4 of 27 subjects (skin types III–VI) but resolved spontaneously without medical intervention in all subjects by 8 weeks. No permanent skin changes were noted in any subjects. Skin reactions were more common with longer single-spurt durations (50 milliseconds or greater) and multiple spurt patterns. CONCLUSION Acute erythema, urticaria, and, less commonly, transient hyperpigmentation were observed after CSC exposure. Permanent skin injury was not observed and is unlikely.

ABSTRACT Recently, highly transmissible SARS-CoV-2 variants B.1.617.1 (Kappa), B.1.617.2 (Delta) and B.1.618 were identified in India with mutations within the spike proteins. The spike protein of Kappa contains four mutations E154K, L452R, E484Q and P681R, and Delta contains L452R, T478K and P681R, while B.1.618 spike harbors mutations Δ145-146 and E484K. However, it remains unknown whether these variants have altered in their entry efficiency, host tropism, and sensitivity to neutralizing antibodies as well as entry inhibitors. In this study, we found that Kappa, Delta or B.1.618 spike uses human ACE2 with no or slightly increased efficiency, while gains a significantly increased binding affinity with mouse, marmoset and koala ACE2 orthologs, which exhibits limited binding with WT spike. Furthermore, the P618R mutation leads to enhanced spike cleavage, which could facilitate viral entry. In addition, Kappa, Delta and B.1.618 exhibits a reduced sensitivity to neutralization by convalescent sera owning to the mutation of E484Q, T478K, Δ145-146 or E484K, but remains sensitive to entry inhibitors-ACE2-lg decoy receptor. Collectively, our study revealed that enhanced human and mouse ACE2 receptor engagement, increased spike cleavage and reduced sensitivity to neutralization antibodies of Kappa, Delta and B.1.618 may contribute to the rapid spread of these variants and expanded host range. Furthermore, our result also highlighted that ACE2-lg could be developed as broad-spectrum antiviral strategy against SARS-CoV-2 variants.

Abstract The SARS-CoV-2 infection is spreading rapidly worldwide. Efficacious antiviral therapeutics against SARS-CoV-2 is urgently needed. Here, we discovered that protoporphyrin IX (PpIX) and verteporfin, two FDA-approved drugs, completely inhibited the cytopathic effect produced by SARS-CoV-2 infection at 1.25 μM and 0.31 μM respectively, and their EC50 values of reduction of viral RNA were at nanomolar concentrations. The selectivity indices of PpIX and verteporfin were 952.74 and 368.93, respectively, suggesting broad margin of safety. Importantly, PpIX and verteporfin prevented SARS-CoV-2 infection in mice adenovirally transduced with human ACE2. The compounds, sharing a porphyrin ring structure, were shown to bind viral receptor ACE2 and interfere with the interaction between ACE2 and the receptor-binding domain of viral S protein. Our study suggests that PpIX and verteporfin are potent antiviral agents against SARS-CoV-2 infection and sheds new light on developing novel chemoprophylaxis and chemotherapy against SARS-CoV-2.

Abstract COVID-19 patients transmitted SARS-CoV-2 to minks in the Netherlands in April 2020. Subsequently, the mink-associated virus (miSARS-CoV-2) spilled back over into humans. Genetic sequences of the miSARS-CoV-2 identified a new genetic variant known as “Cluster 5” that contained mutations in the spike protein. However, the functional properties of these “Cluster 5” mutations have not been well established. In this study, we found that the Y453F mutation located in the RBD domain of miSARS-CoV-2 is an adaptive mutation that enhances binding to mink ACE2 and other orthologs of Mustela species without compromising, and even enhancing, its ability to utilize human ACE2 as a receptor for entry. Structural analysis suggested that despite the similarity in the overall binding mode of SARS-CoV-2 RBD to human and mink ACE2, Y34 of mink ACE2 was better suited to interact with a Phe rather than a Tyr at position 453 of the viral RBD due to less steric clash and tighter hydrophobic-driven interaction. Additionally, the Y453F spike exhibited resistance to convalescent serum, posing a risk for vaccine development. Thus, our study suggests that since the initial transmission from humans, SARS-CoV-2 evolved to adapt to the mink host, leading to widespread circulation among minks while still retaining its ability to efficiently utilize human ACE2 for entry, thus allowing for transmission of the miSARS-CoV-2 back into humans. These findings underscore the importance of active surveillance of SARS-CoV-2 evolution in Mustela species and other susceptible hosts in order to prevent future outbreaks.

Abstract Background and Objective Although cryogen spray cooling (CSC) is used to minimize the risk of epidermal damage during laser dermatologic surgery, concern has been expressed that CSC may induce cryo‐injury. The objective of this study is to measure temperature variations at the epidermal–dermal junction in ex vivo human skin during three clinically relevant multiple cryogen spurt—laser pulse sequences (MCS‐LPS). Study Design/Materials and Methods The epidermis of ex vivo human skin was separated from the dermis and a thin‐foil thermocouple (13 µm thickness) was inserted between the two layers. Thermocouple depth and epidermal thickness were measured using optical coherence tomography (OCT). Skin specimens were preheated to 30°C before the MCS‐LPS were initiated. Three MCS‐LPS patterns, with total cryogen spray times of 38, 30, and 25 milliseconds respectively, were applied to the specimens in combination with laser fluences of 10 and 14 J/cm 2 , while the thermocouple recorded the temperature changes at the epidermal–dermal junction. Results The thermocouple effectively recorded fast temperature changes during three MCS‐LPS patterns. The lowest temperatures measured corresponded to the sequences with longer pre‐cooling cryogen spurts. No sub‐zero temperatures were measured for any of the MCS‐LPS patterns under study. Conclusions The three clinically relevant MCS‐LPS patterns evaluated in this study do not cause sub‐zero temperatures in ex vivo human skin at the epidermal–dermal junction and, therefore, are unlikely to cause significant cryogen induced epidermal injury. Lasers Surg. Med. 38:137–141, 2006. © 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract The SARS-CoV-2 virus is the causal agent of the ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19). There is an urgent need for potent, specific antiviral compounds against SARS-CoV-2. The 3C-like protease (3CLpro) is an essential enzyme for the replication of SARS-CoV-2 and other coronaviruses, and thus is a target for coronavirus drug discovery. Nearly all inhibitors of coronavirus 3CLpro reported so far are covalent inhibitors. Here, we report the development of specific, non-covalent inhibitors of 3CLpro. The most potent one, WU-04, effectively blocks SARS-CoV-2 replications in human cells with EC 50 values in the 10-nM range. WU-04 also inhibits the 3CLpro of SARS-CoV and MERS-CoV with high potency, indicating that it is a pan-inhibitor of coronavirus 3CLpro. WU-04 showed anti-SARS-CoV-2 activity similar to that of PF-07321332 (Nirmatrelvir) in K18-hACE2 mice when the same dose was administered orally. Thus, WU-04 is a promising drug candidate for coronavirus treatment. One-Sentence Summary A oral non-covalent inhibitor of 3C-like protease effectively inhibits SARS-CoV-2 replication.