The worldwide outbreak of COVID-19 caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has become a global pandemic. Alongside vaccines, antiviral therapeutics are an important part of the healthcare response to countering the ongoing threat presented by COVID-19. Here, we report the discovery and characterization of PF-07321332, an orally bioavailable SARS-CoV-2 main protease inhibitor with in vitro pan-human coronavirus antiviral activity and excellent off-target selectivity and in vivo safety profiles. PF-07321332 has demonstrated oral activity in a mouse-adapted SARS-CoV-2 model and has achieved oral plasma concentrations exceeding the in vitro antiviral cell potency in a phase 1 clinical trial in healthy human participants.

A new coronavirus SARS-CoV-2, also called novel coronavirus 2019 (2019-nCoV), started to circulate among humans around December 2019, and it is now widespread as a global pandemic. The disease caused by SARS-CoV-2 virus is called COVID-19, which is highly contagious and has an overall mortality rate of 6.35% as of May 26, 2020. There is no vaccine or antiviral available for SARS-CoV-2. In this study, we report our discovery of inhibitors targeting the SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Using the FRET-based enzymatic assay, several inhibitors including boceprevir, GC-376, and calpain inhibitors II, and XII were identified to have potent activity with single-digit to submicromolar IC50 values in the enzymatic assay. The mechanism of action of the hits was further characterized using enzyme kinetic studies, thermal shift binding assays, and native mass spectrometry. Significantly, four compounds (boceprevir, GC-376, calpain inhibitors II and XII) inhibit SARS-CoV-2 viral replication in cell culture with EC50 values ranging from 0.49 to 3.37 µM. Notably, boceprevir, calpain inhibitors II and XII represent novel chemotypes that are distinct from known substrate-based peptidomimetic Mpro inhibitors. A complex crystal structure of SARS-CoV-2 Mpro with GC-376, determined at 2.15 Å resolution with three protomers per asymmetric unit, revealed two unique binding configurations, shedding light on the molecular interactions and protein conformational flexibility underlying substrate and inhibitor binding by Mpro. Overall, the compounds identified herein provide promising starting points for the further development of SARS-CoV-2 therapeutics.

The main protease (Mpro) of SARS-CoV-2 is a key antiviral drug target. While most Mpro inhibitors have a γ-lactam glutamine surrogate at the P1 position, we recently found that several Mpro inhibitors have hydrophobic moieties at the P1 site, including calpain inhibitors II and XII, which are also active against human cathepsin L, a host protease that is important for viral entry. In this study, we solved x-ray crystal structures of Mpro in complex with calpain inhibitors II and XII and three analogs of GC-376 The structure of Mpro with calpain inhibitor II confirmed that the S1 pocket can accommodate a hydrophobic methionine side chain, challenging the idea that a hydrophilic residue is necessary at this position. The structure of calpain inhibitor XII revealed an unexpected, inverted binding pose. Together, the biochemical, computational, structural, and cellular data presented herein provide new directions for the development of dual inhibitors as SARS-CoV-2 antivirals.

A novel coronavirus SARS-CoV-2, also called novel coronavirus 2019 (nCoV-19), started to circulate among humans around December 2019, and it is now widespread as a global pandemic. The disease caused by SARS-CoV-2 virus is called COVID-19, which is highly contagious and has an overall mortality rate of 6.96% as of May 4, 2020. There is no vaccine or antiviral available for SARS-CoV-2. In this study, we report our discovery of inhibitors targeting the SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Using the FRET-based enzymatic assay, several inhibitors including boceprevir, GC-376, and calpain inhibitors II, and XII were identified to have potent activity with single-digit to submicromolar IC50 values in the enzymatic assay. The mechanism of action of the hits was further characterized using enzyme kinetic studies, thermal shift binding assays, and native mass spectrometry. Significantly, four compounds (boceprevir, GC-376, calpain inhibitors II and XII) inhibit SARS-CoV-2 viral replication in cell culture with EC50 values ranging from 0.49 to 3.37 μM. Notably, boceprevir, calpain inhibitors II and XII represent novel chemotypes that are distinct from known Mpro inhibitors. A complex crystal structure of SARS-CoV-2 Mpro with GC-376, determined at 2.15 Å resolution with three monomers per asymmetric unit, revealed two unique binding configurations, shedding light on the molecular interactions and protein conformational flexibility underlying substrate and inhibitor binding by Mpro. Overall, the compounds identified herein provide promising starting points for the further development of SARS-CoV-2 therapeutics.

SARS-CoV-2 is a newly identified virus that has resulted in over 1.3 M deaths globally and over 59 M cases globally to date. Small molecule inhibitors that reverse disease severity have proven difficult to discover. One of the key approaches that has been widely applied in an effort to speed up the translation of drugs is drug repurposing. A few drugs have shown in vitro activity against Ebola virus and demonstrated activity against SARS-CoV-2 in vivo . Most notably the RNA polymerase targeting remdesivir demonstrated activity in vitro and efficacy in the early stage of the disease in humans. Testing other small molecule drugs that are active against Ebola virus would seem a reasonable strategy to evaluate their potential for SARS-CoV-2. We have previously repurposed pyronaridine, tilorone and quinacrine (from malaria, influenza, and antiprotozoal uses, respectively) as inhibitors of Ebola and Marburg virus in vitro in HeLa cells and of mouse adapted Ebola virus in mouse in vivo . We have now tested these three drugs in various cell lines (VeroE6, Vero76, Caco-2, Calu-3, A549-ACE2, HUH-7 and monocytes) infected with SARS-CoV-2 as well as other viruses (including MHV and HCoV 229E). The compilation of these results indicated considerable variability in antiviral activity observed across cell lines. We found that tilorone and pyronaridine inhibited the virus replication in A549-ACE2 cells with IC 50 values of 180 nM and IC 50 198 nM, respectively. We have also tested them in a pseudovirus assay and used microscale thermophoresis to test the binding of these molecules to the spike protein. They bind to spike RBD protein with K d values of 339 nM and 647 nM, respectively. Human C max for pyronaridine and quinacrine is greater than the IC 50 hence justifying in vivo evaluation. We also provide novel insights into their mechanism which is likely lysosomotropic.

ABSTRACT The coronavirus main protease, M pro , is a key protein in the virus life cycle and a major drug target. Based on crystal structures of SARSCoV2 M pro complexed with peptidomimetic inhibitors, we recognized a binding characteristic shared with proline-containing inhibitors of hepatitis C virus protease. Initial tests showed that this subclass of HCV protease inhibitors indeed exhibited activity against M pro . Postulating a benefit for a preorganized backbone conformation, we designed new ketoamide-based M pro inhibitors based on central proline rings. One of the designed compounds, ML1000, inhibits M pro with low-nanomolar affinity and suppresses SARSCoV2 viral replication in human cells at sub-micromolar concentrations. Our findings identify ML1000 as a promising new pre-organized scaffold for the development of anti-coronavirus drugs.

Abstract The main protease (M pro ) of SARS-CoV-2, the pathogen responsible for the COVID-19 pandemic, is a key antiviral drug target. While most SARS-CoV-2 M pro inhibitors have a γ-lactam glutamine surrogate at the P1 position, we recently discovered several M pro inhibitors have hydrophobic moieties at the P1 site, including calpain inhibitors II/XII, which are also active against human cathepsin L, a host-protease that is important for viral entry. To determine the binding mode of these calpain inhibitors and establish a structure-activity relationship, we solved X-ray crystal structures of M pro in complex with calpain inhibitors II and XII, and three analogues of GC-376 , one of the most potent M pro inhibitors in vitro . The structure of M pro with calpain inhibitor II confirmed the S1 pocket of M pro can accommodate a hydrophobic methionine side chain, challenging the idea that a hydrophilic residue is necessary at this position. Interestingly, the structure of calpain inhibitor XII revealed an unexpected, inverted binding pose where the P1’ pyridine inserts in the S1 pocket and the P1 norvaline is positioned in the S1’ pocket. The overall conformation is semi-helical, wrapping around the catalytic core, in contrast to the extended conformation of other peptidomimetic inhibitors. Additionally, the structures of three GC-376 analogues UAWJ246 , UAWJ247 , and UAWJ248 provide insight to the sidechain preference of the S1’, S2, S3 and S4 pockets, and the superior cell-based activity of the aldehyde warhead compared with the α-ketoamide. Taken together, the biochemical, computational, structural, and cellular data presented herein provide new directions for the development of M pro inhibitors as SARS-CoV-2 antivirals.

ABSTRACT K777 is a di-peptide analog that contains an electrophilic vinyl-sulfone moiety and is a potent, covalent inactivator of cathepsins. Vero E6, HeLa/ACE2, Caco-2, A549/ACE2, and Calu-3, cells were exposed to SARS-CoV-2, and then treated with K777. K777 reduced viral infectivity with EC 50 values of inhibition of viral infection of: 74 nM for Vero E6, <80 nM for A549/ACE2, and 4 nM for HeLa/ACE2 cells. In contrast, Calu-3 and Caco-2 cells had EC 50 values in the low micromolar range. No toxicity of K777 was observed for any of the host cells at 10-100 μM inhibitor. K777 did not inhibit activity of the papain-like cysteine protease and 3CL cysteine protease, encoded by SARS-CoV-2 at concentrations of ≤ 100 μM. These results suggested that K777 exerts its potent anti-viral activity by inactivation of mammalian cysteine proteases which are essential to viral infectivity. Using a propargyl derivative of K777 as an activity-based probe, K777 selectively targeted cathepsin B and cathepsin L in Vero E6 cells. However only cathepsin L cleaved the SARS-CoV-2 spike protein and K777 blocked this proteolysis. The site of spike protein cleavage by cathepsin L was in the S1 domain of SARS-CoV-2, differing from the cleavage site observed in the SARS CoV-1 spike protein. These data support the hypothesis that the antiviral activity of K777 is mediated through inhibition of the activity of host cathepsin L and subsequent loss of viral spike protein processing. SIGNIFICANCE The virus causing COVID-19 is highly infectious and has resulted in a global pandemic. We confirm that a cysteine protease inhibitor, approved by the FDA as a clinical-stage compound, inhibits SARS-CoV-2 infection of several human and monkey cell lines with notable(nanomolar) efficacy. The mechanism of action of this inhibitor is identified as a specific inhibition of host cell cathepsin L. This in turn inhibits host cell processing of the coronaviral spike protein, a step required for cell entry. Neither of the coronaviral proteases are inhibited, and the cleavage site of spike protein processing is different from that reported in other coronaviruses. Hypotheses to explain the differential activity of the inhibitor with different cell types are discussed.

Abstract As the COVID-19 pandemic continues to fold out, the morbidity and mortality are increasing daily. Effective treatment for SARS-CoV-2 is urgently needed. We recently discovered four SARS-CoV-2 main protease (M pro ) inhibitors including boceprevir, calpain inhibitors II and XII and GC-376 with potent antiviral activity against infectious SARS-CoV-2 in cell culture. Despite the weaker enzymatic inhibition of calpain inhibitors II and XII against M pro compared to GC-376, calpain inhibitors II and XII had more potent cellular antiviral activity. This observation promoted us to hypothesize that the cellular antiviral activity of calpain inhibitors II and XII might also involve the inhibition of cathepsin L in addition to M pro . To test this hypothesis, we tested calpain inhibitors II and XII in the SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization assay in Vero E6 cells and found that both compounds significantly decreased pseudoviral particle entry into cells, indicating their role in inhibiting cathepsin L. The involvement of cathepsin L was further confirmed in the drug time-of-addition experiment. In addition, we found that these four compounds not only inhibit SARS-CoV-2, but also SARS-CoV, MERS-CoV, as well as human coronaviruses (CoVs) 229E, OC43, and NL63. The mechanism of action is through targeting the viral M pro , which was supported by the thermal shift binding assay and enzymatic FRET assay. We further showed that these four compounds have additive antiviral effect when combined with remdesivir. Altogether, these results suggest that boceprevir, calpain inhibitors II and XII, and GC-376 are not only promising antiviral drug candidates against existing human coronaviruses, but also might work against future emerging CoVs.

Abstract Respiratory viral infections, especially Influenza (endemic) or SARS-CoV-2 (pandemic since 2020), cause morbidity and mortality worldwide. Despite remarkable progress in the development and deployment of vaccines, they are clearly impacted by the rapid emergence of viral variants. The development of an off-the-shelf, effective, safe, and low-cost drug for prophylaxis against respiratory viral infections is a major unmet medical need. Here, we developed NanoSTING, a liposomally encapsulated formulation of the endogenous STING agonist, 2’-3’ cGAMP, to function as an immunoantiviral. NanoSTING rapidly activates the body’s innate immune system to facilitate a broad-spectrum antiviral response against SARS-CoV-2 and influenza variants in hamsters and mice. We demonstrate that a single intranasal dose of NanoSTING can: (1) treat infections throughout the respiratory system and minimize clinical symptoms, (2) protect against highly pathogenic strains of SARS-CoV-2 (alpha and delta), (3) provide durable protection against reinfection from the same strains without the need for retreatment, (4) prevent transmission of the highly infectious SARS-CoV-2 Omicron strain, and (5) provide protection against both oseltamivir-sensitive and resistant strains of influenza. Mechanistically, administration of NanoSTING rapidly upregulated interferon-stimulated and antiviral pathways in both the nasal turbinates and lung. Our results support using NanoSTING as a thermostable, immunoantiviral with broad-spectrum antiviral properties making it appealing as a therapeutic for prophylactic or early post-exposure treatment.