The rapid repurposing of antivirals is particularly pressing during pandemics. However, rapid assays for assessing candidate drugs typically involve in vitro screens and cell lines that do not recapitulate human physiology at the tissue and organ levels. Here we show that a microfluidic bronchial-airway-on-a-chip lined by highly differentiated human bronchial-airway epithelium and pulmonary endothelium can model viral infection, strain-dependent virulence, cytokine production and the recruitment of circulating immune cells. In airway chips infected with influenza A, the co-administration of nafamostat with oseltamivir doubled the treatment-time window for oseltamivir. In chips infected with pseudotyped severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), clinically relevant doses of the antimalarial drug amodiaquine inhibited infection but clinical doses of hydroxychloroquine and other antiviral drugs that inhibit the entry of pseudotyped SARS-CoV-2 in cell lines under static conditions did not. We also show that amodiaquine showed substantial prophylactic and therapeutic activities in hamsters challenged with native SARS-CoV-2. The human airway-on-a-chip may accelerate the identification of therapeutics and prophylactics with repurposing potential. A microfluidic bronchial-airway-on-a-chip lined by human bronchial-airway epithelium and pulmonary endothelium can be used to rapidly identify antiviral therapeutics and prophylactics with repurposing potential.

The rising threat of pandemic viruses, such as SARS-CoV-2, requires development of new preclinical discovery platforms that can more rapidly identify therapeutics that are active in vitro and also translate in vivo . Here we show that human organ-on-a-chip (Organ Chip) microfluidic culture devices lined by highly differentiated human primary lung airway epithelium and endothelium can be used to model virus entry, replication, strain-dependent virulence, host cytokine production, and recruitment of circulating immune cells in response to infection by respiratory viruses with great pandemic potential. We provide a first demonstration of drug repurposing by using oseltamivir in influenza A virus-infected organ chip cultures and show that co-administration of the approved anticoagulant drug, nafamostat, can double oseltamivir’s therapeutic time window. With the emergence of the COVID-19 pandemic, the Airway Chips were used to assess the inhibitory activities of approved drugs that showed inhibition in traditional cell culture assays only to find that most failed when tested in the Organ Chip platform. When administered in human Airway Chips under flow at a clinically relevant dose, one drug – amodiaquine - significantly inhibited infection by a pseudotyped SARS-CoV-2 virus. Proof of concept was provided by showing that amodiaquine and its active metabolite (desethylamodiaquine) also significantly reduce viral load in both direct infection and animal-to-animal transmission models of native SARS-CoV-2 infection in hamsters. These data highlight the value of Organ Chip technology as a more stringent and physiologically relevant platform for drug repurposing, and suggest that amodiaquine should be considered for future clinical testing.

SUMMARY SARS-CoV-2 has been found capable of inducing prolonged pathologies collectively referred to as Long-COVID. To better understand this biology, we compared the short- and long-term systemic responses in the golden hamster following either SARS-CoV-2 or influenza A virus (IAV) infection. While SARS-CoV-2 exceeded IAV in its capacity to cause injury to the lung and kidney, the most significant changes were observed in the olfactory bulb (OB) and olfactory epithelium (OE) where inflammation was visible beyond one month post SARS-CoV-2 infection. Despite a lack of detectable virus, OB/OE demonstrated microglial and T cell activation, proinflammatory cytokine production, and interferon responses that correlated with behavioral changes. These findings could be corroborated through sequencing of individuals who recovered from COVID-19, as sustained inflammation in OB/OE tissue remained evident months beyond disease resolution. These data highlight a molecular mechanism for persistent COVID-19 symptomology and characterize a small animal model to develop future therapeutics.

ABSTRACT Lymph nodes are the primary site of replication for measles virus (MeV). Here, we modeled MeV infection in human tonsil explants, utilizing a clinical strain of MeV that expresses GFP. We show that MeV replicates efficiently in this tissue as measured by increasing infectious virus production and GFP + cells (>10% of tonsillar cells by day 8). Using scRNA-Seq, we identified 29 cell populations, all of which were susceptible to MeV. While T cells were the most abundant cell type in the lymphoid explants, B cells were the dominant infected population. Flow cytometry analysis revealed that the preferential infection of B cells was associated with higher CD150 expression. We found that while germinal center B cells were the largest population of infected B cells, there were no differences in susceptibility to MeV among individual B cell subsets. Among CD3 + T cells, infection in both the CD4 + and CD8 + compartments displayed bias towards antigen experienced subsets and away from naive cells, consistent with relative CD150 expression. Differential gene expression analysis revealed that the host response to MeV was dominated by the potent induction of interferon stimulated genes within both T and B cells. These data provide new insights into how MeV infection progresses in lymph nodes, a critical launching point for pathogenesis. Author Summary Measles virus (MeV) is a re-emerging pathogen that has dramatic disease outcomes in children. Immunological amnesia is a dangerous disease outcome that is caused by MeV infection of lymphocytes. Here, we infect human tonsil explants with a GFP-expressing clinical isolate of MeV to assess the immunological events that occur during infection of this critical site. Using single-cell RNA sequencing, we identified 29 distinct populations of tonsillar cells that are susceptible to MeV infection. Further immunophenotyping revealed a preferential infection of B cell lineages compared to T cell lineages, and that among T cells, memory cells are preferential targets of infection compared to naïve counterparts. Taken together, our data thoroughly characterize the infectious and immunological events that shape disease progression in lymph nodes and identify cellular susceptibilities to MeV infection which may be critical in the development of antivirals for MeV. CONFLICTS OF INTEREST The authors have declared that no conflict of interest exists.