In response to the current global health emergency posed by the Zika virus (ZIKV) outbreak and its link to microcephaly and other neurological conditions, we performed a drug repurposing screen of ∼6,000 compounds that included approved drugs, clinical trial drug candidates and pharmacologically active compounds; we identified compounds that either inhibit ZIKV infection or suppress infection-induced caspase-3 activity in different neural cells. A pan-caspase inhibitor, emricasan, inhibited ZIKV-induced increases in caspase-3 activity and protected human cortical neural progenitors in both monolayer and three-dimensional organoid cultures. Ten structurally unrelated inhibitors of cyclin-dependent kinases inhibited ZIKV replication. Niclosamide, a category B anthelmintic drug approved by the US Food and Drug Administration, also inhibited ZIKV replication. Finally, combination treatments using one compound from each category (neuroprotective and antiviral) further increased protection of human neural progenitors and astrocytes from ZIKV-induced cell death. Our results demonstrate the efficacy of this screening strategy and identify lead compounds for anti-ZIKV drug development.

SARS-CoV-02 is a new type of coronavirus capable of rapid transmission and causing severe clinical symptoms; much of which has unknown biological etiology. It has prompted researchers to rapidly mobilize their efforts towards identifying and developing anti-viral therapeutics and vaccines. Discovering and understanding the virus' pathways of infection, host-protein interactions, and cytopathic effects will greatly aid in the design of new therapeutics to treat COVID-19. While it is known that chloroquine and hydroxychloroquine, extensively explored as clinical agents for COVID-19, have multiple cellular effects including inhibiting autophagy, there are also dose-limiting toxicities in patients that make clearly establishing their potential mechanisms-of-action problematic. Therefore, we evaluated a range of other autophagy modulators to identify an alternative autophagy-based drug repurposing opportunity. In this work, we found that 6 of these compounds blocked the cytopathic effect of SARS-CoV-2 in Vero-E6 cells with EC

Abstract The recent global pandemic caused by the new coronavirus SARS-CoV-2 presents an urgent need for new therapeutic candidates. While the importance of traditional in silico approaches such as QSAR in such efforts in unquestionable, these models fundamentally rely on structural similarity to infer biological activity and are thus prone to becoming trapped in the very nearby chemical spaces of already known ligands. For novel and unprecedented threats such as COVID-19 much faster and efficient paradigms must be devised to accelerate the identification of new chemical classes for rapid drug development. Here we report the development of a new biological activity-based modeling (BABM) approach that builds on the hypothesis that compounds with similar activity patterns tend to share similar targets or mechanisms of action. In BABM, compound activity profiles established on massive scale across multiple assays are used as signatures to predict compound activity in a new assay or against a new target. We first trained and validated this approach by identifying new antiviral lead candidates for Zika and Ebola based on data from ~0.5 million compounds screened against ~2,000 assays. BABM models were then applied to predict ~300 compounds not previously reported to have activity for SARS-CoV-2, which were then tested in a live virus assay with high (>30%) hit rates. The most potent compounds showed antiviral activities in the nanomolar range. These potent confirmed compounds have the potential to be further developed in novel chemical space into new anti-SARS-CoV-2 therapies. These results demonstrate unprecedented ability using BABM to predict novel structures as chemical leads significantly beyond traditional methods, and its application in rapid drug discovery response in a global public health crisis.

The cell entry of SARS-CoV-2 has emerged as an attractive drug repurposing target for COVID-19. Here we combine genetics and chemical perturbation to demonstrate that ACE2-mediated entry of SARS-CoV and CoV-2 requires the cell surface heparan sulfate (HS) as an assisting cofactor: ablation of genes involved in HS biosynthesis or incubating cells with a HS mimetic both inhibit Spike-mediated viral entry. We show that heparin/HS binds to Spike directly, facilitates the attachment of viral particles to the cell surface to promote cell entry. We screened approved drugs and identified two classes of inhibitors that act via distinct mechanisms to target this entry pathway. Among the drugs characterized, Mitoxantrone is a potent HS inhibitor, while Sunitinib and BNTX disrupt the actin network to indirectly abrogate HS-assisted viral entry. We further show that drugs of the two classes can be combined to generate a synergized activity against SARS-CoV-2-induced cytopathic effect. Altogether, our study establishes HS as an attachment factor that assists SARS coronavirus cell entry, and reveals drugs capable of targeting this important step in the viral life cycle.

ABSTRACT Preclinical pharmacokinetics (PK) and in vitro ADME properties of GS-441524, a potential oral agent for the treatment of Covid-19, were studied. GS-441524 was stable in vitro in liver microsomes, cytosols, and hepatocytes of mice, rats, monkeys, dogs, and humans. The plasma free fractions of GS-441524 were 62-78% across all studied species. The in vitro transporter study results showed that GS-441524 was a substrate of MDR1, BCRP, CNT3, ENT1, and ENT2; but not a substrate of CNT1, CNT2, and ENT4. GS-441524 had a low to moderate plasma clearance (CLp), ranging from 4.1 mL/min/kg in dogs to 26 mL/min/kg in mice; the steady state volume distribution (Vd ss ) ranged from 0.9 L/kg in dogs to 2.2 L/kg in mice after IV administration. Urinary excretion appeared to be the major elimination process for GS-441524. Following oral administration, the oral bioavailability was 8.3% in monkeys, 33% in rats, 39% in mice, and 85% in dogs. The PK and ADME properties of GS-441524 support its further development as an oral drug candidate.

The Zika (ZIKV) and dengue (DENV) flaviviruses exhibit similar replicative processes but distinct clinical outcomes. A systematic understanding of virus-host protein-protein interaction networks can reveal cellular pathways critical to viral replication and disease pathogenesis. Here we employed three independent systems biology approaches toward this goal. First, protein array analysis of direct interactions between individual ZIKV/DENV viral proteins and 20,240 human proteins revealed multiple conserved cellular pathways and protein complexes, including proteasome complexes. Second, an RNAi screen of 10,415 druggable genes to identify host proteins required for ZIKV infection uncovered proteasome proteins. Third, a high-throughput screening of 6,016 bioactive compounds for ZIKV inhibitors yielded 134 effective compounds, including six proteasome inhibitors that suppress both ZIKV and DENV replication. Integrative analyses of these orthogonal datasets pinpoints proteasome as critical host machinery for ZIKV/DENV replication. Our study provides multi-omics datasets for further studies of flavivirus-host interactions, disease pathogenesis, and new drug targets.

ADCK3 is a member of the UbiB family of atypical protein kinases in humans, with homologues in archaea, bacteria, and eukaryotes. In lieu of protein kinase activity, ADCK3 plays a role in the biosynthesis of coenzyme Q10 (CoQ10), and inactivating mutations can cause a CoQ10 deficiency and ataxia. However, the exact functions of ADCK3 are still unclear, and small-molecule inhibitors could be useful as chemical probes to elucidate its molecular mechanisms. In this study, we applied structure-based virtual screening (VS) to discover a novel chemical series of ADCK3 inhibitors. Through extensive structural analysis of the active-site residues, we developed a pharmacophore model and applied it to a large-scale VS. Out of ∼170,000 compounds virtually screened, 800 top-ranking candidate compounds were selected and tested in both ADCK3 and p38 biochemical assays for hit validation. In total, 129 compounds were confirmed as ADCK3 inhibitors, and among them, 114 compounds are selective against p38, which was used as a counter-target. Molecular dynamics (MD) simulations were then conducted to predict the binding modes of the most potent compounds within the ADCK3 active site. Through metadynamics analysis, we successfully detected the key amino acid residues that govern intermolecular interactions. The findings provided in this study can serve as a promising starting point for drug development.