The mode of acquisition and causes for the variable clinical spectrum of coronavirus disease 2019 (COVID-19) remain unknown. We utilized a reverse genetics system to generate a GFP reporter virus to explore severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pathogenesis and a luciferase reporter virus to demonstrate sera collected from SARS and COVID-19 patients exhibited limited cross-CoV neutralization. High-sensitivity RNA in situ mapping revealed the highest angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) expression in the nose with decreasing expression throughout the lower respiratory tract, paralleled by a striking gradient of SARS-CoV-2 infection in proximal (high) versus distal (low) pulmonary epithelial cultures. COVID-19 autopsied lung studies identified focal disease and, congruent with culture data, SARS-CoV-2-infected ciliated and type 2 pneumocyte cells in airway and alveolar regions, respectively. These findings highlight the nasal susceptibility to SARS-CoV-2 with likely subsequent aspiration-mediated virus seeding to the lung in SARS-CoV-2 pathogenesis. These reagents provide a foundation for investigations into virus-host interactions in protective immunity, host susceptibility, and virus pathogenesis.

Current theories of CF pathogenesis predict different predisposing “local environmental” conditions and sites of bacterial infection within CF airways. Here we show that, in CF patients with established lung disease, Psuedomonas aeruginosa was located within hypoxic mucopurulent masses in airway lumens. In vitro studies revealed that CF-specific increases in epithelial O2 consumption, linked to increased airway surface liquid (ASL) volume absorption and mucus stasis, generated steep hypoxic gradients within thickened mucus on CF epithelial surfaces prior to infection. Motile P. aeruginosa deposited on CF airway surfaces penetrated into hypoxic mucus zones and responded to this environment with increased alginate production. With P. aeruginosa growth in oxygen restricted environments, local hypoxia was exacerbated and frank anaerobiosis, as detected in vivo, resulted. These studies indicate that novel therapies for CF include removal of hypoxic mucus plaques and antibiotics effective against P. aeruginosa adapted to anaerobic environments.

Cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR), the gene product that is mutated in cystic fibrosis (CF) patients, has a well-recognized function as a cyclic adenosine 3′,5′-monophosphate (cAMP)-regulated chloride channel, but this property does not account for the abnormally high basal rate and cAMP sensitivity of sodium ion absorption in CF airway epithelia. Expression of complementary DNAs for rat epithelial Na + channel (rENaC) alone in Madin Darby canine kidney (MDCK) epithelial cells generated large amiloride-sensitive sodium currents that were stimulated by cAMP, whereas coexpression of human CFTR with rENaC generated smaller basal sodium currents that were inhibited by cAMP. Parallel studies that measured regulation of sodium permeability in fibroblasts showed similar results. In CF airway epithelia, the absence of this second function of CFTR as a cAMP-dependent regulator likely accounts for abnormal sodium transport.

The spike aspartic acid-614 to glycine (D614G) substitution is prevalent in global severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) strains, but its effects on viral pathogenesis and transmissibility remain unclear. We engineered a SARS-CoV-2 variant containing this substitution. The variant exhibits more efficient infection, replication, and competitive fitness in primary human airway epithelial cells but maintains similar morphology and in vitro neutralization properties, compared with the ancestral wild-type virus. Infection of human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) transgenic mice and Syrian hamsters with both viruses resulted in similar viral titers in respiratory tissues and pulmonary disease. However, the D614G variant transmits significantly faster and displayed increased competitive fitness than the wild-type virus in hamsters. These data show that the D614G substitution enhances SARS-CoV-2 infectivity, competitive fitness, and transmission in primary human cells and animal models.

Innate defenses in the lung Microanatomy of the airway surfaceWith the advent of the capacity to fix airway surface liquid (ASL) in vivo, using the perfluorocarbon/osmium technique pioneered by Sims et al. ( 12), and the development of well-differentiated (WD) human airway epithelial cultures that exhibit mucus transport in vitro (13), it is now possible to investigate the microanatomy of mucus transport on airway surfaces at high resolution.Representative images depicting the range of morphologic techniques that can be applied to this culture system are shown in Figure 2.Analysis of photomicrographs of this preparation, combined with immunocytochemical studies, have revealed several key features of the microanatomy of the ASL compartment (13,14).The ASL consists of at least two layers, a mucus layer and a periciliary liquid layer (PCL; Figure 2).The mucus layer consists of high-molecular weight, heavily glycosylated macromolecules, products of at least two distinct genes (MUC5AC and MUC5B), that behave as a tangled network of polymers Mucus clearance as a primary innate defense mechanism for mammalian airways

Cystic fibrosis results from defects in the gene encoding a cyclic adenosine monophosphate-dependent chloride ion channel known as the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). To create an animal model for cystic fibrosis, mice were generated from embryonic stem cells in which the CFTR gene was disrupted by gene targeting. Mice homozygous for the disrupted gene display many features common to young human cystic fibrosis patients, including failure to thrive, meconium ileus, alteration of mucous and serous glands, and obstruction of glandlike structures with inspissated eosinophilic material. Death resulting from intestinal obstruction usually occurs before 40 days of age.

Current theories of CF pathogenesis predict different predisposing “local environmental” conditions and sites of bacterial infection within CF airways. Here we show that, in CF patients with established lung disease, Psuedomonas aeruginosa was located within hypoxic mucopurulent masses in airway lumens. In vitro studies revealed that CF-specific increases in epithelial O2 consumption, linked to increased airway surface liquid (ASL) volume absorption and mucus stasis, generated steep hypoxic gradients within thickened mucus on CF epithelial surfaces prior to infection. Motile P. aeruginosa deposited on CF airway surfaces penetrated into hypoxic mucus zones and responded to this environment with increased alginate production. With P. aeruginosa growth in oxygen restricted environments, local hypoxia was exacerbated and frank anaerobiosis, as detected in vivo, resulted. These studies indicate that novel therapies for CF include removal of hypoxic mucus plaques and antibiotics effective against P. aeruginosa adapted to anaerobic environments.

To determine the efficacy of potential cystic fibrosis (CF) therapies we have developed a novel mucociliary transit (MCT) measurement that uses synchrotron phase contrast X-ray imaging (PCXI) to non-invasively measure the transit rate of individual micron-sized particles deposited into the airways of live mice. The aim of this study was to image changes in MCT produced by a rehydrating treatment based on hypertonic saline (HS), a current CF clinical treatment. Live mice received HS containing a long acting epithelial sodium channel blocker (P308); isotonic saline; or no treatment, using a nebuliser integrated within a small-animal ventilator circuit. Marker particle motion was tracked for 20 minutes using PCXI. There were statistically significant increases in MCT in the isotonic and HS-P308 groups. The ability to quantify in vivo changes in MCT may have utility in pre-clinical research studies designed to bring new genetic and pharmaceutical treatments for respiratory diseases into clinical trials.

Sticky Mucus? Mucus—experienced, for example, in the form of a runny nose or productive cough—is one of the tools the body uses to expel or prevent the uptake of foreign matter. In a number of diseases, a failure of the normal mucus-control system leads to obstructions of the airways and respiratory problems. Button et al. (p. 937 ; see the Perspective by Dickey ) examine the existing gel-on-liquid model, where the mucus is thought to sit on a watery periciliary layer around the beating lung cilia that has been used to explain the flow of mucus. A gel-on-brush model is proposed where the mucus sits on a brushlike periciliary layer. The key elements of this layer are membrane-tethered macromolecules that cause normal flow and clearance of mucus. When dehydrated, the interface is disrupted, preventing normal mucus motion.