Infection by the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has been associated with leukopenia and uncontrolled inflammatory response in critically ill patients. A better comprehension of SARS-CoV-2-induced monocyte death is essential for the identification of therapies capable to control the hyper-inflammation and reduce viral replication in patients with 2019 coronavirus disease (COVID-19). Here, we show that SARS-CoV-2 engages inflammasome and triggers pyroptosis in human monocytes, experimentally infected, and from patients under intensive care. Pyroptosis associated with caspase-1 activation, IL-1ß production, gasdermin D cleavage, and enhanced pro-inflammatory cytokine levels in human primary monocytes. At least in part, our results originally describe mechanisms by which monocytes, a central cellular component recruited from peripheral blood to respiratory tract, succumb to control severe COVID-19.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is already responsible for far more deaths than previous pathogenic coronaviruses (CoVs) from 2002 and 2012. The identification of clinically approved drugs to be repurposed to combat 2019 CoV disease (COVID-19) would allow the rapid implementation of potentially life-saving procedures. The major protease (Mpro) of SARS-CoV-2 is considered a promising target, based on previous results from related CoVs with lopinavir (LPV), an HIV protease inhibitor. However, limited evidence exists for other clinically approved antiretroviral protease inhibitors, such as atazanavir (ATV). ATV is of high interest because of its bioavailability within the respiratory tract. Our results show that ATV could dock in the active site of SARS-CoV-2 Mpro, with greater strength than LPV. ATV blocked Mpro activity. We confirmed that ATV inhibits SARS-CoV-2 replication, alone or in combination with ritonavir (RTV) in Vero cells, human pulmonary epithelial cell line and primary monocytes, impairing virus-induced enhancement of IL-6 and TNF-α levels. Together, our data strongly suggest that ATV and ATV/RTV should be considered among the candidate repurposed drugs undergoing clinical trials in the fight against COVID-19.

Abstract Viruses are obligate intracellular parasites that make use of the host metabolic machineries to meet their biosynthetic needs, identifying the host pathways essential for the virus replication may lead to potential targets for therapeutic intervention. The mechanisms and pathways explored by SARS-CoV-2 to support its replication within host cells are not fully known. Lipid droplets (LD) are organelles with major functions in lipid metabolism and energy homeostasis, and have multiple roles in infections and inflammation. Here we described that monocytes from COVID-19 patients have an increased LD accumulation compared to SARS-CoV-2 negative donors. In vitro , SARS-CoV-2 infection modulates pathways of lipid synthesis and uptake, including CD36, SREBP-1, PPARγ and DGAT-1 in monocytes and triggered LD formation in different human cells. LDs were found in close apposition with SARS-CoV-2 proteins and double-stranded (ds)-RNA in infected cells. Pharmacological modulation of LD formation by inhibition of DGAT-1 with A922500 significantly inhibited SARS-CoV-2 replication as well as reduced production of pro-inflammatory mediators. Taken together, we demonstrate the essential role of lipid metabolic reprograming and LD formation in SARS-CoV-2 replication and pathogenesis, opening new opportunities for therapeutic strategies to COVID-19.

Abstract Current approaches of drugs repurposing against 2019 coronavirus disease (COVID-19) have not proven overwhelmingly successful and the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic continues to cause major global mortality. Daclatasvir (DCV) and sofosbuvir (SFV) are clinically approved against hepatitis C virus (HCV), with satisfactory safety profile. DCV and SFV target the HCV enzymes NS5A and NS5B, respectively. NS5A is endowed with pleotropic activities, which overlap with several proteins from SARS-CoV-2. HCV NS5B and SARS-CoV-2 nsp12 are RNA polymerases that share homology in the nucleotide uptake channel. We thus tested whether SARS-COV-2 would be susceptible these anti-HCV drugs. DCV consistently inhibited the production of infectious SARS-CoV-2 in Vero cells, in the hepatoma cell line (HuH-7) and in type II pneumocytes (Calu-3), with potencies of 0.8, 0.6 and 1.1 μM, respectively. Although less potent than DCV, SFV and its nucleoside metabolite inhibited replication in Calu-3 cells. Moreover, SFV/DCV combination (1:0.15 ratio) inhibited SARS-CoV-2 with EC 50 of 0.7:0.1 μM in Calu-3 cells. SFV and DCV prevented virus-induced neuronal apoptosis and release of cytokine storm-related inflammatory mediators, respectively. Both drugs inhibited independent events during RNA synthesis and this was particularly the case for DCV, which also targeted secondary RNA structures in the SARS-CoV-2 genome. Concentrations required for partial DCV in vitro activity are achieved in plasma at Cmax after administration of the approved dose to humans. Doses higher than those approved may ultimately be required, but these data provide a basis to further explore these agents as COVID-19 antiviral candidates.

Abstract The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome virus 2 (SARS-CoV-2), has led to a global crisis that included collapsing healthcare systems and shut-down communities, producing considerable economic burden. Despite the number of effective vaccines quickly implemented, the emergence of new variants is a primary concern. The scientific community undertook a rapid response to better study this new virus. However, critical questions about viral protein-protein interactions and mechanisms of its physiopathology are still unclear. Although severe COVID-19 was associated with hematological dysfunctions, scarce experimental data were produced about iron dysmetabolism and the viral proteins’ possible interaction with hemoglobin (Hb) chains. This work demonstrates the binding of SARS-CoV-2 proteins to hemin and Hb using a multimethodological approach. In silico analysis indicated binding motifs between a cavity in the viral nucleoprotein and hemoglobin’s porphyrin coordination region. Different hemin binding capacities of mock and SARS-CoV-2-infected culture extracts were noticed using gel electrophoresis and TMB staining. Hemin-binding proteins were isolated from SARS-CoV-2-infected cells by affinity chromatography and identified by shotgun proteomics, indicating that structural (nucleoprotein, spike, and membrane protein) and non-structural (Nsp3 and Nsp7) viral proteins interact with hemin. In vitro analyses of virus adsorption to host cells and viral replication studies in Vero cells demonstrated inhibitory activities - at different levels - by hemin, protoporphyrin IX (PpIX) Hb. Strikingly, free Hb at 1μM suppressed viral replication (99 %), and its interaction with SARS-CoV-2 was localized to the RBD region of the Spike protein. The findings showed clear evidence of new avenues to disrupt viral replication and understand virus physiopathology that warrants further investigation.

Abstract Infection by SARS-CoV-2 may elicit uncontrolled and damaging inflammatory responses. Thus, it is critical to identify compounds able to inhibit virus replication and thwart the inflammatory reaction. Here, we show that the plasma levels of the immunoregulatory neuropeptide VIP are elevated in patients with severe COVID-19, correlating with reduced inflammatory mediators and with survival on those patients. In vitro, VIP and PACAP, highly similar neuropeptides, decreased the SARS-CoV-2 genome replication in human monocytes and viral production in lung epithelial cells, also reducing cell death. Both neuropeptides inhibited the production of proinflammatory mediators in lung epithelial cells and in monocytes. VIP and PACAP prevented in monocytes the SARS-CoV-2-induced activation of NF-kB and SREBP1 and SREBP2, transcriptions factors involved in proinflammatory reactions and lipid metabolism, respectively. They also promoted CREB activation, a transcription factor with antiapoptotic activity and negative regulator of NF-kB. Specific inhibition of NF-kB and SREBP1/2 reproduced the anti-inflammatory, antiviral and cell death protection effects of VIP and PACAP. Our results support further clinical investigations of these neuropeptides against COVID-19.

ABSTRACT Heart dysfunction, represented by conditions such as myocarditis and arrhythmia, has been reported in COVID-19 patients. Therapeutic strategies focused on the cardiovascular system, however, remain scarce. The Sigma-1 receptor (S1R) has been recently proposed as a therapeutic target because its inhibition reduces SARS-CoV-2 replication. To investigate the role of S1R in SARS-CoV-2 infection in the heart, we used human cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells (hiPSC-CM) as an experimental model. Here we show that the S1R antagonist NE-100 decreases SARS-CoV-2 infection and viral replication in hiPSC-CMs. Also, NE-100 reduces cytokine release and cell death associated with infection. Because S1R is involved in cardiac physiology, we investigated the effects of NE-100 in cardiomyocyte morphology and function. We show that NE-100 compromises cytoskeleton integrity and reduces beating frequency, causing contractile impairment. These results show that targeting S1R to challenge SARS-CoV-2 infection may be a useful therapeutic strategy but its detrimental effects in vivo on cardiac function should not be ignored.

SARS-CoV-2 has an exonuclease-based proofreader, which removes nucleotide inhibitors such as Remdesivir that are incorporated into the viral RNA during replication, reducing the efficacy of these drugs for treating COVID-19. Combinations of inhibitors of both the viral RNA-dependent RNA polymerase and the exonuclease could overcome this deficiency. Here we report the identification of hepatitis C virus NS5A inhibitors Pibrentasvir and Ombitasvir as SARS-CoV-2 exonuclease inhibitors. In the presence of Pibrentasvir, RNAs terminated with the active forms of the prodrugs Sofosbuvir, Remdesivir, Favipiravir, Molnupiravir and AT-527 were largely protected from excision by the exonuclease, while in the absence of Pibrentasvir, there was rapid excision. Due to its unique structure, Tenofovir-terminated RNA was highly resistant to exonuclease excision even in the absence of Pibrentasvir. Viral cell culture studies also demonstrate significant synergy using this combination strategy. This study supports the use of combination drugs that inhibit both the SARS-CoV-2 polymerase and exonuclease for effective COVID-19 treatment.

Abstract Anticoagulants are associated with clinical benefit against the 2019 coronavirus disease (COVID-19), preventing COVID-19 associated coagulopathy. Blood coagulation factor Xa (FXa) and SARS-CoV-2 major protease (M pro ) share over 80% homology at the three-dimensional protein level. Thus, it is worth interrogating whether there is crosstalk between inhibitors and substrates between these enzymes. Here, we found that the clinically-approved FXa inhibitor apixaban targets SARS-CoV-2 M pro with a 21-fold higher potency than boceprevir (GC376). Apixaban displayed a non-competitive mechanism of inhibition towards M pro , since it targets the enzyme/substrate complex and the allosteric site onto the viral protease. Enzymatic assays were further validated in infected Calu-3 cells, which reveal that apixaban decreases the production of infectious viral particles in a dose-dependent manner, with an inhibitory potency in the micromolar range. Our results are in line with the proposed early use of anticoagulants, including FXa inhibitors, to improve clinical outcome of COVID-19 patients. In this context, apixaban may display a dual mechanism of action by targeting FXa to prevent coagulopathy and, at some level, SARS-CoV-2 M pro .

Abstract Atazanavir (ATV) has already been considered as a potential repurposing drug to 2019 coronavirus disease (COVID-19), however, there are controversial reports on its mechanism of action and effectiveness as anti-severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Through the pre-clinical chain of experiments: enzymatic, molecular docking, cell-based, and in vivo assays, it is demonstrated here that both SARS-CoV-2 B.1 lineage and variant of concern gamma are susceptible to this antiretroviral. Enzymatic assays and molecular docking calculations showed that SARS-CoV-2 main protease (M pro ) was inhibited by ATV, with Morrison’s inhibitory constant (Ki) 1.5-fold higher than boceprevir (GC376, a positive control). ATV was a competitive inhibition, increasing the M pro ’s Michaelis-Menten (K m ) more than 6-fold. Cell-based assays indicated that SARS-CoV-2 gamma is more susceptible to ATV than its predecessor strain B.1. Using oral administration of ATV in mice to reach plasmatic exposure similar to humans, transgenic mice expression in human angiotensin converting enzyme 2 (K18-hACE2) were partially protected against lethal challenge with SARS-CoV-2 gamma. Moreover, less cell death and inflammation were observed in the lung from infected and treated mice. Our studies may contribute to a better comprehension of the M pro /ATV interaction, which could pave the way to the development of specific inhibitors of this viral protease.