Emergence of SARS-CoV-2 causing COVID-19 has resulted in hundreds of thousands of deaths. In search for key targets of effective therapeutics, robust animal models mimicking COVID-19 in humans are urgently needed. Here, we show that Syrian hamsters, in contrast to mice, are highly permissive to SARS-CoV-2 and develop bronchopneumonia and strong inflammatory responses in the lungs with neutrophil infiltration and edema, further confirmed as consolidations visualized by micro-CT alike in clinical practice. Moreover, we identify an exuberant innate immune response as key player in pathogenesis, in which STAT2 signaling plays a dual role, driving severe lung injury on the one hand, yet restricting systemic virus dissemination on the other. Our results reveal the importance of STAT2-dependent interferon responses in the pathogenesis and virus control during SARS-CoV-2 infection and may help rationalizing new strategies for the treatment of COVID-19 patients.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) rapidly spread around the globe after its emergence in Wuhan in December 2019. With no specific therapeutic and prophylactic options available, the virus has infected millions of people of which more than half a million succumbed to the viral disease, COVID-19. The urgent need for an effective treatment together with a lack of small animal infection models has led to clinical trials using repurposed drugs without preclinical evidence of their in vivo efficacy. We established an infection model in Syrian hamsters to evaluate the efficacy of small molecules on both infection and transmission. Treatment of SARS-CoV-2-infected hamsters with a low dose of favipiravir or hydroxychloroquine with(out) azithromycin resulted in, respectively, a mild or no reduction in virus levels. However, high doses of favipiravir significantly reduced infectious virus titers in the lungs and markedly improved lung histopathology. Moreover, a high dose of favipiravir decreased virus transmission by direct contact, whereas hydroxychloroquine failed as prophylaxis. Pharmacokinetic modeling of hydroxychloroquine suggested that the total lung exposure to the drug did not cause the failure. Our data on hydroxychloroquine (together with previous reports in macaques and ferrets) thus provide no scientific basis for the use of this drug in COVID-19 patients. In contrast, the results with favipiravir demonstrate that an antiviral drug at nontoxic doses exhibits a marked protective effect against SARS-CoV-2 in a small animal model. Clinical studies are required to assess whether a similar antiviral effect is achievable in humans without toxic effects.

Introductory paragraph Since the emergence of SARS-CoV-2 causing COVID-19, the world is being shaken to its core with numerous hospitalizations and hundreds of thousands of deaths. In search for key targets of effective therapeutics, robust animal models mimicking COVID-19 in humans are urgently needed. Here, we show that productive SARS-CoV-2 infection in the lungs of mice is limited and restricted by early type I interferon responses. In contrast, we show that Syrian hamsters are highly permissive to SARS- CoV-2 and develop bronchopneumonia and a strong inflammatory response in the lungs with neutrophil infiltration and edema. Moreover, we identify an exuberant innate immune response as a key player in pathogenesis, in which STAT2 signaling plays a dual role, driving severe lung injury on the one hand, yet restricting systemic virus dissemination on the other. Finally, we assess SARS-CoV- 2-induced lung pathology in hamsters by micro-CT alike used in clinical practice. Our results reveal the importance of STAT2-dependent interferon responses in the pathogenesis and virus control during SARS-CoV-2 infection and may help rationalizing new strategies for the treatment of COVID-19 patients.

Abstract The explosively expanding COVID-19 pandemic urges the development of safe, efficacious and fast-acting vaccines to quench the unrestrained spread of SARS-CoV-2. Several promising vaccine platforms, developed in recent years, are leveraged for a rapid emergency response to COVID-19 1 . We employed the live-attenuated yellow fever 17D (YF17D) vaccine as a vector to express the prefusion form of the SARS-CoV-2 Spike antigen. In mice, the vaccine candidate, tentatively named YF-S0, induces high levels of SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and a favorable Th1 cell-mediated immune response. In a stringent hamster SARS-CoV-2 challenge model 2 , vaccine candidate YF-S0 prevents infection with SARS-CoV-2. Moreover, a single dose confers protection from lung disease in most vaccinated animals even within 10 days. These results warrant further development of YF-S0 as a potent SARS-CoV-2 vaccine candidate.

Abstract Within one year after its emergence, more than 108 million people contracted SARS-CoV-2 and almost 2.4 million succumbed to COVID-19. New SARS-CoV-2 variants of concern (VoC) are emerging all over the world, with the threat of being more readily transmitted, being more virulent, or escaping naturally acquired and vaccine-induced immunity. At least three major prototypic VoC have been identified, i.e. the UK (B.1.1.7), South African (B.1.351) and Brazilian (B.1.1.28.1), variants. These are replacing formerly dominant strains and sparking new COVID-19 epidemics and new spikes in excess mortality. We studied the effect of infection with prototypic VoC from both B.1.1.7 and B.1.351 lineages in Syrian golden hamsters to assess their relative infectivity and pathogenicity in direct comparison to two basal SARS-CoV-2 strains isolated in early 2020. A very efficient infection of the lower respiratory tract of hamsters by these VoC is observed. In line with clinical evidence from patients infected with these VoC, no major differences in disease outcome were observed as compared to the original strains as was quantified by ( i ) histological scoring, ( ii ) micro-computed tomography, and ( iii ) analysis of the expression profiles of selected antiviral and pro-inflammatory cytokine genes. Noteworthy however, in hamsters infected with VoC B.1.1.7, a particularly strong elevation of proinflammatory cytokines was detected. Overall, we established relevant preclinical infection models that will be pivotal to assess the efficacy of current and future vaccine(s) (candidates) as well as therapeutics (small molecules and antibodies) against two important SARS-CoV-2 VoC.

Abstract We have identified camelid single-domain antibodies (VHHs) that cross-neutralize SARS-CoV-1 and −2, such as VHH72, which binds to a unique highly conserved epitope in the viral receptor-binding domain (RBD) that is difficult to access for human antibodies. Here, we establish a protein engineering path for how a stable, long-acting drug candidate can be generated out of such a VHH building block. When fused to human IgG1-Fc, the prototype VHH72 molecule prophylactically protects hamsters from SARS-CoV-2. In addition, we demonstrate that both systemic and intranasal application protects hACE-2-transgenic mice from SARS-CoV-2 induced lethal disease progression. To boost potency of the lead, we used structure-guided molecular modeling combined with rapid yeast-based Fc-fusion prototyping, resulting in the affinity-matured VHH72_S56A-Fc, with subnanomolar SARS-CoV-1 and −2 neutralizing potency. Upon humanization, VHH72_S56A was fused to a human IgG1 Fc with optimized manufacturing homogeneity and silenced effector functions for enhanced safety, and its stability as well as lack of off-target binding was extensively characterized. Therapeutic systemic administration of a low dose of VHH72_S56A-Fc antibodies strongly restricted replication of both original and D614G mutant variants of SARS-CoV-2 virus in hamsters, and minimized the development of lung damage. This work led to the selection of XVR011 for clinical development, a highly stable anti-COVID-19 biologic with excellent manufacturability. Additionally, we show that XVR011 is unaffected in its neutralizing capacity of currently rapidly spreading SARS-CoV-2 variants, and demonstrate its unique, wide scope of binding across the Sarbecovirus clades.

Abstract Background SARS-CoV-2 human-to-animal transmission can lead to the establishment of novel reservoirs and the evolution of new variants with the potential to start new outbreaks in humans. Aim We tested Norway rats inhabiting the sewer system of Antwerp, Belgium, for the presence of SARS-CoV-2 following a local COVID-19 epidemic peak. In addition, we discuss the use and interpretation of SARS-CoV-2 serological tests on non-human samples. Methods Between November and December 2020, Norway rat oral swabs, feces and tissues from the sewer system of Antwerp were collected to be tested by RT-qPCR for the presence of SARS-CoV-2. Serum samples were screened for the presence of anti-SARS-CoV-2 IgG antibodies using a Luminex microsphere immunoassay (MIA). Samples considered positive were then checked for neutralizing antibodies using a conventional viral neutralization test (cVNT). Results The serum of 35 rats was tested by MIA showing 3 potentially positive sera that were later shown to be negative by cVNT. All tissue samples of 39 rats analyzed tested negative for SARS-CoV-2 RNA. Conclusion This is the first study that evaluates SARS-CoV-2 infection in urban rats. We can conclude that the sample of 39 rats had never been infected with SARS-CoV-2. We show that diagnostic serology tests can give misleading results when applied on non-human samples. SARS-CoV-2 monitoring activities should continue due to the emergence of new variants prone to infect Muridae rodents.

Abstract SARS-CoV-2 rapidly spread around the globe after its emergence in Wuhan in December 2019. With no specific therapeutic and prophylactic options available, the virus was able to infect millions of people. To date, close to half a million patients succumbed to the viral disease, COVID-19. The high need for treatment options, together with the lack of small animal models of infection has led to clinical trials with repurposed drugs before any preclinical in vivo evidence attesting their efficacy was available. We used Syrian hamsters to establish a model to evaluate antiviral activity of small molecules in both an infection and a transmission setting. Upon intranasal infection, the animals developed high titers of SARS-CoV-2 in the lungs and pathology similar to that observed in mild COVID-19 patients. Treatment of SARS-CoV-2-infected hamsters with favipiravir or hydroxychloroquine (with and without azithromycin) resulted in respectively a mild or no reduction in viral RNA and infectious virus. Micro-CT scan analysis of the lungs showed no improvement compared to non-treated animals, which was confirmed by histopathology. In addition, both compounds did not prevent virus transmission through direct contact and thus failed as prophylactic treatments. By modelling the PK profile of hydroxychloroquine based on the trough plasma concentrations, we show that the total lung exposure to the drug was not the limiting factor. In conclusion, we here characterized a hamster infection and transmission model to be a robust model for studying in vivo efficacy of antiviral compounds. The information acquired using hydroxychloroquine and favipiravir in this model is of critical value to those designing (current and) future clinical trials. At this point, the data here presented on hydroxychloroquine either alone or combined with azithromycin (together with previously reported in vivo data in macaques and ferrets) provide no scientific basis for further use of the drug in humans.

Abstract Late 2020, SARS-CoV-2 Alpha variant from lineage B.1.1.7 emerged in United Kingdom and gradually replaced the G614 strains initially involved in the global spread of the pandemic. In this study, we used a Syrian hamster model to compare a clinical strain of Alpha variant with an ancestral G614 strain. The Alpha variant succeeded to infect animals and to induce a pathology that mimics COVID-19. However, both strains replicated to almost the same level and induced a comparable disease and immune response. A slight fitness advantage was noted for the G614 strain during competition and transmission experiments. These data do not corroborate the epidemiological situation observed during the first half of 2021 in humans nor reports that showed a more rapid replication of Alpha variant in human reconstituted bronchial epithelium.

Recent massive outbreaks of yellow fever virus (YFV) in West Africa and Brazil resulted in rapid depletion of global vaccine emergency stockpiles and raised concerns about being not prepared against future YFV epidemics. Here we report that a live-attenuated virus similar to the Japanese encephalitis virus (JEV) vaccine JE-CVax/Imojev® that consists of YFV-17D vaccine from which the structural (prM/E) genes have been replaced with those of the JEV SA14-14-2 vaccine strain confers full protection in mice against lethal YFV challenge. In contrast to the YFV-17D mediated protection against YFV, this protection is not mediated by neutralizing antibodies but correlates with YFV-specific non-neutralizing antibodies and T cell responses against cell-associated YFV NS1 and other YFV non-structural (NS) proteins. Our findings reveal the importance of YFV NS proteins to mediate protection and demonstrate that chimeric flavivirus vaccines, such as Imojev® can confer protection against two flaviviruses. This dual protection has implications for the possible off-label use of JE-CVax in case of emergency and vaccine shortage during YFV outbreaks. In addition, populations in Asia that have been vaccinated with Imojev® may already be protected against YFV should outbreaks ever occur on that continent as feared by WHO.