How the innate and adaptive host immune system miscommunicate to worsen COVID-19 immunopathology has not been fully elucidated. Here, we perform single-cell deep-immune profiling of bronchoalveolar lavage (BAL) samples from 5 patients with mild and 26 with critical COVID-19 in comparison to BALs from non-COVID-19 pneumonia and normal lung. We use pseudotime inference to build T-cell and monocyte-to-macrophage trajectories and model gene expression changes along them. In mild COVID-19, CD8+ resident-memory (TRM) and CD4+ T-helper-17 (TH17) cells undergo active (presumably antigen-driven) expansion towards the end of the trajectory, and are characterized by good effector functions, while in critical COVID-19 they remain more naïve. Vice versa, CD4+ T-cells with T-helper-1 characteristics (TH1-like) and CD8+ T-cells expressing exhaustion markers (TEX-like) are enriched halfway their trajectories in mild COVID-19, where they also exhibit good effector functions, while in critical COVID-19 they show evidence of inflammation-associated stress at the end of their trajectories. Monocyte-to-macrophage trajectories show that chronic hyperinflammatory monocytes are enriched in critical COVID-19, while alveolar macrophages, otherwise characterized by anti-inflammatory and antigen-presenting characteristics, are depleted. In critical COVID-19, monocytes contribute to an ATP-purinergic signaling-inflammasome footprint that could enable COVID-19 associated fibrosis and worsen disease-severity. Finally, viral RNA-tracking reveals infected lung epithelial cells, and a significant proportion of neutrophils and macrophages that are involved in viral clearance.

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.

Significance The previous lack of consensus around the use of hydroxychloroquine for COVID-19 patients underlines the need to thoroughly assess the in vivo efficacy of drugs against SARS-CoV-2. Small animal infection models, such as the hamster model, have a pivotal place herein. We here show in vivo preclinical results with favipiravir which indicate that antiviral efficacy against SARS-CoV-2 might only be achieved with a very high dose. Hydroxychloroquine, on the other hand, completely lacks antiviral activity, thus providing no scientific basis for its further use in COVID-19 patients. With this study on two key antiviral candidates, we establish the baseline for SARS-CoV-2 antiviral treatment, which will allow us to identify superior antiviral candidates in the near future.

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 How innate and adaptive lung immune responses to SARS-CoV-2 synchronize during COVID-19 pneumonitis and regulate disease severity is poorly established. To address this, we applied single-cell profiling to bronchoalveolar lavages from 44 patients with mild or critical COVID-19 versus non-COVID-19 pneumonia as control. Viral RNA-tracking delineated the infection phenotype to epithelial cells, but positioned mainly neutrophils at the forefront of viral clearance activity during COVID-19. In mild disease, neutrophils could execute their antiviral function in an immunologically ‘controlled’ fashion, regulated by fully-differentiated T-helper-17 (T H17 )-cells, as well as T-helper-1 (T H1 )-cells, CD8 + resident-memory (T RM ) and partially-exhausted (T EX ) T-cells with good effector functions. This was paralleled by ‘orderly’ phagocytic disposal of dead/stressed cells by fully-differentiated macrophages, otherwise characterized by anti-inflammatory and antigen-presenting characteristics, hence facilitating lung tissue repair. In critical disease, CD4 + T H1 - and CD8 + T EX -cells were characterized by inflammation-associated stress and metabolic exhaustion, while CD4 + T H17 - and CD8 + T RM -cells failed to differentiate. Consequently, T-cell effector function was largely impaired thereby possibly facilitating excessive neutrophil-based inflammation. This was accompanied by impaired monocyte-to-macrophage differentiation, with monocytes exhibiting an ATP-purinergic signalling-inflammasome footprint, thereby enabling COVID-19 associated fibrosis and worsening disease severity. Our work represents a major resource for understanding the lung-localised immunity and inflammation landscape during COVID-19.

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.