The main protease of coronaviruses and the 3C protease of enteroviruses share a similar active-site architecture and a unique requirement for glutamine in the P1 position of the substrate. Because of their unique specificity and essential role in viral polyprotein processing, these proteases are suitable targets for the development of antiviral drugs. In order to obtain near-equipotent, broad-spectrum antivirals against alphacoronaviruses, betacoronaviruses, and enteroviruses, we pursued a structure-based design of peptidomimetic α-ketoamides as inhibitors of main and 3C proteases. Six crystal structures of protease–inhibitor complexes were determined as part of this study. Compounds synthesized were tested against the recombinant proteases as well as in viral replicons and virus-infected cell cultures; most of them were not cell-toxic. Optimization of the P2 substituent of the α-ketoamides proved crucial for achieving near-equipotency against the three virus genera. The best near-equipotent inhibitors, 11u (P2 = cyclopentylmethyl) and 11r (P2 = cyclohexylmethyl), display low-micromolar EC50 values against enteroviruses, alphacoronaviruses, and betacoronaviruses in cell cultures. In Huh7 cells, 11r exhibits three-digit picomolar activity against the Middle East Respiratory Syndrome coronavirus.

We assessed the in vitro antiviral activity of remdesivir and its parent nucleoside GS-441524, molnupiravir and its parent nucleoside EIDD-1931 and the viral protease inhibitor nirmatrelvir against the ancestral SARS-CoV2 strain and the five variants of concern including Omicron. VeroE6-GFP cells were pre-treated overnight with serial dilutions of the compounds before infection. The GFP signal was determined by high-content imaging on day 4 post-infection. All molecules have equipotent antiviral activity against the ancestral virus and the VOCs Alpha, Beta, Gamma, Delta and Omicron. These findings are in line with the observation that the target proteins of these antivirals (respectively the viral RNA dependent RNA polymerase and the viral main protease Mpro) are highly conserved.

It is a common problem in natural product therapeutic lead discovery programs that despite good bioassay results in the initial extract, the active compound(s) may not be isolated during subsequent bioassay-guided purification. Herein, we present the concept of bioactive molecular networking to find candidate active molecules directly from fractionated bioactive extracts. By employing tandem mass spectrometry, it is possible to accelerate the dereplication of molecules using molecular networking prior to subsequent isolation of the compounds, and it is also possible to expose potentially bioactive molecules using bioactivity score prediction. Indeed, bioactivity score prediction can be calculated with the relative abundance of a molecule in fractions and the bioactivity level of each fraction. For that reason, we have developed a bioinformatic workflow able to map bioactivity score in molecular networks and applied it for discovery of antiviral compounds from a previously investigated extract of Euphorbia dendroides where the bioactive candidate molecules were not discovered following a classical bioassay-guided fractionation procedure. It can be expected that this approach will be implemented as a systematic strategy, not only in current and future bioactive lead discovery from natural extract collections but also for the reinvestigation of the untapped reservoir of bioactive analogues in previous bioassay-guided fractionation efforts.

Itraconazole (ITZ) is a well-known antifungal agent that also has anticancer activity. In this study, we identify ITZ as a broad-spectrum inhibitor of enteroviruses (e.g., poliovirus, coxsackievirus, enterovirus-71, rhinovirus). We demonstrate that ITZ inhibits viral RNA replication by targeting oxysterol-binding protein (OSBP) and OSBP-related protein 4 (ORP4). Consistently, OSW-1, a specific OSBP/ORP4 antagonist, also inhibits enterovirus replication. Knockdown of OSBP inhibits virus replication, whereas overexpression of OSBP or ORP4 counteracts the antiviral effects of ITZ and OSW-1. ITZ binds OSBP and inhibits its function, i.e., shuttling of cholesterol and phosphatidylinositol-4-phosphate between membranes, thereby likely perturbing the virus-induced membrane alterations essential for viral replication organelle formation. ITZ also inhibits hepatitis C virus replication, which also relies on OSBP. Together, these data implicate OSBP/ORP4 as molecular targets of ITZ and point to an essential role of OSBP/ORP4-mediated lipid exchange in virus replication that can be targeted by antiviral drugs.

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.

Targeting host factors exploited by multiple viruses could offer broad-spectrum solutions for pandemic preparedness. Seventeen candidates targeting diverse functions emerged in a screen of 4,413 compounds for SARS-CoV-2 inhibitors. We demonstrated that lapatinib and other approved inhibitors of the ErbB family receptor tyrosine kinases suppress replication of SARS-CoV-2, Venezuelan equine encephalitis virus (VEEV), and other emerging viruses with a high barrier to resistance. Lapatinib suppressed SARS-CoV-2 entry and later stages of the viral life cycle and showed synergistic effect with the direct-acting antiviral nirmatrelvir. We discovered that ErbB1, 2 and 4 bind SARS-CoV-2 S1 protein and regulate viral and ACE2 internalization, and they are required for VEEV infection. In human lung organoids, lapatinib protected from SARS-CoV-2-induced activation of ErbB-regulated pathways implicated in non-infectious lung injury, pro-inflammatory cytokine production, and epithelial barrier injury. Lapatinib suppressed VEEV replication, cytokine production and disruption of the blood-brain barrier integrity in microfluidic-based human neurovascular units, and reduced mortality in a lethal infection murine model. We validated lapatinib-mediated inhibition of ErbB activity as an important mechanism of antiviral action. These findings reveal regulation of viral replication, inflammation, and tissue injury via ErbBs and establish a proof-of-principle for a repurposed, ErbB-targeted approach to combat emerging viruses.

Abstract Favipiravir and Molnupiravir, orally available antivirals, have been reported to exert antiviral activity against SARS-CoV2. In recent days preliminary efficacy data have been reported in COVID-19 patients. We here studied the combined antiviral effect of the drugs in the SARS-CoV2 hamster infection model. We first demonstrate that Molnupiravir can reduce infectious virus titers in lungs of infected animals in a dose-dependent manner by up to 3.5 log 10 which is associated with a marked improvement of virus-induced lung pathology. When animals are treated with a combination of suboptimal doses of Molnupiravir and Favipiravir (that each alone result in respectively a 1.3 log 10 and 1.1 log 10 reduction of infectious virus titers in the lungs), a marked combined potency is observed. Infectious virus titers in the lungs of animals treated with the combo are on average reduced by 4.5 log 10 and infectious virus are no longer detected in the lungs of 60% of treated infected animals. Both drugs result in an increased mutation frequency of the remaining viral RNA recovered from the lungs. In the combo-treated hamsters an increased frequency of C-to-T and G-to-A mutations in the viral RNA is observed as compared to the single treatment groups which may explain the pronounced antiviral potency of the combination. Our findings may lay the basis for the design of clinical studies to test the efficacy of the combination of Molnupiravir and Favipiravir in the treatment of COVID-19.

Abstract We assessed the in vitro antiviral activity of remdesivir and its parent nucleoside GS-441524, molnupiravir and its parent nucleoside EIDD-1931 and the viral protease inhibitor nirmatrelvir against the ancestral SARS-CoV2 strain and the five variants of concern including Omicron. VeroE6-GFP cells were pre-treated overnight with serial dilutions of the compounds before infection. The GFP signal was determined by high-content imaging on day 4 post-infection. All molecules have equipotent antiviral activity against the ancestral virus and the VOCs Alpha, Beta, Gamma, Delta and Omicron. These findings are in line with the observation that the target proteins of these antivirals (respectively the viral RNA dependent RNA polymerase and the viral main protease Mpro) are highly conserved.

Abstract In response to the ongoing COVID-19 pandemic, repurposing of drugs for the treatment of SARS-CoV-2 infections is being explored. The HIV protease inhibitor Nelfinavir, widely prescribed in combination with other HIV inhibitors, has been shown to inhibit in vitro SARS-CoV-2 replication. We here report on the effect of Nelfinavir in the Syrian hamster SARS-CoV-2 infection model. Although treatment of infected hamsters with either 15 or 50 mg/kg BID Nelfinavir [for four consecutive days, initiated on the day of infection] does not reduce viral RNA loads nor infectious virus titres in the lungs compared to the vehicle control, the drug reduced virus-induced lung pathology to nearly the baseline scores of healthy animals. A substantial interstitial infiltration of neutrophils is observed in the lungs of treated (both infected and uninfected) animals. The protective effect of Nelfinavir on SARS-CoV-2-induced lung pathology (at doses that are well tolerated and that result in exposures nearing those observed in HIV-infected patients) may lay the foundation for clinical studies with this widely used drug.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron variant exhibits very high levels of transmission, pronounced resistance to authorized therapeutic human monoclonal antibodies and reduced sensitivity to vaccine-induced immunity. Here we describe P2G3, a human monoclonal antibody (mAb) isolated from a previously infected and vaccinated donor, which displays picomolar-range neutralizing activity against Omicron BA.1, BA.1.1, BA.2 and all other current variants, and is thus markedly more potent than all authorized or clinically advanced anti-SARS-CoV-2 mAbs. Structural characterization of P2G3 Fab in complex with the Omicron Spike demonstrates unique binding properties to both down and up spike trimer conformations at an epitope that partially overlaps with the receptor-binding domain (RBD), yet is distinct from those bound by all other characterized mAbs. This distinct epitope and angle of attack allows P2G3 to overcome all the Omicron mutations abolishing or impairing neutralization by other anti-SARS-COV-2 mAbs, and P2G3 accordingly confers complete prophylactic protection in the SARS-CoV-2 Omicron monkey challenge model. Finally, although we could isolate in vitro SARS-CoV2 mutants escaping neutralization by P2G3 or by P5C3, a previously described broadly active Class 1 mAb, we found these viruses to be lowly infectious and their key mutations extremely rare in the wild, and we could demonstrate that P2G3/P5C3 efficiently cross-neutralized one another’s escapees. We conclude that this combination of mAbs has great prospects in both the prophylactic and therapeutic settings to protect from Omicron and other VOCs.