Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is the latest respiratory pandemic caused by severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Although infection initiates in the proximal airways, severe and sometimes fatal symptoms of the disease are caused by infection of the alveolar type 2 (AT2) cells of the distal lung and associated inflammation. In this study, we develop primary human lung epithelial infection models to understand initial responses of proximal and distal lung epithelium to SARS-CoV-2 infection. Differentiated air-liquid interface (ALI) cultures of proximal airway epithelium and alveosphere cultures of distal lung AT2 cells are readily infected by SARS-CoV-2, leading to an epithelial cell-autonomous proinflammatory response with increased expression of interferon signaling genes. Studies to validate the efficacy of selected candidate COVID-19 drugs confirm that remdesivir strongly suppresses viral infection/replication. We provide a relevant platform for study of COVID-19 pathobiology and for rapid drug screening against SARS-CoV-2 and emergent respiratory pathogens.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is the latest respiratory pandemic resulting from zoonotic transmission of severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Severe symptoms include viral pneumonia secondary to infection and inflammation of the lower respiratory tract, in some cases causing death. We developed primary human lung epithelial infection models to understand responses of proximal and distal lung epithelium to SARS-CoV-2 infection. Differentiated air-liquid interface cultures of proximal airway epithelium and 3D organoid cultures of alveolar epithelium were readily infected by SARS-CoV-2 leading to an epithelial cell-autonomous proinflammatory response. We validated the efficacy of selected candidate COVID-19 drugs confirming that Remdesivir strongly suppressed viral infection/replication. We provide a relevant platform for studying COVID-19 pathobiology and for rapid drug screening against SARS-CoV-2 and future emergent respiratory pathogens.A novel infection model of the adult human lung epithelium serves as a platform for COVID-19 studies and drug discovery.

ABSTRACT Emergence of a highly contagious novel coronavirus, SARS-CoV-2 that causes COVID-19, has precipitated the current global health crisis with over 479,000 deaths and more than 9.3 million confirmed cases. Currently, our knowledge of the mechanisms of COVID-19 disease pathogenesis is very limited which has hampered attempts to develop targeted antiviral strategies. Therefore, we urgently need an effective therapy for this unmet medical need. Viruses hijack and dysregulate cellular machineries in order for them to replicate and infect more cells. Thus, identifying and targeting dysregulated signaling pathways that have been taken over by viruses is one strategy for developing an effective antiviral therapy. We have developed a high-throughput drug screening system to identify potential antiviral drugs targeting SARS-CoV-2. We utilized a small molecule library of 430 protein kinase inhibitors, which are in various stages of clinical trials. Most of the tested kinase antagonists are ATP competitive inhibitors, a class of nucleoside analogs, which have been shown to have potent antiviral activity. From the primary screen, we have identified 34 compounds capable of inhibiting viral cytopathic effect in epithelial cells. Network of drug and protein relations showed that these compounds specifically targeted a limited number of cellular kinases. More importantly, we have identified mTOR-PI3K-AKT, ABL-BCR/MAPK, and DNA-Damage Response (DDR) pathways as key cellular signaling pathways critical for SARS-CoV-2 infection. Subsequently, a secondary screen confirmed compounds such as Berzosertib (VE-822), Vistusertib (AZD2014), and Nilotinib with anti SARS-CoV-2 activity. Finally, we found that Berzosertib, an ATR kinase inhibitor in the DDR pathway, demonstrated potent antiviral activity in a human epithelial cell line and human induced pluripotent stem cell (hIPSC)-derived cardiomyocytes. These inhibitors are already in clinical trials of phase 2 or 3 for cancer treatment, and can be repurposed as promising drug candidates for a host-directed therapy of SARS-CoV-2 infection. In conclusion, we have identified small molecule inhibitors exhibiting anti SARS-CoV-2 activity by blocking key cellular kinases, which gives insight on important mechanism of host-pathogen interaction. These compounds can be further evaluated for the treatment of COVID-19 patients following additional in vivo safety and efficacy studies. Disclosures None declared.

To date, there is no effective oral antiviral against SARS-CoV-2 that is also anti-inflammatory. Herein, we show that the mitochondrial antioxidant mitoquinone/mitoquinol mesylate (Mito-MES), a dietary supplement, has potent antiviral activity against SARS-CoV-2 and its variants of concern in vitro and in vivo . Mito-MES had nanomolar in vitro antiviral potency against the Beta and Delta SARS-CoV-2 variants as well as the murine hepatitis virus (MHV-A59). Mito-MES given in SARS-CoV-2 infected K18-hACE2 mice through oral gavage reduced viral titer by nearly 4 log units relative to the vehicle group. We found in vitro that the antiviral effect of Mito-MES is attributable to its hydrophobic dTPP+ moiety and its combined effects scavenging reactive oxygen species (ROS), activating Nrf2 and increasing the host defense proteins TOM70 and MX1. Mito-MES was efficacious reducing increase in cleaved caspase-3 and inflammation induced by SARS-CoV2 infection both in lung epithelial cells and a transgenic mouse model of COVID-19. Mito-MES reduced production of IL-6 by SARS-CoV-2 infected epithelial cells through its antioxidant properties (Nrf2 agonist, coenzyme Q10 moiety) and the dTPP moiety. Given established safety of Mito-MES in humans, our results suggest that Mito-MES may represent a rapidly applicable therapeutic strategy that can be added in the therapeutic arsenal against COVID-19. Its potential long-term use by humans as diet supplement could help control the SARS-CoV-2 pandemic, especially in the setting of rapidly emerging SARS-CoV-2 variants that may compromise vaccine efficacy.Mitoquinone/mitoquinol mesylate has potent antiviral and anti-inflammatory activity in preclinical models of SARS-CoV-2 infection.

SARS-CoV-2, responsible for the COVID-19 pandemic, causes respiratory failure and damage to multiple organ systems. The emergence of viral variants poses a risk of vaccine failures and prolongation of the pandemic. However, our understanding of the molecular basis of SARS-CoV-2 infection and subsequent COVID-19 pathophysiology is limited. In this study, we have uncovered a critical role for the evolutionarily conserved Hippo signaling pathway in COVID-19 pathogenesis. Given the complexity of COVID-19 associated cell injury and immunopathogenesis processes, we investigated Hippo pathway dynamics in SARS-CoV-2 infection by utilizing COVID-19 lung samples, and human cell models based on pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (PSC-CMs) and human primary lung air-liquid interface (ALI) cultures. SARS-CoV-2 infection caused activation of the Hippo signaling pathway in COVID-19 lung and in vitro cultures. Both parental and Delta variant of concern (VOC) strains induced Hippo pathway. The chemical inhibition and gene knockdown of upstream kinases MST1/2 and LATS1 resulted in significantly enhanced SARS-CoV-2 replication, indicating antiviral roles. Verteporfin a pharmacological inhibitor of the Hippo pathway downstream transactivator, YAP, significantly reduced virus replication. These results delineate a direct antiviral role for Hippo signaling in SARS-CoV-2 infection and the potential for this pathway to be pharmacologically targeted to treat COVID-19.

Introduction/Abstract Cystic fibrosis (CF) is a lethal autosomal recessive disorder that afflicts in excess of 70,000 people globally. People with CF experience multi-organ dysfunction resulting from aberrant electrolyte transport across polarized epithelia due to mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ( CFTR ) gene. CF-related lung disease is by far the most significant determinant of morbidity and mortality. In this study we report results from a multi-institute consortium in which single cell transcriptomics were applied to define disease-related changes to the proximal airway of CF donors (n=19) undergoing transplantation for end-stage lung disease compared to the proximal airway of previously healthy lung donors (n=19). We found that all major airway epithelial cell types were conserved between control and CF donors. Disease-dependent differences were observed, including an overabundance of epithelial cells transitioning to specialized ciliated and secretory cell subtypes coupled with an unexpected decrease in cycling basal cells. This study developed a molecular atlas of the proximal airway epithelium that will provide insights for the development of new targeted therapies for CF airway disease.

Abstract Small-cell-lung-cancer (SCLC) has the worst prognosis of all lung cancers because of a high incidence of relapse after therapy. We developed a bioengineered 3-dimensional (3D) SCLC co-culture organoid as a phenotypic tool to study SCLC tumor kinetics and SCLC-fibroblast interactions during relapse. We used functionalized alginate microbeads as a scaffold to mimic lung alveolar architecture and co-cultured SCLC cell lines with primary adult lung fibroblasts (ALF). We found that SCLCs in the model proliferated extensively, invaded the microbead scaffold and formed tumors within just 7 days. We compared the bioengineered tumors with patient tumors and found them to recapitulate the pathology and immunophenotyping of the patient tumors better than the PDX model developed from the same SCLC cell line. When treated with standard chemotherapy drugs, etoposide and cisplatin, the organoid recapitulated relapse after chemotherapy. Co-culture of the SCLC cells with ALFs revealed that the fibroblasts play a key role in inducing faster and more robust SCLC cell regrowth in the model. This was a paracrine effect as conditioned medium from the same fibroblasts was responsible for this accelerated cell regrowth. This model is also amenable to high throughput phenotypic or targeted drug screening to find new therapeutics for SCLC.

Summary Respiratory viruses (e.g. influenza, RSV, SARS etc.) attack the proximal airway and cause a wide spectrum of diseases for which we have limited therapies. To date, a few primary human stem cell-based models of the proximal airway have been reported for drug discovery but scaling them up to a higher throughput platform remains a significant challenge. Here we present a microscale, primary human stem cell-based proximal airway model of SARS-CoV-2 infection, which is amenable to moderate-to-high throughput drug screening. The model recapitulates the heterogeneity of infection seen among different patients and with different SARS-CoV-2 variants. We applied this model to screen 2100 compounds from targeted drug libraries using an image-based quantification method. While there were heterogeneous responses across variants for host factor targeting compounds, the direct acting antivirals showed a consistent response and we characterized a new antiviral drug that is effective against both the parental strain and the Omicron variant.

SUMMARY Most demographic studies are now associating current smoking status with increased risk of severe COVID-19 and mortality from the disease but there remain many questions about how direct cigarette smoke exposure affects SARS-CoV-2 airway cell infection. We directly exposed mucociliary air-liquid interface (ALI) cultures derived from primary human nonsmoker airway basal stem cells (ABSCs) to short term cigarette smoke and infected them with live SARS-CoV-2. We found an increase in the number of infected airway cells after cigarette smoke exposure as well as an increased number of apoptotic cells. Cigarette smoke exposure alone caused airway injury that resulted in an increased number of ABSCs, which proliferate to repair the airway. But we found that acute SARS-CoV-2 infection or the combination of exposure to cigarette smoke and SARS-CoV-2 did not induce ABSC proliferation. We set out to examine the underlying mechanism governing the increased susceptibility of cigarette smoke exposed ALI to SARS-CoV-2 infection. Single cell profiling of the cultures showed that infected airway cells displayed a global reduction in gene expression across all airway cell types. Interestingly, interferon response genes were induced in SARS-CoV-2 infected airway epithelial cells in the ALI cultures but smoking exposure together with SARS-CoV-2 infection reduced the interferon response. Treatment of cigarette smoke-exposed ALI cultures with Interferon β-1 abrogated the viral infection, suggesting that the lack of interferon response in the cigarette smoke-exposed ALI cultures allows for more severe viral infection and cell death. In summary, our data show that acute smoke exposure allows for more severe proximal airway epithelial disease from SARS-CoV-2 by reducing the mucosal innate immune response and ABSC proliferation and has implications for disease spread and severity in people exposed to cigarette smoke.