For dengue viruses 1 to 4 (DENV1-4), a specific range of antibody titer has been shown to enhance viral replication in vitro and severe disease in animal models. Although suspected, such antibody-dependent enhancement of severe disease has not been shown to occur in humans. Using multiple statistical approaches to study a long-term pediatric cohort in Nicaragua, we show that risk of severe dengue disease is highest within a narrow range of preexisting anti-DENV antibody titers. By contrast, we observe protection from all symptomatic dengue disease at high antibody titers. Thus, immune correlates of severe dengue must be evaluated separately from correlates of protection against symptomatic disease. These results have implications for studies of dengue pathogenesis and for vaccine development, because enhancement, not just lack of protection, is of concern.

Characterizing the Zika virus antibody response Given the public health emergency that Zika virus poses, scientists are seeking to understand the Zika-specific immune response. Stettler et al. analyzed 119 monoclonal antibodies isolated from four donors that were infected with Zika virus during the present epidemic, including two individuals that had previously been infected with dengue virus, another member of the flavivirus family. Neutralizing antibodies primarily recognized the envelope protein domain III (EDIII) or quaternary epitopes on the intact virus, and an EDIII-targeted antibody protected mice against lethal infection. Some EDI/II-targeting antibodies cross-reacted with dengue virus in vitro and could enhance disease in dengue-infected mice. Whether dengue and Zika virus antibodies cross-react in humans remains to be tested. Science , this issue p. 823

Antibodies protect against homologous Dengue virus (DENV) infection but can precipitate severe dengue by promoting heterotypic virus entry via Fcγ receptors (FcγR). We immortalized memory B cells from individuals after primary or secondary infection and analyzed anti-DENV monoclonal antibodies (mAbs) thus generated. MAbs to envelope (E) protein domain III (DIII) were either serotype specific or cross-reactive and potently neutralized DENV infection. DI/DII- or viral membrane protein prM-reactive mAbs neutralized poorly and showed broad cross-reactivity with the four DENV serotypes. All mAbs enhanced infection at subneutralizing concentrations. Three mAbs targeting distinct epitopes on the four DENV serotypes and engineered to prevent FcγR binding did not enhance infection and neutralized DENV in vitro and in vivo as postexposure therapy in a mouse model of lethal DENV infection. Our findings reveal an unexpected degree of cross-reactivity in human antibodies against DENV and illustrate the potential for an antibody-based therapy to control severe dengue.

Abstract Over the past two decades, dengue virus serotype 3 (DENV-3) has caused unexpected epidemics of dengue hemorrhagic fever (DHF) in Sri Lanka, East Africa, and Latin America. We used a phylogenetic approach to evaluate the roles of virus evolution and transport in the emergence of these outbreaks. Isolates from these geographically distant epidemics are closely related and belong to DENV-3, subtype III, which originated in the Indian subcontinent. The emergence of DHF in Sri Lanka in 1989 correlated with the appearance there of a new DENV-3, subtype III variant. This variant likely spread from the Indian subcontinent into Africa in the 1980s and from Africa into Latin America in the mid-1990s. DENV-3, subtype III isolates from mild and severe disease outbreaks formed genetically distinct groups, which suggests a role for viral genetics in DHF.

Zika virus (ZIKV) infection during pregnancy is linked to severe birth defects, but mother-to-fetus transmission routes are unknown. We infected different primary cell types from mid- and late-gestation placentas and explants from first-trimester chorionic villi with the prototype Ugandan and a recently isolated Nicaraguan ZIKV strain. ZIKV infects primary human placental cells and explants—cytotrophoblasts, endothelial cells, fibroblasts, and Hofbauer cells in chorionic villi and amniotic epithelial cells and trophoblast progenitors in amniochorionic membranes—that express Axl, Tyro3, and/or TIM1 viral entry cofactors. ZIKV produced NS3 and E proteins and generated higher viral titers in amniotic epithelial cells from mid-gestation compared to late-gestation placentas. Duramycin, a peptide that binds phosphatidylethanolamine in enveloped virions and precludes TIM1 binding, reduced ZIKV infection in placental cells and explants. Our results suggest that ZIKV spreads from basal and parietal decidua to chorionic villi and amniochorionic membranes and that targeting TIM1 could suppress infection at the uterine-placental interface.

The four dengue virus serotypes (DENV1 to DENV4) are mosquito-borne flaviviruses that cause up to ~100 million cases of dengue annually worldwide. Severe disease is thought to result from immunopathogenic processes involving serotype cross-reactive antibodies and T cells that together induce vasoactive cytokines, causing vascular leakage that leads to shock. However, no viral proteins have been directly implicated in triggering endothelial permeability, which results in vascular leakage. DENV nonstructural protein 1 (NS1) is secreted and circulates in patients' blood during acute infection; high levels of NS1 are associated with severe disease. We show that inoculation of mice with DENV NS1 alone induces both vascular leakage and production of key inflammatory cytokines. Furthermore, simultaneous administration of NS1 with a sublethal dose of DENV2 results in a lethal vascular leak syndrome. We also demonstrate that NS1 from DENV1, DENV2, DENV3, and DENV4 triggers endothelial barrier dysfunction, causing increased permeability of human endothelial cell monolayers in vitro. These pathogenic effects of physiologically relevant amounts of NS1 in vivo and in vitro were blocked by NS1-immune polyclonal mouse serum or monoclonal antibodies to NS1, and immunization of mice with NS1 from DENV1 to DENV4 protected against lethal DENV2 challenge. These findings add an important and previously overlooked component to the causes of dengue vascular leak, identify a new potential target for dengue therapeutics, and support inclusion of NS1 in dengue vaccines.

Immunity to one of the four dengue virus (DV) serotypes can increase disease severity in humans upon subsequent infection with another DV serotype. Serotype cross-reactive antibodies facilitate DV infection of myeloid cells in vitro by promoting virus entry via Fcgamma receptors (FcgammaR), a process known as antibody-dependent enhancement (ADE). However, despite decades of investigation, no in vivo model for antibody enhancement of dengue disease severity has been described. Analogous to human infants who receive anti-DV antibodies by transplacental transfer and develop severe dengue disease during primary infection, we show here that passive administration of anti-DV antibodies is sufficient to enhance DV infection and disease in mice using both mouse-adapted and clinical DV isolates. Antibody-enhanced lethal disease featured many of the hallmarks of severe dengue disease in humans, including thrombocytopenia, vascular leakage, elevated serum cytokine levels, and increased systemic viral burden in serum and tissue phagocytes. Passive transfer of a high dose of serotype-specific antibodies eliminated viremia, but lower doses of these antibodies or cross-reactive polyclonal or monoclonal antibodies all enhanced disease in vivo even when antibody levels were neutralizing in vitro. In contrast, a genetically engineered antibody variant (E60-N297Q) that cannot bind FcgammaR exhibited prophylactic and therapeutic efficacy against ADE-induced lethal challenge. These observations provide insight into the pathogenesis of antibody-enhanced dengue disease and identify a novel strategy for the design of therapeutic antibodies against dengue.

The global spread of dengue virus (DENV) infections has increased viral genetic diversity, some of which appears associated with greater epidemic potential. The mechanisms governing viral fitness in epidemiological settings, however, remain poorly defined. We identified a determinant of fitness in a foreign dominant (PR-2B) DENV serotype 2 (DENV-2) clade, which emerged during the 1994 epidemic in Puerto Rico and replaced an endemic (PR-1) DENV-2 clade. The PR-2B DENV-2 produced increased levels of subgenomic flavivirus RNA (sfRNA) relative to genomic RNA during replication. PR-2B sfRNA showed sequence-dependent binding to and prevention of tripartite motif 25 (TRIM25) deubiquitylation, which is critical for sustained and amplified retinoic acid-inducible gene 1 (RIG-I)-induced type I interferon expression. Our findings demonstrate a distinctive viral RNA-host protein interaction to evade the innate immune response for increased epidemiological fitness.

To investigate age-related differences in dengue severity, 114 infants, 1,211 children, and 346 adults with laboratory-confirmed dengue virus (DEN) infections presenting to three hospitals in major urban centers in Nicaragua were recruited from 1999 to 2001. The age distribution of dengue cases and the circulating serotype (predominantly DEN2) were representative of national data. Similar results were obtained when either dengue hemorrhagic fever/dengue shock syndrome or its principal manifestations (vascular permeability, internal hemorrhage, marked thrombocytopenia, and/or shock) were analyzed in relation to age and immune status. The burden of disease and of severe dengue was found predominantly in infants 4-9 months of age and in children 5-9 years old, and secondary DEN infection was a risk factor for severity in children. Age-related differences were identified in the prevalence of specific clinical manifestations as well as in their association with a confirmed DEN diagnosis. This represents one of the few comprehensive studies to analyze characteristics of dengue in infants, children, and adults in the same population and highlights age-related differences in dengue severity.

ABSTRACT Lack of an appropriate animal model for dengue virus (DEN), which causes dengue fever and dengue hemorrhagic fever/dengue shock syndrome (DHF/DSS), has impeded characterization of the mechanisms underlying the disease pathogenesis. The cardinal feature of DHF/DSS, the severe form of DEN infection, is increased vascular permeability. To develop a murine model that is more relevant to DHF/DSS, a novel DEN strain, D2S10, was generated by alternately passaging a non-mouse-adapted DEN strain between mosquito cells and mice, thereby mimicking the natural transmission cycle of the virus between mosquitoes and humans. After infection with D2S10, mice lacking interferon receptors died early without manifesting signs of paralysis, carried infectious virus in both non-neuronal and neuronal tissues, and exhibited signs of increased vascular permeability. In contrast, mice infected with the parental DEN strain developed paralysis at late times after infection, contained detectable levels of virus only in the central nervous system, and displayed normal vascular permeability. In the mice infected with D2S10, but not the parental DEN strain, significant levels of serum tumor necrosis factor alpha (TNF-α) were produced, and the neutralization of TNF-α activity prevented early death of D2S10-infected mice. Sequence analysis comparing D2S10 to its parental strain implicated a conserved region of amino acid residues in the envelope protein as a possible source for the D2S10 phenotype. These results demonstrate that D2S10 causes a more relevant disease in mice and that TNF-α may be one of several key mediators of severe DEN-induced disease in mice. This report represents a significant advance in animal models for severe DEN disease, and it begins to provide mechanistic insights into DEN-induced disease in vivo.