Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the etiological agent of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). There is a dire need for novel effective antivirals to treat COVID-19, as the only approved direct-acting antiviral to date is remdesivir, targeting the viral polymerase complex. A potential alternate target in the viral life cycle is the main SARS-CoV-2 protease 3CL pro (M pro ). The drug candidate PF-00835231 is the active compound of the first anti-3CL pro regimen in clinical trials. Here, we perform a comparative analysis of PF-00835231, the pre-clinical 3CL pro inhibitor GC-376, and the polymerase inhibitor remdesivir, in alveolar basal epithelial cells modified to express ACE2 (A549 +ACE2 cells). We find PF-00835231 with at least similar or higher potency than remdesivir or GC-376. A time-of-drug-addition approach delineates the timing of early SARS-CoV-2 life cycle steps in A549 +ACE2 cells and validates PF-00835231’s early time of action. In a model of the human polarized airway epithelium, both PF-00835231 and remdesivir potently inhibit SARS-CoV-2 at low micromolar concentrations. Finally, we show that the efflux transporter P-glycoprotein, which was previously suggested to diminish PF-00835231’s efficacy based on experiments in monkey kidney Vero E6 cells, does not negatively impact PF-00835231 efficacy in either A549 +ACE2 cells or human polarized airway epithelial cultures. Thus, our study provides in vitro evidence for the potential of PF-00835231 as an effective SARS-CoV-2 antiviral and addresses concerns that emerged based on prior studies in non-human in vitro models. Importance The arsenal of SARS-CoV-2 specific antiviral drugs is extremely limited. Only one direct-acting antiviral drug is currently approved, the viral polymerase inhibitor remdesivir, and it has limited efficacy. Thus, there is a substantial need to develop additional antiviral compounds with minimal side effects and alternate viral targets. One such alternate target is its main protease, 3CL pro (M pro ), an essential component of the SARS-CoV-2 life cycle processing the viral polyprotein into the components of the viral polymerase complex. In this study, we characterize a novel antiviral drug, PF-00835231, which is the active component of the first-in-class 3CL pro -targeting regimen in clinical trials. Using 3D in vitro models of the human airway epithelium, we demonstrate the antiviral potential of PF-00835231 for inhibition of SARS-CoV-2.

The airway epithelium is composed of diverse cell types with specialized functions that mediate homeostasis and protect against respiratory pathogens. Human airway epithelial cultures at air-liquid interface (HAE) are a physiologically relevant in vitro model of this heterogeneous tissue, enabling numerous studies of airway disease 1â€"7 . HAE cultures are classically derived from primary epithelial cells, the relatively limited passage capacity of which can limit experimental methods and study designs. BCi-NS1.1, a previously described and widely used basal cell line engineered to express hTERT, exhibits extended passage lifespan while retaining capacity for differentiation to HAE 5 . However, gene expression and innate immune function in HAE derived from BCi-NS1.1 versus primary cells have not been fully characterized. Here, combining single cell RNA-Seq (scRNA-Seq), immunohistochemistry, and functional experimentation, we confirm at high resolution that BCi-NS1.1 and primary HAE cultures are largely similar in morphology, cell type composition, and overall transcriptional patterns. While we observed cell-type specific expression differences of several interferon stimulated genes in BCi-NS1.1 HAE cultures, we did not observe significant differences in susceptibility to infection with influenza A virus and Staphylococcus aureus . Taken together, our results further support BCi-NS1.1-derived HAE cultures as a valuable tool for the study of airway infectious disease.

Abstract Proteases play key roles in viral replication cycles. They can provide cleavage maturation of viral glycoproteins, processing of viral polyproteins, or disassembly of viral capsids. Thus, proteases constitute ideal targets for antiviral intervention – pharmaceutically, by small molecule inhibitors, or naturally, by host immune responses. Indeed, we and others have shown that individual members of the Serine protease inhibitor (SERPIN) family have specific antiviral function by blocking proteolytic steps inherent to viral replication cycles. Whether additional members of the large SERPIN family possess antiviral activity and whether SERPINs function as part of the antiviral cell-intrinsic immune response, is currently unknown. Here, we found that specific SERPINs are produced upon infection with clinically relevant respiratory viruses in vitro and in vivo , and in concert with classical interferon-stimulated genes. We next developed a structure-based in silico screen to uncover non-canonical SERPIN-protease pairs. We identified several SERPINs with potential antiviral function, including: SERPINE1 targeting cathepsin L, required for SARS-CoV-2 entry; SERPINB8 targeting furin, required for glycoprotein maturation cleavage of numerous viruses; and SERPINB2 targeting adenovirus protease, which suggests the first direct-acting antiviral SERPIN. Our study demonstrates how proteolysis is modulated for antiviral defense and how this process could inform antiviral targets against clinically relevant respiratory pathogens.