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.

Abstract Simultaneous measurement of surface proteins and gene expression within single cells using oligo-conjugated antibodies offers high resolution snapshots of complex cell populations. Signal from oligo-conjugated antibodies is quantified by high-throughput sequencing and is highly scalable and sensitive. In this study, we investigated the response of oligo-conjugated antibodies towards four variables: Concentration, staining volume, cell number at staining, and tissue. We find that staining with recommended antibody concentrations cause unnecessarily high background and that concentrations can be drastically reduced without loss of biological information. Reducing volume only affects antibodies targeting abundant epitopes used at low concentrations and is counteracted by reducing cell numbers. Adjusting concentrations increases signal, lowers background and reduces costs. Background signal can account for a major fraction of the total sequencing and is primarily derived from antibodies used at high concentrations. Together, this study provides new insight into the titration response and background of oligo-conjugated antibodies and offers concrete guidelines on how such panels can be improved. Impact statement Oligo-conjugated antibodies are a powerful tool but require thorough optimization to reduce background signal, increase sensitivity, and reduce sequencing costs.

Abstract Lung cancer treatment has benefited greatly from the development of effective immune-based therapies. However, these strategies still fail in a large subset of patients. Tumor-intrinsic mutations can drive immune evasion via recruiting immunosuppressive populations or suppressing anti-tumor immune responses. KEAP1 is one of the most frequently mutated genes in lung adenocarcinoma patients and is associated with poor prognosis and inferior response to all therapies, including checkpoint blockade. Here, we established a novel antigenic lung cancer model and showed that Keap1-mutant tumors promote dramatic remodeling of the tumor immune microenvironment. Combining single-cell technology and depletion studies, we demonstrate that Keap1-mutant tumors diminish dendritic cell and T cell responses driving immunotherapy resistance. Importantly, analysis of KEAP1 mutant patient tumors revealed analogous decrease in dendritic cell and T cell infiltration. Our study provides new insight into the role of KEAP1 mutations in promoting immune evasion and suggests a path to novel immune-based therapeutic strategies for KEAP1 mutant lung cancer. Statement of significance This study establishes that tumor-intrinsic KEAP1 mutations contribute to immune evasion through suppression of dendritic cell and T cell responses, explaining the observed resistance to immunotherapy of KEAP1 mutant tumors. These results highlight the importance of stratifying patients based on KEAP1 status and paves the way for novel therapeutic strategies.

Abstract Loss-of-function mutations in KEAP1 frequently occur in lung cancer and are associated with resistance to standard of care treatment, highlighting the need for the development of targeted therapies. We have previously shown that KEAP1 mutant tumors have increased glutamine consumption to support the metabolic rewiring associated with NRF2 activation. Here, using patient-derived xenograft models and antigenic orthotopic lung cancer models, we show that the novel glutamine antagonist DRP-104 impairs the growth of KEAP1 mutant tumors. We find that DRP-104 suppresses KEAP1 mutant tumor growth by inhibiting glutamine-dependent nucleotide synthesis and promoting anti-tumor CD4 and CD8 T cell responses. Using multimodal single-cell sequencing and ex vivo functional assays, we discover that DRP-104 reverses T cell exhaustion and enhances the function of CD4 and CD8 T cells culminating in an improved response to anti-PD1 therapy. Our pre-clinical findings provide compelling evidence that DRP-104, currently in phase 1 clinical trials, offers a promising therapeutic approach for treating patients with KEAP1 mutant lung cancer. Furthermore, we demonstrate that by combining DRP-104 with checkpoint inhibition, we can achieve suppression of tumor intrinsic metabolism and augmentation of anti-tumor T cell responses.

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.

Summary Adaptive immune responses are induced by vaccination and infection, yet little is known about how CD4+ T cell memory differs when primed in these two contexts. Notably, viral infection is generally associated with higher levels of systemic inflammation than is vaccination. To assess whether the inflammatory milieu at the time of CD4+ T cell priming has long-term effects on memory, we compared Spike-specific memory CD4+ T cells in 22 individuals around the time of the participants’ third SARS-CoV-2 mRNA vaccination, with stratification by whether the participants’ first exposure to Spike was via virus or mRNA vaccine. Multimodal single-cell profiling of Spike-specific CD4+ T cells revealed 755 differentially expressed genes that distinguished infection- and vaccine-primed memory CD4+ T cells. Spike-specific CD4+ T cells from infection-primed individuals had strong enrichment for cytotoxicity and interferon signaling genes, whereas Spike-specific CD4+ T cells from vaccine-primed individuals were enriched for proliferative pathways by gene set enrichment analysis. Moreover, Spike-specific memory CD4+ T cells established by infection had distinct epigenetic landscapes driven by enrichment of IRF-family transcription factors, relative to T cells established by mRNA vaccination. This transcriptional imprint was minimally altered following subsequent mRNA vaccination or breakthrough infection, reflecting the strong bias induced by the inflammatory environment during initial memory differentiation. Together, these data suggest that the inflammatory context during CD4+ T cell priming is durably imprinted in the memory state at transcriptional and epigenetic levels, which has implications for personalization of vaccination based on prior infection history. One Sentence Summary SARS-CoV-2 infection versus SARS-CoV-2 mRNA vaccination prime durable transcriptionally and epigenetically distinct Spike-specific CD4+ T cell memory landscapes.

Memory CD4 T cells are critical to human immunity, yet it is unclear whether viral inflammation during memory formation has long-term consequences. Here, we compared transcriptional and epigenetic landscapes of Spike (S)–specific memory CD4 T cells in 24 individuals whose first exposure to S was via SARS-CoV-2 infection or mRNA vaccination. Nearly 2 years after memory formation, S-specific CD4 T cells established by infection remained enriched for transcripts related to cytotoxicity and for interferon-stimulated genes, likely because of a chromatin accessibility landscape altered by inflammation. Moreover, S-specific CD4 T cells primed by infection had reduced proliferative capacity in vitro relative to vaccine-primed cells. Furthermore, the transcriptional state of S-specific memory CD4 T cells was minimally altered by booster immunization and/or breakthrough infection. Thus, infection-associated inflammation durably imprints CD4 T cell memory, which affects the function of these cells and may have consequences for long-term immunity.