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.

We sought to define the host immune response, a.k.a, the "cytokine storm" that has been implicated in fatal COVID-19 using an AI-based approach. Over 45,000 transcriptomic datasets of viral pandemics were analyzed to extract a 166-gene signature using ACE2 as a 'seed' gene; ACE2 was rationalized because it encodes the receptor that facilitates the entry of SARS-CoV-2 (the virus that causes COVID-19) into host cells. Surprisingly, this 166-gene signature was conserved in all vi ral p andemics, including COVID-19, and a subset of 20-genes classified disease severity, inspiring the nomenclatures ViP and severe-ViP signatures, respectively. The ViP signatures pinpointed a paradoxical phenomenon wherein lung epithelial and myeloid cells mount an IL15 cytokine storm, and epithelial and NK cell senescence and apoptosis determines severity/fatality. Precise therapeutic goals were formulated and subsequently validated in high-dose SARS-CoV-2-challenged hamsters using neutralizing antibodies that abrogate SARS-CoV-2•ACE2 engagement or a directly acting antiviral agent, EIDD-2801. IL15/IL15RA were elevated in the lungs of patients with fatal disease, and plasma levels of the cytokine tracked with disease severity. Thus, the ViP signatures provide a quantitative and qualitative framework for titrating the immune response in viral pandemics and may serve as a powerful unbiased tool to rapidly assess disease severity and vet candidate drugs.The host immune response in COVID-19.Evidence before this study: The SARS-CoV-2 pandemic has inspired many groups to find innovative methodologies that can help us understand the host immune response to the virus; unchecked proportions of such immune response have been implicated in fatality. We searched GEO and ArrayExpress that provided many publicly available gene expression data that objectively measure the host immune response in diverse conditions. However, challenges remain in identifying a set of host response events that are common to every condition. There are no studies that provide a reproducible assessment of prognosticators of disease severity, the host response, and therapeutic goals. Consequently, therapeutic trials for COVID-19 have seen many more 'misses' than 'hits'. This work used multiple (> 45,000) gene expression datasets from GEO and ArrayExpress and analyzed them using an unbiased computational approach that relies upon fundamentals of gene expression patterns and mathematical precision when assessing them.Added value of this study: This work identifies a signature that is surprisingly conserved in all viral pandemics, including Covid-19, inspiring the nomenclature ViP-signature. A subset of 20-genes classified disease severity in respiratory pandemics. The ViP signatures pinpointed the nature and source of the 'cytokine storm' mounted by the host. They also helped formulate precise therapeutic goals and rationalized the repurposing of FDA-approved drugs.Implications of all the available evidence: The ViP signatures provide a quantitative and qualitative framework for assessing the immune response in viral pandemics when creating pre-clinical models; they serve as a powerful unbiased tool to rapidly assess disease severity and vet candidate drugs.

Abstract Colorectal cancer (CRC) is the third most prevalent and deadly cancer. Approximately, 15-20 % of CRCs display microsatellite instability (MSI); however, the majority ( 80–85 %) of cases are sporadic and known as microsatellite stable (MSS). Several recent studies indicated that infection and uncontrolled inflammation initiate DNA damage and lead to cancer progression. One of the major microbes, Fusobacterium nucleatum ( Fn ) is highly associated with CRC, but the role of DNA repair in microbe-associated CRC has been largely unknown. Here we show that NEIL2, an oxidized base-specific DNA glycosylase, is significantly downregulated among all the key DNA repair proteins involved in various DNA repair pathways, after infection of Fn with stem-cell-based enteroid-derived monolayers (EDMs) of murine and human healthy subjects. Furthermore, following Fn infection, NEIL2-null mouse-derived EDMs showed significantly higher level of DNA damage, including double strand breaks, and inflammatory cytokines.. Murine CRC model also showed downregulation of the NEIL2 transcript and accumulation of DNA damage. Importantly, analysis of publicly available transcriptomic data showed that the downregulation of NEIL2 is specific for MSS compared to MSI CRCs. We thus conclude that the pathogenic bacterial infection-induced downregulation of NEIL2, and consequent accumulation of DNA damage, play critical roles in the progression of CRC.

In the aftermath of Covid-19, some patients develop a fibrotic lung disease, i.e., p ost- C OVID-19 l ung d isease (PCLD), for which we currently lack insights into pathogenesis, disease models, or treatment options.Using an AI-guided approach, we analyzed > 1000 human lung transcriptomic datasets associated with various lung conditions using two viral pandemic signatures (ViP and sViP) and one covid lung-derived signature. Upon identifying similarities between COVID-19 and idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), we subsequently dissected the basis for such similarity from molecular, cytopathic, and immunologic perspectives using a panel of IPF-specific gene signatures, alongside signatures of alveolar type II (AT2) cytopathies and of prognostic monocyte-driven processes that are known drivers of IPF. Transcriptome-derived findings were used to construct protein-protein interaction (PPI) network to identify the major triggers of AT2 dysfunction. Key findings were validated in hamster and human adult lung organoid (ALO) pre-clinical models of COVID-19 using immunohistochemistry and qPCR.COVID-19 resembles IPF at a fundamental level; it recapitulates the gene expression patterns (ViP and IPF signatures), cytokine storm (IL15-centric), and the AT2 cytopathic changes, e.g., injury, DNA damage, arrest in a transient, damage-induced progenitor state, and senescence-associated secretory phenotype (SASP). These immunocytopathic features were induced in pre-clinical COVID models (ALO and hamster) and reversed with effective anti-CoV-2 therapeutics in hamsters. PPI-network analyses pinpointed ER stress as one of the shared early triggers of both diseases, and IHC studies validated the same in the lungs of deceased subjects with COVID-19 and SARS-CoV-2-challenged hamster lungs. Lungs from tg- mice, in which ER stress is induced specifically in the AT2 cells, faithfully recapitulate the host immune response and alveolar cytopathic changes that are induced by SARS-CoV-2.Like IPF, COVID-19 may be driven by injury-induced ER stress that culminates into progenitor state arrest and SASP in AT2 cells. The ViP signatures in monocytes may be key determinants of prognosis. The insights, signatures, disease models identified here are likely to spur the development of therapies for patients with IPF and other fibrotic interstitial lung diseases.This work was supported by the National Institutes for Health grants R01-GM138385 and AI155696 and funding from the Tobacco-Related disease Research Program (R01RG3780).Severe COVID-19 triggers cellular processes seen in fibrosing Interstitial Lung Disease.Evidence before this study: In its aftermath, the COVID-19 pandemic has left many survivors, almost a third of those who recovered, with a mysterious long-haul form of the disease which culminates in a fibrotic form of interstitial lung disease (post-COVID-19 ILD). Post-COVID-19 ILD remains a largely unknown entity. Currently, we lack insights into the core cytopathic features that drive this condition.Added value of this study: Using an AI-guided approach, which involves the use of sets of gene signatures, protein-protein network analysis, and a hamster model of COVID-19, we have revealed here that COVID-19 -lung fibrosis resembles IPF, the most common form of ILD, at a fundamental levelâ€"showing similar gene expression patterns in the lungs and blood, and dysfunctional AT2 processes (ER stress, telomere instability, progenitor cell arrest, and senescence). These findings are insightful because AT2 cells are known to contain an elegant quality control network to respond to intrinsic or extrinsic stress; a failure of such quality control results in diverse cellular phenotypes, of which ER stress appears to be a point of convergence, which appears to be sufficient to drive downstream fibrotic remodeling in the lung.Implications of all the available evidence: Because unbiased computational methods identified the shared fundamental aspects of gene expression and cellular processes between COVID-19 and IPF, the impact of our findings is likely to go beyond COVID-19 or any viral pandemic. The insights, tools (disease models, gene signatures, and biomarkers), and mechanisms identified here are likely to spur the development of therapies for patients with IPF and, other fibrotic interstitial lung diseases, all of whom have limited or no treatment options. To dissect the validated prognostic biomarkers to assess and track the risk of pulmonary fibrosis and develop therapeutics to halt fibrogenic progression.

ABSTRACT Hypertension (HTN) is associated with inflammation and excessive production of catecholamines. Hypertensive patients have reduced plasma levels of Catestatin (CST), a bioactive cleavage product of the prohormone Chromogranin A (CgA). In mouse models, HTN symptoms can be reduced by administration of CST, but the role of CST in the regulation of cardiovascular function is unknown. In this study, we generated mice with knockout (KO) of the region of the CgA gene coding for CST (CST-KO) and found that CST-KO mice are not only hypertensive as predicted, but also display left ventricular hypertrophy, have marked macrophage infiltration of the heart and adrenal gland, and have elevated levels of pro-inflammatory cytokines and catecholamines. Intraperitoneal injection with CST reversed these phenotypes, and ischemic pre-conditioning-induced cardioprotection was also abolished in CST-KO mice. Experiments with chlodronate depletion of macrophages and bone-marrow transfer showed that macrophages produce CST and that the anti-hypertensive effects of CST are mediated in part via CST’s immunosuppression of macrophages as a form of feedback inhibition. The data thus implicate CST as a key autocrine attenuator of the cardiac inflammation in HTN by reducing macrophage inflammation.

ABSTRACT A computational platform, the Boolean network explorer ( BoNE ), has recently been developed to infuse AI-enhanced precision into drug discovery; it enables querying and navigating invariant Boolean Implication Networks of disease maps for prioritizing high-value targets. Here we used BoNE to query an Inflammatory Bowel Disease (IBD)-map and prioritize a therapeutic strategy that involves dual agonism of two nuclear receptors, PPARα/γ. Balanced agonism of PPARα/γ was predicted to modulate macrophage processes, ameliorate colitis in network-prioritized animal models, ‘reset’ the gene expression network from disease to health, and achieve a favorable therapeutic index that tracked other FDA-approved targets. Predictions were validated using a balanced and potent PPARα/γ-dual agonist (PAR5359) in two pre-clinical murine models, i.e., Citrobacter rodentium -induced infectious colitis and DSS-induced colitis. Using a combination of selective inhibitors and agonists, we show that balanced dual agonism promotes bacterial clearance more efficiently than individual agonists, both in vivo and in vitro . PPARa is required and its agonism is sufficient to induce the pro-inflammatory cytokines and cellular ROS, which are essential for bacterial clearance and immunity, whereas PPARg-agonism blunts these responses, delays microbial clearance and induces the anti-inflammatory cytokine, IL10; balanced dual agonism achieved controlled inflammation while protecting the gut barrier and ‘reversal’ of the transcriptomic network. Furthermore, dual agonism reversed the defective bacterial clearance observed in PBMCs derived from IBD patients. These findings not only deliver a macrophage modulator for use as barrier-protective therapy in IBD, but also highlight the potential of BoNE to rationalize combination therapy.

A significant surge in cases of multisystem inflammatory syndrome in children (MIS-C, also called Pediatric Inflammatory Multisystem Syndrome - PIMS) has been observed amidst the COVID-19 pandemic. MIS-C shares many clinical features with Kawasaki disease (KD), although clinical course and outcomes are divergent. We analyzed whole blood RNA sequences, serum cytokines, and formalin fixed heart tissues from these patients using a computational toolbox of two gene signatures, i.e., the 166-gene viral pandemic (ViP) signature, and its 20-gene severe (s)ViP subset that were developed in the context of SARS-CoV-2 infection and a 13-transcript signature previously demonstrated to be diagnostic for KD. Our analyses revealed that KD and MIS-C are on the same continuum of the host immune response as COVID-19. While both the pediatric syndromes converge upon an IL15/IL15RA -centric cytokine storm, suggestive of shared proximal pathways of immunopathogenesis, they diverge in other laboratory parameters and cardiac phenotypes. The ViP signatures also revealed unique targetable cytokine pathways in MIS-C, place MIS-C farther along in the spectrum in severity compared to KD and pinpoint key clinical (reduced cardiac function) and laboratory (thrombocytopenia and eosinopenia) parameters that can be useful to monitor severity.

ABSTRACT E-cigarette and vaping device use continue to rise, particularly in adolescents and young adults, but the safety of inhaling the multitude of chemicals within e-cigarette aerosols has been questioned. While several studies have evaluated vaping effects on the lungs and heart; effects on the gastrointestinal tract remain unknown. Using established murine models of acute (1 week) and chronic (3 month) daily e-cigarette aerosol inhalation, both with nicotine-containing and vehicle control e-liquids, murine colon transcriptomics and organoid co-culture models, we assessed the effects of e-cigarette use on the gut barrier and mucosal health. Histologic analyses revealed that chronic exposure to nicotine-free e-cigarette aerosols induced mucosal inflammation. Transcriptome analyses revealed that chronic, but not acute, nicotine-free e-cigarette use significantly reduced expression of tight junction markers, including occluding, and drove expression of pro-inflammatory cytokines. Exposure of murine and human enteroid-derived monolayers (EDMs) to nicotine-free e-cigarette aerosols alone, or in co-culture with invasive E. coli, confirmed that repetitive exposure was sufficient to recapitulate the key findings observed in vivo , i.e., barrier-disruption, downregulation of occludin, inflammation, and an accentuated risk of and response to bacterial infection. These data highlight an unexpected harmful effect of e-cigarette use on the gut barrier and pinpoint non-nicotine chemical components common across >90% of e-cigarette e-liquids as the source of harm. Given the ever-expanding importance of the integrity of the gut barrier for host fitness, and impact of gut mucosal inflammation on a multitude of chronic diseases, these findings are broadly relevant to medicine and public health. SIGNIFICANCE The safety of electronic cigarettes has been questioned amidst emerging evidence that they may derail our immune system and increase our susceptibility to infections. Despite these insights, their impact on the most critical entity that separates trillions of microbes from the largest immune system in our body, i.e., the gut barrier, remains unexplored. Using a combination of mouse models, gut transcriptomics, and murine and human gut-derived organoids, here we show that chronic exposure to aerosols of electronic-cigarette disrupts the gut barrier, increases its susceptibility to bacterial infections and triggers inflammation. Given the importance of the gut barrier in the maintenance of immune homeostasis, these findings provide valuable insights into the potential long-term harmful effects of electronic cigarettes on health.

Abstract Aim A ‘leaky’ gut barrier has been implicated in the initiation and progression of a multitude of diseases, e.g., inflammatory bowel disease, irritable bowel syndrome, celiac disease, and colorectal cancers. Here we show how pro-hormone Chromogranin A (CgA), produced by the enteroendocrine cells, and Catestatin (CST: hCgA 352-372 ), the most abundant CgA-derived proteolytic peptide, affect the gut barrier. Methods Colon tissues from region-specific CST-knockout (CST-KO) mice, CgA-knockout (CgA-KO) and WT mice were analyzed by immunohistochemistry, ultrastructural and flowcytometry studies. FITC-dextran assays were used to measure intestinal barrier function. Mice were supplemented with CST or CgA fragment pancreastatin (PST: CgA 250-301 ). The microbial composition of cecum was determined. CgA and CST levels were measured in blood of IBD patients. Results CST-KO mice displayed (i) elongated tight, adherens junctions and desmosomes similar to IBD patients, and (ii) gut inflammation. Consistently, plasma FITC-dextran measurements showed increased intestinal paracellular permeability in the CST-knockout mice. This correlated with a higher ratio of Firmicutes to Bacteroidetes, a dysbiotic pattern commonly encountered in various diseases. Supplementation of CST-knockout mice with recombinant CST restored paracellular permeability and reversed inflammation, whereas CgA-knockout mice supplementation with CST and/or PST in CgA-KO mice showed that intestinal paracellular permeability is regulated by the antagonistic roles of these two peptides: CST reduces and PST increases permeability. Conclusion The pro-hormone CgA regulates the intestinal paracellular permeability. CST is both necessary and sufficient to reduce permeability and primarily acts via antagonizing the effects of PST.