ABSTRACT Accumulating evidence suggests that severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection causes various neurological symptoms in coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients. The most dominant immune cells in the brain are microglia. Yet, the relationship between neurological manifestations, neuroinflammation, and host immune response of microglia to SARS-CoV-2 has not been well characterized. Here, we report that SARS-CoV-2 can directly infect human microglia, eliciting M1-like pro-inflammatory responses, followed by cytopathic effects. Specifically, SARS-CoV-2 infected human microglial clone 3 (HMC3), leading to inflammatory activation and cell death. RNA-seq analysis also revealed that ER stress and immune responses were induced in the early and apoptotic processes in the late phase of viral infection. SARS-CoV-2-infected HMC3 showed the M1 phenotype and produced pro-inflammatory cytokines such as interleukin (IL)-1β, IL-6, and tumour necrosis factor α (TNF-α), but not the anti-inflammatory cytokine IL-10. After this pro-inflammatory activation, SARS-CoV-2 infection promoted both intrinsic and extrinsic death receptor-mediated apoptosis in HMC3. Using K18-hACE2 transgenic mice, murine microglia were also infected by intranasal inoculation of SARS-CoV-2. This infection induced the acute production of pro-inflammatory microglial IL-6 and TNF-α and provoked a chronic loss of microglia. Our findings suggest that microglia are potential mediators of SARS-CoV-2-induced neurological problems and, consequently, can be targets of therapeutic strategies against neurological diseases in COVID-19 patients. IMPORTANCE Recent studies reported neurological manifestations and complications in COVID-19 patients, which are associated with neuroinflammation. As microglia are the dominant immune cells in brains, it needs to be elucidate the relationship between neuroinflammation and host immune response of microglia to SARS-CoV-2. Here, we suggest that SARS-CoV-2 can directly infect human microglia with cytopathic effect (CPE) using human microglial clone 3 (HMC3). The infected microglia were promoted to pro-inflammatory activation following apoptotic cell death. This pro-inflammatory activation was accompanied by the high production of pro-inflammatory cytokines, and led to neurotoxic-M1 phenotype polarization. In vivo , murine microglia were infected and produced pro-inflammatory cytokines and provoked a chronic loss using K18-hACE2 mice. Thus, our data present that SARS-CoV-2-infected microglia are potential mediators of neurological problems in COVID-19 patients. In addition, HMC3 cells are susceptible to SARS-CoV-2 and exhibit the CPE, which can be further used to investigate cellular and molecular mechanisms of neuroinflammation reported in COVID-19 patients.

ABSTRACT SARS-CoV-2, like other RNA viruses, has a propensity for genetic evolution owing to the low fidelity of its viral polymerase. This evolution results in the emergence of novel variants with different characteristics than their ancestral strain. Several recent reports have described a series of novel SARS-CoV-2 variants. Some of these have been identified as variants of concern (VOCs), including alpha (B.1.1.7, Clade GRY), beta (B.1.351, Clade GH), gamma (P.1, Clade GR), and delta (B.1.617.2, Clade G). VOCs are likely to have some effect on transmissibility, antibody evasion, and changes in therapeutic or vaccine effectiveness. However, the physiological and virological understanding of these variants remains poor. We demonstrated that these four VOCs exhibited differences in plaque size, thermal stability at physiological temperature, and replication rates. The mean plaque size of beta was the largest, followed by those of gamma, delta, and alpha. Thermal stability, evaluated by measuring infectivity and half-life after prolonged incubation at physiological temperature, was correlated with plaque size in all variants except alpha. However, despite its relatively high thermal stability, alpha’s small plaque size resulted in lower replication rates and fewer progeny viruses. Our findings may inform further virological studies of SARS-CoV-2 variant characteristics, VOCs, and variants of interest. These studies are important for the effective management of the COVID-19 pandemic. IMPORTANCE The global pandemic caused by SARS-CoV-2 continues to persist, due in part to mutations that have resulted in the emergence of different variants. Many of these variants have become more virulent and infectious than their ancestral strain, resulting in an ever-increasing spread. However, our virological understanding of these variants remains poor. Here, we directly compared the plaque size, stability, and replication kinetics of four SARS-CoV-2 variants of concern following prolonged incubation at physiological temperatures. Our observations may help to characterize each variant in terms of their interactions with host factors and responses to environmental conditions. We also believe that our evaluations will improve understanding of the emergence of new variants and contribute to controlling their spread.

Abstract Mouse models expressing human ACE2 for coronavirus disease 2019 have been frequently used to understand its pathogenesis and develop therapeutic strategies against SARS-CoV-2. Given that human TMPRSS2 supports viral entry, replication, and pathogenesis, we established a double-transgenic mouse model expressing both human ACE2 and TMPRSS2 for SARS-CoV-2 infection. Co-overexpression of both genes increased viral infectivity in vitro and in vivo. Double-transgenic mice showed significant body weight loss, clinical disease symptoms, acute lung injury, lung inflammation, and lethality in response to viral infection, indicating that they were highly susceptible to SARS-CoV-2. Pretreatment with the TMPRSS2 inhibitor, nafamostat, effectively reduced virus-induced weight loss, viral replication, and mortality in the double-transgenic mice. Moreover, the susceptibility and differential pathogenesis of SARS-CoV-2 variants were demonstrated in this animal model. Together, our results demonstrate that double-transgenic mice could provide a highly susceptible mouse model for viral infection to understand SARS-CoV-2 pathogenesis and evaluate antiviral therapeutics against coronavirus disease 2019.

Abstract Although ocular manifestations are commonly reported in patients with coronavirus disease 2019 (COVID-19), there is currently no consensus on ocular tropism of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). To investigate this, we infected K18-hACE2 mice with SARS-CoV-2 using various routes. We observed ocular manifestation and retinal inflammation with cytokine production in the eyes of intranasally (IN) infected mice. An intratracheal (IT) injection resulted in virus spread from the lungs to the brain and eyes via trigeminal and optic nerves. Ocular and neuronal invasion were confirmed by an intracerebral (IC) infection. Notably, eye-dropped (ED) virus did not infect the lungs and was undetectable with time. Using infectious SARS-CoV-2-mCherry clones, we demonstrated the ocular and neurotropic distribution of the virus in vivo by a fluorescence-imaging system. Evidence for the ocular tropic and neuroinvasive characteristics of SARS-CoV-2 was confirmed in wild-type Syrian hamsters. Our data provides further understanding of the viral transmission; SARS-CoV-2 clinical characteristics; and COVID-19 control procedures. Summary SARS-CoV-2 can spread from the respiratory tract to the brain and eyes via trigeminal and optic nerves in animal models. This ocular tropism of SARS-CoV-2 through neuronal invasion likely causes ocular manifestation and retinal inflammation. Graphical Abstract

Abstract During the 2015/16 Zika virus (ZIKV) epidemic, ZIKV associated neurological diseases were reported in adults, including microcephaly, Guillain-Barre syndrome, myelitis, meningoencephalitis, and fatal encephalitis. However, the mechanisms underlying the neuropathogenesis of ZIKV infection are not yet fully understood. In this study, we used an adult ZIKV-infection mouse model ( Ifnar1 −/− ) to investigate the mechanisms underlying neuroinflammation and neuropathogenesis. ZIKV infection induced the expression of proinflammatory cytokines, including IL-1β, IL-6, IFN-γ, and TNF-α, in the brains of Ifnar1 −/− mice. RNA-seq analysis of the infected mouse brain also revealed that genes involved in innate immune responses and cytokine-mediated signaling pathways were significantly upregulated at 6 days post infection. Furthermore, ZIKV infection induced macrophage infiltration and activation, and augmented IL-1β expression, whereas microgliosis was not observed in the brain. Using human monocyte THP-1 cells, we confirmed that ZIKV infection promotes inflammatory cell death and increases IL-1β secretion. In addition, the expression of complement component C3, which is associated with neurodegenerative diseases and known to be upregulated by proinflammatory cytokines, was induced by ZIKV infection through the IL-1β-mediated pathway. An increase in C5a produced by complement activation in the brains of ZIKV-infected mice was also confirmed. Taken together, our results suggest that ZIKV infection of the brain in this animal model augments IL-1β expression in infiltrating macrophages and elicits IL-1β-mediated inflammation, which can lead to the destructive consequences of neuroinflammation. Importance Zika virus (ZIKV) associated neurological impairments are an important global health problem. Our results suggest that ZIKV infection of the mouse brain can induce IL-1β-mediated inflammation and complement activation, contributing to the development of neurological disorders. Thus, our findings reveal a mechanism by which ZIKV induces neuroinflammation in the mouse brain. Although we used adult type I IFN receptor IFNAR knockout ( Ifnar1 −/− ) mice owing to the limited mouse model of ZIKV pathogenesis, our conclusion could contribute to understanding ZIKV associated neurological diseases to develop treatment strategies based on these findings for the patients with ZIKV infection.