Abstract SARS-CoV-2 is the underlying cause for the COVID-19 pandemic. Like most enveloped RNA viruses, SARS-CoV-2 uses a homotrimeric surface antigen to gain entry into host cells. Here we describe S-Trimer, a native-like trimeric subunit vaccine candidate for COVID-19 based on Trimer-Tag technology. Immunization of S-Trimer with either AS03 (oil-in-water emulsion) or CpG 1018 (TLR9 agonist) plus alum adjuvants induced high-levels of neutralizing antibodies and Th1-biased cellular immune responses in animal models. Moreover, rhesus macaques immunized with adjuvanted S-Trimer were protected from SARS-CoV-2 challenge compared to vehicle controls, based on clinical observations and reduction of viral loads in lungs. Trimer-Tag may be an important new platform technology for scalable production and rapid development of safe and effective subunit vaccines against current and future emerging RNA viruses.

Abstract Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a global pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) that seriously endangers human health. There is an urgent need to build physiological relevant human models for deep understanding the complex organ-level disease processes and facilitating effective therapeutics for COVID-19. Here, we first report the use of microengineered alveolus chip to create a human disease model of lung injury and immune responses induced by native SARS-CoV-2 at organ-level. This biomimetic system is able to reconstitute the key features of human alveolar-capillary barrier by co-culture of alveolar epithelial and microvascular endothelial cells under microfluidic flow. The epithelial cells on chip showed higher susceptibility to SARS-CoV-2 infection than endothelial cells identified by viral spike protein expression. Transcriptional analysis showed distinct responses of two cell types to SARS-CoV-2 infection, including activated type I interferon (IFN-I) signaling pathway in epithelium and activated JAK-STAT signaling pathway in endothelium. Notably, in the presence of circulating immune cells, a series of alveolar pathological changes were observed, including the detachment of endothelial cells, recruitment of immune cells, and increased production of inflammatory cytokines (IL-6, IL-8, IL-1β and TNF-α). These new findings revealed a crucial role of immune cells in mediating lung injury and exacerbated inflammation. Treatment with antiviral compound remdesivir could suppress viral copy and alleviate the disruption of alveolar barrier integrity induced by viral infection. This bioengineered human organ chip system can closely mirror human-relevant lung pathogenesis and immune responses to SARS-CoV-2 infection, not possible by other in vitro models, which provides a promising and alternative platform for COVID-19 research and preclinical trials.

ABSTRACT Coronavirus disease 2019 (COVID-19) caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) has given rise to a global pandemic. The gastrointestinal symptoms of some COVID-19 patients are underestimated. There is an urgent need to develop physiologically relevant model that can accurately reflect human response to viral infection. Here, we report the creation of a biomimetic human intestine infection model on a chip system that allows to recapitulate the intestinal injury and immune response induced by SARS-CoV-2, for the first time. The microengineered intestine-on-chip device contains human intestinal epithelium (co-cultured human intestinal epithelial Caco-2 cells and mucin secreting HT-29 cells) lined in upper channel and vascular endothelium (human umbilical vein endothelial cells, HUVECs) in a parallel lower channel under fluidic flow condition, sandwiched by a porous PDMS membrane coated with extracellular matrix (ECM). At day 3 post-infection of SARS-CoV-2, the intestine epithelium showed high susceptibility to viral infection and obvious morphological changes with destruction of intestinal villus, dispersed distribution of mucus secreting cells and reduced expression of tight junction (E-cadherin), indicating the destruction of mucous layer and the integrity of intestinal barrier caused by virus. Moreover, the endothelium exhibited abnormal cell morphology with disrupted expression of adherent junction protein (VE-cadherin). Transcriptional analysis revealed the abnormal RNA and protein metabolism, as well as activated immune responses in both epithelial and endothelial cells after viral infection (e.g., up-regulated cytokine genes, TNF signaling and NF-kappa B signaling-related genes). This bioengineered in vitro model system can mirror the human relevant pathophysiology and response to viral infection at the organ level, which is not possible in existing in vitro culture systems. It may provide a promising tool to accelerate our understanding of COVID-19 and devising novel therapies.

Abstract SARS-CoV-2 infection-induced hyper-inflammation links to the acute lung injury and COVID-19 severity. Identifying the primary mediators that initiate the uncontrolled hypercytokinemia is essential for treatments. Mast cells (MCs) are strategically located at the mucosa and beneficially or detrimentally regulate immune inflammations. Here we showed that SARS-CoV-2-triggeed MC degranulation initiated alveolar epithelial inflammation and lung injury. SARS-CoV-2 challenge induced MC degranulation in ACE-2 humanized mice and rhesus macaques, and a rapid MC degranulation could be recapitulated with Spike-RBD binding to ACE2 in cells; MC degranulation alterred various signaling pathways in alveolar epithelial cells, particularly, led to the production of pro-inflammatory factors and consequential disruption of tight junctions. Importantly, the administration of clinical MC stabilizers for blocking degranulation dampened SARS-CoV-2-induced production of pro-inflammatory factors and prevented lung injury. These findings uncover a novel mechanism for SARS-CoV-2 initiating lung inflammation, and suggest an off-label use of MC stabilizer as immunomodulators for COVID-19 treatments. Graphical abstract In Brief SARS-CoV-2 triggers an immediate mast cell (MC) degranulation, which initiates the alveolar epithelial inflammation and disrupts the tight junction. MC stabilizers that block degranulation reduce virus-induced lung inflammation and injury. Highlights The binding of RBD of Spike protein of SARS-CoV-2-to ACE2 receptor protein triggers an immediate MC degranulation MC degranulation induces transcriptomic changes include an upregulated inflammatory signaling and a downregulated cell-junction signaling MC degranulation leads to alveolar epithelial inflammation and disruption of tight junctions MC stabilizer that inhibits degranulation reduces SARS-CoV-2-induced lung inflammation and injury in vivo

Abstract Safe and effective vaccination is critical to combatting the COVID-19 pandemic. Here, we developed a trimeric SARS-CoV-2 receptor-binding domain (RBD) subunit vaccine candidate that simulates the natural structure of the spike (S) trimer glycoprotein. Immunization with RBD-trimer induced robust humoral and cellular immune responses and a high level of neutralizing antibodies that were maintained for at least 4 months. Moreover, the antibodies that were produced in response to the vaccine effectively neutralized the SARS-CoV-2 501Y.V2 variant. Of note, when the titers of the antibodies dropped to a sufficiently low level, only one boost quickly activated the anamnestic immune response, resulting in complete protection against the SARS-CoV-2 challenge in rhesus macaques without typical histopathological changes or viral replication in the lungs and other respiratory tissues. Our results indicated that immunization with SARS-CoV-2 RBD-trimer could raise long-term and broad immunity protection in nonhuman primates, thereby offering an optimal vaccination strategy against COVID-19.

Abstract In the search for treatment schemes of COVID-19, we start by examining the general weakness of coronaviruses and then identify approved drugs attacking that weakness. The approach, if successful, should identify drugs with a specific mechanism that is at least as effective as the best drugs proposed and are ready for clinical trials. All coronaviruses translate their non-structural proteins (∼16) in concatenation, resulting in a very large super-protein. Homo-harringtonine (HHT), which has been approved for the treatment of leukemia, blocks protein elongation very effectively. Hence, HHT can repress the replication of many coronaviruses at the nano-molar concentration. In two mouse models, HHT clears SARS-CoV-2 in 3 days, especially by nasal dripping of 40 ug per day. We also use dogs to confirm the safety of HHT delivered by nebulization. The nebulization scheme could be ready for large-scale applications at the onset of the next epidemics. For the current COVID-19, a clinical trial has been approved by the Ditan hospital of Beijing but could not be implemented for want of patients. The protocol is available to qualified medical facilities.

Development of new, effective and affordable drugs against HIV is urgently needed. In this study, we developed a world's first web server called Anti-HIV-Predictor (http://bsb.kiz.ac.cn:70/hivpre) for predicting anti-HIV activity of given compounds. This server is rapid and accurate (accuracy >93% and AUC > 0.958). We applied the server to screen 1835 approved drugs for anti-HIV therapy. Totally 67 drugs were predicted to have anti-HIV activity, 25 of which are anti-HIV drugs. Then we experimentally evaluated 35 predicted new anti-HIV compounds by assays of syncytia formation, p24 quantification, cytotoxicity. Finally, we repurposed 7 approved drugs (cetrorelix, dalbavancin, daunorubicin, doxorubicin, epirubicin, idarubicin and valrubicin) as new anti-HIV agents. The original indication of these drugs is involved in a variety of diseases such as female infertility and cancer. Anti-HIV-Predictor and the 7 repurposed anti-HIV agents provided here demonstrate the efficacy of this strategy for discovery of new anti-HIV agents.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused a global crisis, urgently necessitating the development of safe, efficacious, convenient-to-store, and low-cost vaccine options. A major challenge is that the receptor-binding domain (RBD)-only vaccine fails to trigger long-lasting protective immunity if used solely for vaccination. To enhance antigen processing and cross-presentation in draining lymph nodes (DLNs), we developed an interferon (IFN)-armed RBD dimerized by immunoglobulin fragment (I-R-F). I-R-F efficiently directs immunity against RBD to DLN. A low dose of I-R-F induces not only high titer long-lasting neutralizing antibodies but also comprehensive T cell responses than RBD, and even provides comprehensive protection in one dose without adjuvant. This study shows that the I-R-F vaccine provides rapid and complete protection throughout upper and lower respiratory tracts against high dose SARS-CoV-2 challenge in rhesus macaques. Due to its potency and safety, this engineered vaccine may become one of the next-generation vaccine candidates in the global race to defeat COVID-19.

Abstract Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is a major cell entry receptor for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Induction of ACE2 expression may represent an effective tactic employed by SARS-CoV-2 to facilitate its own propagation. However, the regulatory mechanisms of ACE2 expression after viral infection remain largely unknown. By employing an array of 45 different luciferase reporters, we identify that the transcription factor Sp1 positively and HNF4α negatively regulate the expression of ACE2 at the transcriptional levels in HPAEpiC cells, a human lung epithelial cell line. SARS-CoV-2 infection promotes and inhibits the transcription activity of Sp1 and HNF4α, respectively. The PI3K/AKT signaling pathway, which is activated by SARS-CoV-2 infection, is a crucial node for induction of ACE2 expression by increasing Sp1 phosphorylation, an indicator of its activity, and reducing HNF4α nuclear location. Furthermore, we show that colchicine could inhibit the PI3K/AKT signaling pathway, thereby suppressing ACE2 expression. Inhibition of Sp1 by either its inhibitor mithramycin A or colchicine reduces viral replication and tissue injury in Syrian hamsters infected with SARS-CoV-2. In summary, our study uncovers a novel function of Sp1 in regulating ACE2 expression and suggests that Sp1 is a potential target to reduce SARS-CoV-2 infection.

Abstract Background Host response is critical to the onset, progression, and outcome of viral infections. Since viruses hijack the host cellular metabolism for their replications, we hypothesized that restoring host cell metabolism can efficiently reduce viral production. Results Here, we present a viral-host Metabolic Modeling (vhMM) method to systematically evaluate the disturbances in host metabolism in viral infection and computationally identify targets for modulation by integrating genome-wide precision metabolic modeling and cheminformatics. We applied vhMM to SARS-CoV-2 infections and identified consistent changes in host metabolism and gene and endogenous metabolite targets between the original SARS-COV-2 and different variants (Alpha, Delta, and Omicron). Among six compounds predicted for repurposing, methotrexate, cinnamaldehyde , and deferiprone were tested in vitro and effective in inhibiting viral production with IC50 less than 4uM. Further, an analysis of real-world patient data showed that cinnamon usage significantly reduced the SARS-CoV-2 infection rate with an odds ratio of 0.65 [95%CI: 0.55∼0.75]. Conclusions These results demonstrated that vhMM is an efficient method for predicting targets and drugs for viral infections.