The emergence and ensuing dominance of COVID-19 on the world stage has emphasized the urgency of efficient animal models for the development of therapeutics for and assessment of immune responses to SARS-CoV-2 infection. Shortcomings of current animal models for SARS-CoV-2 include limited lower respiratory disease, divergence from clinical COVID-19 disease, and requirements for host genetic modifications to permit infection. In this study, n = 12 specific-pathogen-free domestic cats were infected intratracheally with SARS-CoV-2 to evaluate clinical disease, histopathologic lesions, and viral infection kinetics at 4 and 8 days post-inoculation; n = 6 sham-inoculated cats served as controls. Intratracheal inoculation of SARS-CoV-2 produced a significant degree of clinical disease (lethargy, fever, dyspnea, and dry cough) consistent with that observed in the early exudative phase of COVID-19. Pulmonary lesions such as diffuse alveolar damage, hyaline membrane formation, fibrin deposition, and proteinaceous exudates were also observed with SARS-CoV-2 infection, replicating lesions identified in people hospitalized with ARDS from COVID-19. A significant correlation was observed between the degree of clinical disease identified in infected cats and pulmonary lesions. Viral loads and ACE2 expression were also quantified in nasal turbinates, distal trachea, lungs, and other organs. Results of this study validate a feline model for SARS-CoV-2 infection that results in clinical disease and histopathologic lesions consistent with acute COVID-19 in humans, thus encouraging its use for future translational studies.

Abstract SARS-CoV-2 induces a wide range of disease severity ranging from asymptomatic infection, to a life-threating illness, particularly in the elderly and persons with comorbid conditions. Among those persons with serious COVID-19 disease, acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a common and often fatal presentation. Animal models of SARS-CoV-2 infection that manifest severe disease are needed to investigate the pathogenesis of COVID-19 induced ARDS and evaluate therapeutic strategies. Here we report ARDS in two aged African green monkeys (AGMs) infected with SARS-CoV-2 that demonstrated pathological lesions and disease similar to severe COVID-19 in humans. We also report a comparatively mild COVID-19 phenotype characterized by minor clinical, radiographic and histopathologic changes in the two surviving, aged AGMs and four rhesus macaques (RMs) infected with SARS-CoV-2. We found dramatic increases in circulating cytokines in three of four infected, aged AGMs but not in infected RMs. All of the AGMs showed increased levels of plasma IL-6 compared to baseline, a predictive marker and presumptive therapeutic target in humans infected with SARS-CoV-2 infection. Together, our results show that both RM and AGM are capable of modeling SARS-CoV-2 infection and suggest that aged AGMs may be useful for modeling severe disease manifestations including ARDS.

Abstract The emergence and ensuing dominance of COVID-19 on the world stage has emphasized the urgency of efficient animal models for the development of therapeutics and assessment of immune responses to SARS-CoV-2 infection. Shortcomings of current animal models for SARS-CoV-2 include limited lower respiratory disease, divergence from clinical COVID-19 disease, and requirements for host genetic modifications to permit infection. This study validates a feline model for SARS-CoV-2 infection that results in clinical disease and histopathologic lesions consistent with severe COVID-19 in humans. Intra-tracheal inoculation of concentrated SARS-CoV-2 caused infected cats to develop clinical disease consistent with that observed in the early exudative phase of COVID-19. A novel clinical scoring system for feline respiratory disease was developed and utilized, documenting a significant degree of lethargy, fever, dyspnea, and dry cough in infected cats. In addition, histopathologic pulmonary lesions such as diffuse alveolar damage, hyaline membrane formation, fibrin deposition, and proteinaceous exudates were observed due to SARS-CoV-2 infection, imitating lesions identified in people hospitalized with ARDS from COVID-19. A significant correlation exists between the degree of clinical disease identified in infected cats and pulmonary lesions. Viral loads and ACE2 expression were quantified in nasal turbinates, distal trachea, lung, and various other organs. Natural ACE2 expression, paired with clinicopathologic correlates between this feline model and human COVID-19, encourage use of this model for future translational studies. Author Summary Identifying an ideal animal model to study COVID-19 has been difficult, and current models come with challenges that restrict their potential in translational studies. Few lab animals naturally express the receptors necessary for viral infection (ACE2), and many fail to manifest clinical signs or pathology similar to that seen in humans. Other models (non-human primates, mink) are ideal for disease and transmission studies, but are restricted by cost, husbandry challenges, and scarce availability. Alternatively, cats naturally express ACE2 receptors, are naturally infected with SARS-CoV-2 and can transmit virus from cat-to-cat. Prior to this study, cats infected by oral/nasal routes have not displayed significant clinical disease or lung pathology. However, we demonstrate that direct inoculation of concentrated SARS-CoV-2 virus in the trachea of cats induces analogous clinical and pathologic features to hospitalized patients with acute COVID-19. Our results show that infected cats exhibit significant clinical signs during experimental infection (coughing, increased respiratory effort, lethargy, and fever) and exhibit extensive lung lesions that mimic severe COVID-19 pathology such as diffuse alveolar damage and hyaline membrane formation – highlighting the immeasurable potential for this feline model to address translational approaches for COVID-19 and to better understand the role of cats in transmission and disease.

The systemic nature of SARS-CoV-2 infection is highly recognized, but poorly characterized. A non-invasive and unbiased method is needed to clarify whole body spatiotemporal dynamics of SARS-CoV-2 infection after transmission. We recently developed a probe based on the anti-SARS-CoV-2 spike antibody CR3022 to study SARS-CoV-2 pathogenesis in vivo. Herein, we describe its use in immunoPET to investigate SARS-CoV-2 infection of three rhesus macaques. Using PET/CT imaging of macaques at different times post-SARS-CoV-2 inoculation, we track the 64Cu-labelled CR3022-F(ab')2 probe targeting the spike protein of SARS-CoV-2 to study the dynamics of infection within the respiratory tract and uncover novel sites of infection. Using this method, we uncovered differences in lung pathology between infection with the WA1 isolate and the delta variant, which were readily corroborated through computed tomography scans. The 64Cu-CR3022-probe also demonstrated dynamic changes occurring between 1- and 2-weeks post-infection. Remarkably, a robust signal was seen in the male genital tract (MGT) of all three animals studied. Infection of the MGT was validated by immunofluorescence imaging of infected cells in the testicular and penile tissue and severe pathology was observed in the testes of one animal at 2-weeks post-infection. The results presented here underscore the utility of using immunoPET to study the dynamics of SARS-CoV-2 infection to understand its pathogenicity and discover new anatomical sites of viral replication. We provide direct evidence for SARS-CoV-2 infection of the MGT in rhesus macaques revealing the possible pathologic outcomes of viral replication at these sites.

Abstract The novel coronavirus SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19 disease, has killed over four million people worldwide as of July 2021 with infections rising again due to the emergence of highly transmissible variants. Animal models that faithfully recapitulate human disease are critical for assessing SARS-CoV-2 viral and immune dynamics, for understanding mechanisms of disease, and for testing vaccines and therapeutics. Pigtail macaques (PTM, Macaca nemestrina ) demonstrate a rapid and severe disease course when infected with simian immunodeficiency virus (SIV), including the development of severe cardiovascular symptoms that are pertinent to COVID-19 manifestations in humans. We thus proposed this species may likewise exhibit severe COVID-19 disease upon infection with SARS-CoV-2. Here, we extensively studied a cohort of SARS-CoV-2-infected PTM euthanized either 6- or 21-days after respiratory viral challenge. We show that PTM demonstrate largely mild-to-moderate COVID-19 disease. Pulmonary infiltrates were dominated by T cells, including CD4+ T cells that upregulate CD8 and express cytotoxic molecules, as well as virus-targeting T cells that were predominantly CD4+. We also noted increases in inflammatory and coagulation markers in blood, pulmonary pathologic lesions, and the development of neutralizing antibodies. Together, our data demonstrate that SARS-CoV-2 infection of PTM recapitulates important features of COVID-19 and reveals new immune and viral dynamics and thus may serve as a useful animal model for studying pathogenesis and testing vaccines and therapeutics.

Obesity is a risk factor for developing severe COVID-19. However, the mechanism underlying obesity-accelerated COVID-19 remains unclear. Here, we report results from a study in which 2-3-month-old K18-hACE2 (K18) mice were fed a western high-fat diet (WD) or normal chow (NC) over 3 months before intranasal infection with a sublethal dose of SARS-CoV2 WA1 (a strain ancestral to the Wuhan variant). After infection, the WD-fed K18 mice lost significantly more body weight and had more severe lung inflammation than normal chow (NC)-fed mice. Bulk RNA-seq analysis of lungs and adipose tissue revealed a diverse landscape of various immune cells, inflammatory markers, and pathways upregulated in the infected WD-fed K18 mice when compared with the infected NC-fed control mice. The transcript levels of IL-6, an important marker of COVID-19 disease severity, were upregulated in the lung at 6-9 days post-infection in the WD-fed mice when compared to NC-fed mice. Transcriptome analysis of the lung and adipose tissue obtained from deceased COVID-19 patients found that the obese patients had an increase in the expression of genes and the activation of pathways associated with inflammation as compared to normal-weight patients (n = 2). The K18 mouse model and human COVID-19 patient data support a link between inflammation and an obesity-accelerated COVID-19 disease phenotype. These results also indicate that obesity-accelerated severe COVID-19 caused by SARS-CoV-2 WA1 infection in the K18 mouse model would be a suitable model for dissecting the cellular and molecular mechanisms underlying pathogenesis.

ABSTRACT Background Lyme neuroborreliosis, caused by the bacterium Borrelia burgdorferi affects both the central and peripheral nervous systems (CNS, PNS). The CNS manifestations, especially at later stages, can mimic/cause many other neurological conditions including psychiatric disorders, dementia, and others, with a likely neuroinflammatory basis. The pathogenic mechanisms associated with Lyme neuroborreliosis, however, are not fully understood. Methods In this study, using cultures of primary rhesus microglia, we explored the roles of several fibroblast growth factor receptors (FGFRs) and fibroblast growth factors (FGFs) in neuroinflammation associated with live B. burgdorferi exposure. FGFR specific siRNA and inhibitors, custom antibody arrays, ELISAs, immunofluorescence and microscopy were used to comprehensively analyze the roles of these molecules in microglial neuroinflammation due to B. burgdorferi . Results FGFR1- 3 expressions were upregulated in microglia in response to B. burgdorferi . Inhibition of FGFR 1, 2 and 3 signaling using siRNA and three different inhibitors showed that FGFR signaling is proinflammatory in response to the Lyme disease bacterium. FGFR1 activation also contributed to non-viable B. burgdorferi mediated neuroinflammation. Analysis of the B. burgdorferi conditioned microglial medium by a custom antibody array showed that several FGFs are induced by the live bacterium including FGF6, FGF10 and FGF12, which in turn induce IL-6 and/or IL-8 in a dose dependent manner, indicating a proinflammatory nature. To our knowledge, this is also the first-ever described role for FGF6 and FGF12 in CNS neuroinflammation. FGF23 upregulation, in addition, was observed in response to the Lyme disease bacterium. B. burgdorferi exposure also downregulated many FGFs including FGF 5,7, 9, 11,13, 16, 20 and 21. Some of the upregulated FGFs have been implicated in major depressive disorder or dementia development, while the downregulated ones have been demonstrated to have protective roles in epilepsy, Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, spinal cord injury, blood-brain barrier stability, and others. Conclusions In this study we show that FGFRs and FGFs are novel mediators of inflammatory pathogenesis in Lyme neuroborreliosis. It is likely that an unresolved, long-term (neuro)-Lyme infection can contribute to the development of other neurologic conditions in susceptible individuals either by augmenting pathogenic FGFs or by suppressing ameliorative FGFs or both.

Vertical HIV-1 transmission via breastfeeding is the predominant contributor to pediatric infections that are ongoing in this era of highly effective antiretroviral therapy (ART). Remarkably, only ~10% of infants chronically exposed to the virus via breastfeeding from untreated HIV-infected mothers become infected, suggesting the presence of naturally protective factors in breast milk. HIV-specific maternal antibodies are obvious candidates as potential contributors to this protection. This study assessed the protective capacity of common HIV envelope-specific non-broadly neutralizing antibodies isolated from breast milk of HIV-infected women in an infant rhesus monkey (RM), tier 2 SHIV oral challenge model. Prior to oral SHIV challenge, infant RMs were i.v. infused with either a single weakly-neutralizing monoclonal antibody (mAb), a tri-mAb cocktail with neutralizing and ADCC functionalities, or an anti-influenza HA control mAb. Of these groups, the fewest tri-mAb-treated infants developed plasma viremia (2/6, 3/6, and 6/8 animals viremic in tri-mAb, single-mAb, and control mAb groups, respectively). Tri-mAb-treated infants demonstrated significantly fewer transmitted/founder SHIV variants in plasma and decreased peripheral CD4+ T cell proviral loads at 8 week post-challenge compared to control mAb-treated infants. Abortive infection was observed as detectable CD4+ T cell provirus in non-viremic control mAb- and single-mAb-, but not tri-mAb-treated animals. Taken together, these results support the potential viability of maternal or infant vaccine strategies that elicit non-broadly neutralizing antibodies to prevent vertical transmission of HIV through breastfeeding.

Abstract Hyperglycemia, and exacerbation of pre-existing deficits in glucose metabolism, are major manifestations of the post-acute sequelae of SARS-CoV-2 (PASC). Our understanding of lasting glucometabolic disruptions after acute COVID-19 remains unclear due to the lack of animal models for metabolic PASC. Here, we report a non-human primate model of metabolic PASC using SARS-CoV-2 infected African green monkeys (AGMs). Using this model, we have identified a dysregulated chemokine signature and hypersensitive T cell population during acute COVID-19 that correlates with elevated and persistent hyperglycemia four months post-infection. This persistent hyperglycemia correlates with elevated hepatic glycogen, but there was no evidence of long-term SARS-CoV-2 replication in the liver and pancreas. Finally, we report a favorable glycemic effect of the SARS-CoV-2 mRNA vaccine, administered on day 4 post-infection. Together, these data suggest that the AGM metabolic PASC model exhibits important similarities to human metabolic PASC and can be utilized to assess therapeutic candidates to combat this syndrome.

Chimeric antigen receptor (CAR)-T cells have demonstrated clinical potential, but current receptors still need improvements to be successful against chronic HIV infection. In this study, we address some requirements of CAR motifs for strong surface expression of a novel anti-HIV CAR by evaluating important elements in the extracellular, hinge, and transmembrane (TM) domains. When combining a truncated CD4 extracellular domain and CD8α hinge/TM, the novel CAR did not express extracellularly but was detectable intracellularly. By shortening the CD8α hinge, CD4-CAR surface expression was partially recovered and addition of the LYC motif at the end of the CD8α TM fully recovered both intracellular and extracellular CAR expression. Mutation of LYC to TTA or TTC showed severe abrogation of CAR expression by flow cytometry and confocal microscopy. Additionally, we determined that CD4-CAR surface expression could be maximized by the removal of FQKAS motif at the junction of the extracellular domain and the hinge region. CD4-CAR surface expression also resulted in cytotoxic CAR T cell killing of HIV Env+ target cells. In this study, we identified elements that are crucial for optimal CAR surface expression, highlighting the need for structural analysis studies to establish fundamental guidelines of CAR designs.