Significance Since SARS-CoV-2 emerged in China, it has spread rapidly around the world. Effective vaccines and therapeutics for SARS-CoV-2−induced disease (coronavirus disease 2019;COVID-19) are urgently needed. We found that SARS-CoV-2 isolates replicate efficiently in the lungs of Syrian hamsters and cause severe pathological lesions in the lungs of these animals similar to commonly reported imaging features of COVID-19 patients with pneumonia. SARS-CoV-2−infected hamsters mounted neutralizing antibody responses and were protected against rechallenge with SARS-CoV-2. Moreover, passive transfer of convalescent serum to naïve hamsters inhibited virus replication in their lungs. Syrian hamsters are a useful small animal model for the evaluation of vaccines, immunotherapies, and antiviral drugs.

Abstract The recent emergence of B.1.1.529, the Omicron variant 1,2 , has raised concerns of escape from protection by vaccines and therapeutic antibodies. A key test for potential countermeasures against B.1.1.529 is their activity in preclinical rodent models of respiratory tract disease. Here, using the collaborative network of the SARS-CoV-2 Assessment of Viral Evolution (SAVE) programme of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), we evaluated the ability of several B.1.1.529 isolates to cause infection and disease in immunocompetent and human ACE2 (hACE2)-expressing mice and hamsters. Despite modelling data indicating that B.1.1.529 spike can bind more avidly to mouse ACE2 (refs. 3,4 ), we observed less infection by B.1.1.529 in 129, C57BL/6, BALB/c and K18-hACE2 transgenic mice than by previous SARS-CoV-2 variants, with limited weight loss and lower viral burden in the upper and lower respiratory tracts. In wild-type and hACE2 transgenic hamsters, lung infection, clinical disease and pathology with B.1.1.529 were also milder than with historical isolates or other SARS-CoV-2 variants of concern. Overall, experiments from the SAVE/NIAID network with several B.1.1.529 isolates demonstrate attenuated lung disease in rodents, which parallels preliminary human clinical data.

During the current coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, a variety of mutations have accumulated in the viral genome of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and, at the time of writing, four variants of concern are considered to be potentially hazardous to human society1. The recently emerged B.1.617.2/Delta variant of concern is closely associated with the COVID-19 surge that occurred in India in the spring of 2021 (ref. 2). However, the virological properties of B.1.617.2/Delta remain unclear. Here we show that the B.1.617.2/Delta variant is highly fusogenic and notably more pathogenic than prototypic SARS-CoV-2 in infected hamsters. The P681R mutation in the spike protein, which is highly conserved in this lineage, facilitates cleavage of the spike protein and enhances viral fusogenicity. Moreover, we demonstrate that the P681R-bearing virus exhibits higher pathogenicity compared with its parental virus. Our data suggest that the P681R mutation is a hallmark of the virological phenotype of the B.1.617.2/Delta variant and is associated with enhanced pathogenicity.

Here, biological attributes of two early human isolates of the newly emerged H7N9 influenza viruses are characterized: the potential of these viruses to infect and/or transmit within various animal models is discussed, as is their relative sensitivity to neuraminidase inhibitors and experimental polymerase inhibitors compared to an H1N1 pandemic strain. By 20 July 2013, there had been 134 laboratory-confirmed human cases of infection with avian influenza A H7N9 virus infection, including 43 deaths. Yoshihiro Kawaoka and colleagues characterize the biology of two recent isolates of the virus. They provide a wealth of data from infections in mice, pigs, macaques and ferrets. H7N9 virus is shown to be less sensitive to neuraminidase inhibitors than pandemic H1N1 virus, but equally susceptible to an experimental polymerase inhibitor. Terrence Tumpey and colleagues determine the capacity of two clinical H7N9 isolates to cause disease and transmit between mammals. They show that the virus can replicate in human airway cells and in the respiratory tract of ferrets to a higher level than can seasonal H3N2 virus, and show higher lethality in mice than genetically related H7N9 and H9N2 viruses. In transmission studies, the H7N9 virus showed limited transmission in ferrets by respiratory droplets. Ron Fouchier and colleagues investigate the transmissibility of H7N9 virus between ferrets. They show that airborne transmission can occur, but inefficiently. They also show that on passage in ferrets, virus variants that have higher avian receptor binding, higher pH of fusion and lower thermostability are selected, and they suggest that these characteristics may result in reduced transmissibility. Avian influenza A viruses rarely infect humans; however, when human infection and subsequent human-to-human transmission occurs, worldwide outbreaks (pandemics) can result. The recent sporadic infections of humans in China with a previously unrecognized avian influenza A virus of the H7N9 subtype (A(H7N9)) have caused concern owing to the appreciable case fatality rate associated with these infections (more than 25%), potential instances of human-to-human transmission1, and the lack of pre-existing immunity among humans to viruses of this subtype. Here we characterize two early human A(H7N9) isolates, A/Anhui/1/2013 (H7N9) and A/Shanghai/1/2013 (H7N9); hereafter referred to as Anhui/1 and Shanghai/1, respectively. In mice, Anhui/1 and Shanghai/1 were more pathogenic than a control avian H7N9 virus (A/duck/Gunma/466/2011 (H7N9); Dk/GM466) and a representative pandemic 2009 H1N1 virus (A/California/4/2009 (H1N1pdm09); CA04). Anhui/1, Shanghai/1 and Dk/GM466 replicated well in the nasal turbinates of ferrets. In nonhuman primates, Anhui/1 and Dk/GM466 replicated efficiently in the upper and lower respiratory tracts, whereas the replicative ability of conventional human influenza viruses is typically restricted to the upper respiratory tract of infected primates. By contrast, Anhui/1 did not replicate well in miniature pigs after intranasal inoculation. Critically, Anhui/1 transmitted through respiratory droplets in one of three pairs of ferrets. Glycan arrays showed that Anhui/1, Shanghai/1 and A/Hangzhou/1/2013 (H7N9) (a third human A(H7N9) virus tested in this assay) bind to human virus-type receptors, a property that may be critical for virus transmissibility in ferrets. Anhui/1 was found to be less sensitive in mice to neuraminidase inhibitors than a pandemic H1N1 2009 virus, although both viruses were equally susceptible to an experimental antiviral polymerase inhibitor. The robust replicative ability in mice, ferrets and nonhuman primates and the limited transmissibility in ferrets of Anhui/1 suggest that A(H7N9) viruses have pandemic potential.

The recent emergence of SARS-CoV-2 Omicron (B.1.1.529 lineage) variants possessing numerous mutations has raised concerns of decreased effectiveness of current vaccines, therapeutic monoclonal antibodies and antiviral drugs for COVID-19 against these variants1,2. The original Omicron lineage, BA.1, prevailed in many countries, but more recently, BA.2 has become dominant in at least 68 countries3. Here we evaluated the replicative ability and pathogenicity of authentic infectious BA.2 isolates in immunocompetent and human ACE2-expressing mice and hamsters. In contrast to recent data with chimeric, recombinant SARS-CoV-2 strains expressing the spike proteins of BA.1 and BA.2 on an ancestral WK-521 backbone4, we observed similar infectivity and pathogenicity in mice and hamsters for BA.2 and BA.1, and less pathogenicity compared with early SARS-CoV-2 strains. We also observed a marked and significant reduction in the neutralizing activity of plasma from individuals who had recovered from COVID-19 and vaccine recipients against BA.2 compared to ancestral and Delta variant strains. In addition, we found that some therapeutic monoclonal antibodies (REGN10987 plus REGN10933, COV2-2196 plus COV2-2130, and S309) and antiviral drugs (molnupiravir, nirmatrelvir and S-217622) can restrict viral infection in the respiratory organs of BA.2-infected hamsters. These findings suggest that the replication and pathogenicity of BA.2 is similar to that of BA.1 in rodents and that several therapeutic monoclonal antibodies and antiviral compounds are effective against Omicron BA.2 variants.

In 2020, two mRNA-based vaccines, encoding the full length of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, have been introduced for control of the coronavirus disease (COVID-19) pandemic 1,2 . However, reactogenicity, such as fever, caused by innate immune responses to the vaccine formulation remains to be improved. Here, we optimized a lipid nanoparticle (LNP)-based mRNA vaccine candidate, encoding the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding domain (LNP-mRNA-RBD), which showed improved immunogenicity by removing reactogenic materials from the vaccine formulation and protective potential against SARS-CoV-2 infection in cynomolgus macaques. LNP-mRNA-RBD induced robust antigen-specific B cells and follicular helper T cells in the BALB/c strain but not in the C57BL/6 strain; the two strains have contrasting abilities to induce type I interferon production by dendritic cells. Removal of reactogenic materials from original synthesized mRNA by HPLC reduced type I interferon (IFN) production by dendritic cells, which improved immunogenicity. Immunization of cynomolgus macaques with an LNP encapsulating HPLC-purified mRNA induced robust anti-RBD IgG in the plasma and in various mucosal areas, including airways, thereby conferring protection against SARS-CoV-2 infection. Therefore, fine-tuning the balance between the immunogenic and reactogenic activity of mRNA-based vaccine formulations may offer safer and more efficacious outcomes.

Abstract The prevalence of the Omicron subvariant BA.2.75 is rapidly increasing in India and Nepal. In addition, BA.2.75 has been detected in at least 34 other countries and is spreading globally. However, the virological features of BA.2.75 are largely unknown. Here, we evaluated the replicative ability and pathogenicity of BA.2.75 clinical isolates in Syrian hamsters. Although we found no substantial differences in weight change among hamsters infected with BA.2, BA.5, or BA.2.75, the replicative ability of BA.2.75 in the lungs was higher than that of BA.2 and BA.5. Of note, BA.2.75 caused focal viral pneumonia in hamsters, characterized by patchy inflammation interspersed in alveolar regions, which was not observed in BA.5-infected hamsters. Moreover, in competition assays, BA.2.75 replicated better than BA.5 in the lungs of hamsters. These results suggest that BA.2.75 can cause more severe respiratory disease than BA.5 and BA.2 and should be closely monitored.

Abstract EG.5.1 is a subvariant of the SARS-CoV-2 Omicron XBB variant that is rapidly increasing in prevalence worldwide. EG.5.1 has additional substitutions in its spike protein (namely, Q52H and F456L) compared with XBB.1.5. However, the pathogenicity, transmissibility, and immune evasion properties of clinical isolates of EG.5.1 are largely unknown. In this study, we used wild-type Syrian hamsters to investigate the replicative ability, pathogenicity, and transmissibility of a clinical EG.5.1 isolate. Our data show that there are no obvious differences in growth ability and pathogenicity between EG.5.1 and XBB.1.5, and both EG.5.1 and XBB.1.5 are attenuated compared to a Delta variant isolate. We also found that EG.5.1 is transmitted more efficiently between hamsters compared with XBB.1.5. In addition, unlike XBB.1.5, we detected EG.5.1 virus in the lungs of four of six exposed hamsters, suggesting that the virus tropism of EG.5.1 is different from that of XBB.1.5 after airborne transmission. Finally, we assessed the neutralizing ability of plasma from convalescent individuals and found that the neutralizing activity against EG.5.1 was slightly, but significantly, lower than that against XBB.1.5 or XBB.1.9.2. This suggests that EG.5.1 effectively evades humoral immunity and that the amino acid differences in the S protein of EG.5.1 compared with that of XBB.1.5 or XBB.1.9.2 (i.e., Q52H, R158G, and F456L) alter the antigenicity of EG.5.1. Our data suggest that the increased transmissibility and altered antigenicity of EG.5.1 may be driving its increasing prevalence over XBB.1.5 in the human population.

Abstract H7N9 avian influenza viruses (AIV) have caused over 1,500 documented human infections since emerging in 2013. Although wild type H7N9 AIV can transmit by respiratory droplets in ferrets, they have not yet caused widespread outbreaks in humans. Previous studies have revealed molecular determinants of H7N9 AIV virus host-switching, but little is known about potential evolutionary constraints on this process. Here we compare patterns of sequence evolution for H7N9 AIV and mammalian H1N1 viruses during replication and transmission in ferrets. We show that three main factors – purifying selection, stochasticity, and very narrow transmission bottlenecks – combine to severely constrain the ability of H7N9 AIV to effectively adapt to mammalian hosts in isolated, acute spillover events. We find rare evidence of natural selection favoring new or mammalian-adapting mutations within ferrets, but no evidence of natural selection acting during transmission. We conclude that human-adapted H7N9 viruses are unlikely to emerge during typical spillover infections. Our findings are instead consistent with a model in which the emergence of a human-transmissible virus would be a rare and unpredictable, though highly consequential, “jackpot” event. Strategies to limit the total number of spillover infections will limit opportunities for the virus to win this evolutionary lottery.