SARS-CoV-2 is difficult to contain because many transmissions occur during the pre-symptomatic phase of infection. Moreover, in contrast to influenza, while most SARS-CoV-2 infected people do not transmit the virus to anybody, a small percentage secondarily infect large numbers of people. We designed mathematical models of SARS-CoV-2 and influenza which link observed viral shedding patterns with key epidemiologic features of each virus, including distributions of the number of secondary cases attributed to each infected person (individual R0) and the duration between symptom onset in the transmitter and secondarily infected person (serial interval). We identify that people with SARS-CoV-2 or influenza infections are usually contagious for fewer than one day congruent with peak viral load several days after infection, and that transmission is unlikely below a certain viral load. SARS-CoV-2 super-spreader events with over 10 secondary infections occur when an infected person is briefly shedding at a very high viral load and has a high concurrent number of exposed contacts. The higher predisposition of SARS-CoV-2 towards super-spreading events is not due to its 1-2 additional weeks of viral shedding relative to influenza. Rather, a person infected with SARS-CoV-2 exposes more people within equivalent physical contact networks than a person infected with influenza, likely due to aerosolization of virus. Our results support policies that limit crowd size in indoor spaces and provide viral load benchmarks for infection control and therapeutic interventions intended to prevent secondary transmission.

Herpes simplex virus-2 infection is characterized by frequent episodic shedding in the genital tract. Expansion in HSV-2 viral load early during episodes is extremely rapid. However, the virus invariably peaks within 18 hours and is eliminated nearly as quickly. A critical feature of HSV-2 shedding episodes is their heterogeneity. Some episodes peak at 108 HSV DNA copies, last for weeks due to frequent viral re-expansion, and lead to painful ulcers, while others only reach 103 HSV DNA copies and are eliminated within hours and without symptoms. Within single micro-environments of infection, tissue-resident CD8+ T cells (TRM) appear to contain infection within a few days. Here, we review components of TRM biology relevant to immune surveillance between HSV-2 shedding episodes and containment of infection upon detection of HSV-2 cognate antigen. We then describe the use of mathematical models to correlate large spatial gradients in TRM density with the heterogeneity of observed shedding within a single person. We describe how models have been leveraged for clinical trial simulation, as well as future plans to model the interactions of multiple cellular subtypes within mucosa, predict the mechanism of action of therapeutic vaccines, and describe the dynamics of 3-dimensional infection environment during the natural evolution of an HSV-2 lesion.

Abstract Remdesivir was recently demonstrated to decrease recovery time in hospitalized patients with SARS-CoV-2 infection. In rhesus macaques, early initiation of remdesivir therapy prevented pneumonia and lowered viral loads in the lung, but viral loads increased in the nasal passages five days after therapy. We developed mathematical models to explain these results. We identified that 1) drug potency is slightly higher in nasal passages than in lungs, 2) viral load decrease in lungs relative to nasal passages during therapy because of infection-dependent generation of refractory cells in the lung, 3) incomplete drug potency in the lung that decreases viral loads even slightly may allow substantially less lung damage, and 4) increases in nasal viral load may occur due to a slight blunting of peak viral load and subsequent decrease of the intensity of the innate immune response, as well as a lack of refractory cells. We also hypothesize that direct inoculation of the trachea in rhesus macaques may not recapitulate natural infection as lung damage occurs more abruptly in this model than in human infection. We demonstrate with sensitivity analysis that a drug with higher potency could completely suppress viral replication and lower viral loads abruptly in the nasal passages as well as the lung. One Sentence Summary We developed a mathematical model to explain why remdesivir has a greater antiviral effect on SARS CoV-2 in lung versus nasal passages in rhesus macaques.

The mechanisms underlying rapid elimination of herpes simplex virus-2 (HSV-2) in the human genital tract despite low tissue-resident CD8+ T-cell density (TRM) are unknown. We analyzed shedding episodes during chronic HSV-2 infection: viral clearance always occurred within 24 hours of detection even if viral load exceeded 10^7 HSV DNA copies; surges in granzyme B and interferon-γ occurred within the early hours after reactivation. We next developed a mathematical model of an HSV-2 genital ulcer to integrate mechanistic observations of TRM in situ proliferation, trafficking, cytolytic effects and cytokine alarm signaling from murine studies with viral kinetics, histopathology and lesion size data from humans. A sufficiently high density of HSV-2 specific TRM predicted rapid contact-mediated elimination of infected cells. At lower TRM densities, TRM must initiate a rapidly diffusing, polyfunctional cytokine response in order to eliminate of a majority of infected cells and eradicate briskly spreading HSV-2 infection.