Native microtubules prepared from extruded and dissociated axoplasm have been observed to transport organelles and vesicles unidirectionally in fresh preparations and more slowly and bidirectionally in older preparations. Both endogenous and exogenous (fluorescent polystyrene) particles in rapid Brownian motion alight on and adhere to microtubules and are transported along them. Particles can switch from one intersecting microtubule to another and move in either direction. Microtubular segments 1 to 30 microns long, produced by gentle homogenization, glide over glass surfaces for hundreds of micrometers in straight lines unless acted upon by obstacles. While gliding they transport particles either in the same (forward) direction and/or in the backward direction. Particle movement and gliding of microtubule segments require ATP and are insensitive to taxol (30 microM). It appears, therefore, that the mechanisms producing the motive force are very closely associated with the native microtubule itself or with its associated proteins. Although these movements appear irreconcilable with several current theories of fast axoplasmic transport, in this article we propose two models that might explain the observed phenomena and, by extension, the process of fast axoplasmic transport itself. The findings presented and the possible mechanisms proposed for fast axoplasmic transport have potential applications across the spectrum of microtubule-based motility processes.

A new method called Allen Video-enhanced Contrast, Differential Interference Contrast (AVEC-DIC) microscopy is shown to be sufficiently sensitive to detect several new features of microtubule-related motility in the reticulopodial network of the foraminifer, Allogromia. The method takes advantage of the variable gain and offset features of a binary video camera to operate the DIC microscope under conditions highly favorable for video imaging, but in which the optical image is virtually invisible to the eye yet retains its full information when viewed by a suitable video camera. The improvements are made possible by setting a dé Senarmont compensator to lambda/9-lambda/4 at maximal working aperture of internally corrected planapochromatic objectives. Under these conditions, the offset feature of the video camera can reject so much stray light from the instrument and specimen that contrast compares favorably with that observed in high-extinction images, and polarizing rectifiers offer scarcely any advantage. Freed from the constraints of the light-limited conditions of DIC microscopy, video images can be recorded 60 times per second, or over 1,000 times the rate of photomicrographs at comparable magnifications under high-extinction conditions. Application of this method to the reticulopodial network of Allogromia has shown that cytoplasmic organelles are translocated only in contact with single microtubules or bundles of microtubules, and that these organelles fail to move when separated from microtubules. Microtubules themselves undergo both axial translatory ("sliding") and lateral "zipping and unzipping" movements that have been suggested to occur during mitosis and other biological processes.

Video-enhanced contrast-differential interference contrast microscopy has revealed new features of axonal transport in the giant axon of the squid, where no movement had been detected previously by conventional microscopy. The newly discovered dominant feature is vast numbers of "submicroscopic" particles, probably 30- to 50-nanometer vesicles and other tubulovesicular elements, moving parallel to linear elements, primarily in the orthograde direction but also in a retrograde direction, at a range of steady velocities up to ±5 micrometers per second. Medium (0.2 to 0.6 micrometer) and large (0.8 micrometer) particles move more slowly and more intermittently with a tendency at times to exhibit elastic recoil. The behavior of the smallest particles and the larger particles during actual translocation suggests that the fundamental processes in the mechanisms of organelle movement in axonal transport are not saltatory but continuous.

Development of video-enhanced contrast-differential interference contrast for light microscopy has permitted study of both orthograde and retrograde fast axonal transport of membranous organelles in the squid giant axon. This process was found to continue normally for hours after the axoplasm was extruded from the giant axon and removed from the confines of the axonal plasma membrane. It is now possible to follow the movements of the full range of membranous organelles (30-nanometer vesicles to 5000-nanometer mitochondria) in a preparation that lacks a plasma membrane or other permeability barrier. This observation demonstrates that the plasma membrane is not required for fast axonal transport and suggests that action potentials are not involved in the regulation of fast transport. Furthermore, the absence of a permeability barrier surrounding the axoplasm makes this an important model for direct biochemical pharmacological, and physical manipulations of membranous organelle transport.

ABSTRACT As an essential enzyme of SARS-CoV-2, the pathogen of COVID-19, main protease (M Pro ) triggers acute toxicity to its human cell host, an effect that can be alleviated by an M Pro inhibitor with cellular potency. By coupling this toxicity alleviation with the expression of an M Pro -eGFP fusion protein in a human cell host for straightforward characterization with fluorescent flow cytometry, we developed an effective method that allows bulk analysis of cellular potency of M Pro inhibitors. In comparison to an antiviral assay in which M Pro inhibitors may target host proteases or other processes in the SARS-CoV-2 life cycle to convene strong antiviral effects, this novel assay is more advantageous in providing precise cellular M Pro inhibition information for assessment and optimization of M Pro inhibitors. We used this assay to analyze 30 literature reported M Pro inhibitors including MPI1-9 that were newly developed aldehyde-based reversible covalent inhibitors of M Pro , GC376 and 11a that are two investigational drugs undergoing clinical trials for the treatment of COVID-19 patients in United States, boceprevir, calpain inhibitor II, calpain inhibitor XII, ebselen, bepridil that is an antianginal drug with potent anti-SARS-CoV-2 activity, and chloroquine and hydroxychloroquine that were previously shown to inhibit M Pro . Our results showed that most inhibitors displayed cellular potency much weaker than their potency in direct inhibition of the enzyme. Many inhibitors exhibited weak or undetectable cellular potency up to 10 μM. On contrary to their strong antiviral effects, 11a, calpain inhibitor II, calpain XII, ebselen, and bepridil showed relatively weak to undetectable cellular M Pro inhibition potency implicating their roles in interfering with key steps other than just the M Pro catalysis in the SARS-CoV-2 life cycle to convene potent antiviral effects. characterization of these molecules on their antiviral mechanisms will likely reveal novel drug targets for COVID-19. Chloroquine and hydroxychloroquine showed close to undetectable cellular potency to inhibit M Pro . Kinetic recharacterization of these two compounds rules out their possibility as M Pro inhibitors. Our results also revealed that MPI5, 6, 7, and 8 have high cellular and antiviral potency with both IC 50 and EC 50 values respectively below 1 μM. As the one with the highest cellular and antiviral potency among all tested compounds, MPI8 has a remarkable cellular M Pro inhibition IC 50 value of 31 nM that matches closely to its strong antiviral effect with an EC 50 value of 30 nM. Given its strong cellular and antiviral potency, we cautiously suggest that MPI8 is ready for preclinical and clinical investigations for the treatment of COVID-19.

ABSTRACT The continual emergence of SARS-CoV-2 variants of concern, in particular the newly emerged Omicron (B.1.1.529) variant, has rendered ineffective a number of previously EUA approved SARS-CoV-2 neutralizing antibody therapies. Furthermore, even those approved antibodies with neutralizing activity against Omicron are reportedly ineffective against the subset of Omicron variants that contain a R346K substitution, demonstrating the continued need for discovery and characterization of candidate therapeutic antibodies with the breadth and potency of neutralizing activity required to treat newly diagnosed COVID-19 linked to recently emerged variants of concern. Following a campaign of antibody discovery based on the vaccination of Harbour H2L2 mice with defined SARS-CoV-2 spike domains, we have characterized the activity of a large collection of Spike-binding antibodies and identified a lead neutralizing human IgG1 LALA antibody, STI-9167. STI-9167 has potent, broad-spectrum neutralizing activity against the current SARS-COV-2 variants of concern and retained activity against the Omicron and Omicron + R346K variants in both pseudotype and live virus neutralization assays. Furthermore, STI-9167 nAb administered intranasally or intravenously provided protection against weight loss and reduced virus lung titers to levels below the limit of quantitation in Omicron-infected K18-hACE2 transgenic mice. With this established activity profile, a cGMP cell line has been developed and used to produce cGMP drug product intended for use in human clinical trials.

Boceprevir is an HCV NSP3 inhibitor that has been explored as a repurposed drug for COVID-19. It inhibits the SARS-CoV-2 main protease (M Pro ) and contains an α-ketoamide warhead, a P1 β-cyclobutylalanyl moiety, a P2 dimethylcyclopropylproline, a P3 tert -butyl-glycine, and a P4 N -terminal tert -butylcarbamide. By introducing modifications at all four positions, we synthesized 20 boceprevir-based M Pro inhibitors including PF-07321332 and characterized their M Pro inhibition potency in test tubes ( in vitro ) and human host cells ( in cellulo ). Crystal structures of M Pro bound with 10 inhibitors and antiviral potency of 4 inhibitors were characterized as well. Replacing the P1 site with a β-(S-2-oxopyrrolidin-3-yl)-alanyl (opal) residue and the warhead with an aldehyde leads to high in vitro potency. The original moieties at P2, P3 and the P4 N -terminal cap positions in boceprevir are better than other tested chemical moieties for high in vitro potency. In crystal structures, all inhibitors form a covalent adduct with the M Pro active site cysteine. The P1 opal residue, P2 dimethylcyclopropylproline and P4 N -terminal tert -butylcarbamide make strong hydrophobic interactions with M Pro , explaining high in vitro potency of inhibitors that contain these moieties. A unique observation was made with an inhibitor that contains an P4 N -terminal isovaleramide. In its M Pro complex structure, the P4 N -terminal isovaleramide is tucked deep in a small pocket of M Pro that originally recognizes a P4 alanine side chain in a substrate. Although all inhibitors show high in vitro potency, they have drastically different in cellulo potency in inhibiting ectopically expressed M Pro in human 293T cells. All inhibitors including PF-07321332 with a P4 N -terminal carbamide or amide have low in cellulo potency. This trend is reversed when the P4 N -terminal cap is changed to a carbamate. The installation of a P3 O-tert -butyl-threonine improves in cellulo potency. Three molecules that contain a P4 N -terminal carbamate were advanced to antiviral tests on three SARS-CoV-2 variants. They all have high potency with EC 50 values around 1 μM. A control compound with a nitrile warhead and a P4 N -terminal amide has undetectable antiviral potency. Based on all observations, we conclude that a P4 N -terminal carbamate in a boceprevir derivative is key for high antiviral potency against SARS-CoV-2.

ABSTRACT We have previously reported that the SARS-CoV-2 neutralizing antibody, STI-2020, potently inhibits cytopathic effects of infection by genetically diverse clinical SARS-CoV-2 pandemic isolates in vitro, and has demonstrated efficacy in a hamster model of COVID-19 when administered by the intravenous route immediately following infection. We now have extended our in vivo studies of STI-2020 to include disease treatment efficacy, profiling of biodistribution of STI-2020 in mice when antibody is delivered intranasally (IN) or intravenously (IV), as well as pharmacokinetics in mice following IN antibody administration. Importantly, SARS-CoV-2-infected hamsters were treated with STI-2020 using these routes, and treatment effects on severity and duration of COVID-19-like disease in this model were evaluated. In SARS-CoV-2 infected hamsters, treatment with STI-2020 12 hours post-infection using the IN route led to a decrease in severity of clinical disease signs and a more robust recovery during 9 days of infection as compared to animals treated with an isotype control antibody. Treatment via the IV route using the same dose and timing regimen resulted in a decrease in the average number of consecutive days that infected animals experienced weight loss, shortening the duration of disease and allowing recovery to begin more rapidly in STI-2020 treated animals. Following IN administration in mice, STI-2020 was detected within 10 minutes in both lung tissue and lung lavage. The half-life of STI-2020 in lung tissue is approximately 25 hours. We are currently investigating the minimum effective dose of IN-delivered STI-2020 in the hamster model as well as establishing the relative benefit of delivering neutralizing antibodies by both IV and IN routes.

ABSTRACT SARS-CoV-2 neutralizing antibodies represent an important component of the ongoing search for effective treatment of and protection against COVID-19. We report here on the use of a naïve phage display antibody library to identify a panel of fully human SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Following functional profiling in vitro against an early pandemic isolate as well as a recently emerged isolate bearing the D614G Spike mutation, the clinical candidate antibody, STI-1499, and the affinity-engineered variant, STI-2020, were evaluated for in vivo efficacy in the Syrian golden hamster model of COVID-19. Both antibodies demonstrated potent protection against the pathogenic effects of the disease and a dose-dependent reduction of virus load in the lungs, reaching undetectable levels following a single dose of 500 micrograms of STI-2020. These data support continued development of these antibodies as therapeutics against COVID-19 and future use of this approach to address novel emerging pandemic disease threats.

Abstract The emerging SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) exhibit enhanced transmission and immune escape, reducing the efficacy and effectiveness of the two FDA-approved mRNA vaccines. Here, we explored various strategies to develop novel mRNAs vaccines to achieve safer and wider coverage of VOCs. Firstly, we constructed a cohort of mRNAs that feature a furin cleavage mutation in the spike (S) protein of predominant VOCs, including Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), Gamma (P.1) and Delta (B.1.617.2). Not present in the mRNA vaccines currently in use, the mutation abolished the cleavage between the S1 and S2 subunits, potentially enhancing the safety profile of the immunogen. Secondly, we systematically evaluated the induction of neutralizing antibodies (nAb) in vaccinated mice, and discovered that individual VOC mRNAs elicited strong neutralizing activity in a VOC-specific manner. Thirdly, the IgG produced in mice immunized with Beta-Furin and Washington (WA)-Furin mRNAs showed potent cross-reactivity with other VOCs, which was further corroborated by challenging vaccinated mice with the live virus of VOCs. However, neither WA-Furin nor Beta-Furin mRNA elicited strong neutralizing activity against the Omicron variant. Hence, we further developed an Omicron-specific mRNA vaccine that restored protection against the original and the sublineages of Omicron variant. Finally, to broaden the protection spectrum of the new Omicron mRNA vaccine, we tested the concept of bivalent immunogen. Instead of just fusing two RBDs head-to-tail, we for the first time constructed an mRNA-based chimeric immunogen by introducing the RBD of Delta variant into the entire S antigen of Omicron. The resultant chimeric mRNA was capable of inducing potent and broadly acting nAb against Omicron (both BA.1 and BA.2) and Delta, which paves the way to develop new vaccine candidate to target emerging variants in the future.