SummaryInduced pluripotent stem cells (iPSCs) may represent an ideal cell source for future regenerative therapies. A critical issue concerning the clinical use of patient-specific iPSCs is the accumulation of mutations in somatic (stem) cells over an organism's lifetime. Acquired somatic mutations are passed onto iPSCs during reprogramming and may be associated with loss of cellular functions and cancer formation. Here we report the generation of human iPSCs from cord blood (CB) as a juvenescent cell source. CBiPSCs show characteristics typical of embryonic stem cells and can be differentiated into derivatives of all three germ layers, including functional cardiomyocytes. For future therapeutic production of autologous and allogeneic iPSC derivatives, CB could be routinely harvested for public and commercial CB banks without any donor risk. CB could readily become available for pediatric patients and, in particular, for newborns with genetic diseases or congenital malformations.

To harness the potential of human pluripotent stem cells (hPSCs), an abundant supply of their progenies is required. Here, hPSC expansion as matrix-independent aggregates in suspension culture was combined with cardiomyogenic differentiation using chemical Wnt pathway modulators. A multiwell screen was scaled up to stirred Erlenmeyer flasks and subsequently to tank bioreactors, applying controlled feeding strategies (batch and cyclic perfusion). Cardiomyogenesis was sensitive to the GSK3 inhibitor CHIR99021 concentration, whereas the aggregate size was no prevailing factor across culture platforms. However, in bioreactors, the pattern of aggregate formation in the expansion phase dominated subsequent differentiation. Global profiling revealed a culture-dependent expression of BMP agonists/antagonists, suggesting their decisive role in cell-fate determination. Furthermore, metallothionein was discovered as a potentially stress-related marker in hPSCs. In 100 ml bioreactors, the production of 40 million predominantly ventricular-like cardiomyocytes (up to 85% purity) was enabled that were directly applicable to bioartificial cardiac tissue formation.

Abstract Reliable, easy-to-handle phenotypic screening platforms are needed for the identification of anti-SARS-CoV-2 compounds. Here, we present caspase 3/7 activity as a read-out for monitoring the replication of SARS-CoV-2 isolates from different variants, including a remdesivir-resistant strain, and of other coronaviruses in a broad range of cell culture models, independently of cytopathogenic effect formation. Compared to other cell culture models, the Caco-2 subline Caco-2-F03 displayed superior performance, as it possesses a stable SARS-CoV-2 susceptible phenotype and does not produce false-positive hits due to drug-induced phospholipidosis. A proof-of-concept screen of 1796 kinase inhibitors identified known and novel antiviral drug candidates including inhibitors of PHGDH, CLK-1, and CSF1R. The activity of the PHGDH inhibitor NCT-503 was further increased in combination with the HK2 inhibitor 2-deoxy-D-glucose, which is in clinical development for COVID-19. In conclusion, caspase 3/7 activity detection in SARS-CoV-2-infected Caco-2F03 cells provides a simple phenotypic high-throughput screening platform for SARS-CoV-2 drug candidates that reduces false positive hits.

ABSTRACT Epidemiological data demonstrate that SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) B.1.1.7 and B.1.617.2 are more transmissible and infections are associated with a higher mortality than non-VOC virus infections. Phenotypic properties underlying their enhanced spread in the human population remain unknown. B.1.1.7 virus isolates displayed inferior or equivalent spread in most cell lines and primary cells compared to an ancestral B.1 SARS-CoV-2, and were outcompeted by the latter. Lower infectivity and delayed entry kinetics of B.1.1.7 viruses were accompanied by inefficient proteolytic processing of spike. B.1.1.7 viruses failed to escape from neutralizing antibodies, but slightly dampened induction of innate immunity. The bronchial cell line NCI-H1299 supported 24- and 595-fold increased growth of B.1.1.7 and B.1.617.2 viruses, respectively, in the absence of detectable ACE2 expression and in a spike-determined fashion. Superior spread in NCI-H1299 cells suggests that VOCs employ a distinct set of cellular cofactors that may be unavailable in standard cell lines.

Abstract Recent findings in permanent cell lines suggested that SARS-CoV-2 Omicron BA.1 induces a stronger interferon response than Delta. Here, we show that BA.1 and BA.5 but not Delta induce an antiviral state in air-liquid interface (ALI) cultures of primary human bronchial epithelial (HBE) cells and primary human monocytes. Both Omicron subvariants caused the production of biologically active type I (α/β) and III (λ) interferons and protected cells from super-infection with influenza A viruses. Notably, abortive Omicron infection of monocytes was sufficient to protect monocytes from influenza A virus infection. Interestingly, while influenza-like illnesses surged during the Delta wave in England, their spread rapidly declined upon the emergence of Omicron. Mechanistically, Omicron-induced interferon signalling was mediated via double-stranded RNA recognition by MDA5, as MDA5 knock-out prevented it. The JAK/ STAT inhibitor baricitinib inhibited the Omicron-mediated antiviral response, suggesting it is caused by MDA5-mediated interferon production, which activates interferon receptors that then trigger JAK/ STAT signalling. In conclusion, our study 1) demonstrates that only Omicron but not Delta induces a substantial interferon response in physiologically relevant models, 2) shows that Omicron infection protects cells from influenza A virus super-infection, and 3) indicates that BA.1 and BA.5 induce comparable antiviral states.

Abstract In addition to antioxidative and anti-inflammatory properties, activators of the cytoprotective nuclear factor erythroid-2-like-2 (NRF2) signaling pathway have antiviral effects, but the underlying antiviral mechanisms are incompletely understood. We evaluated the ability of the NRF2 activators 4-octyl itaconate (4OI), bardoxolone methyl (BARD), sulforaphane (SFN), and the inhibitor of exportin-1 (XPO1)-mediated nuclear export selinexor (SEL) to interfere with influenza virus A/Puerto Rico/8/1934 (H1N1) infection of human cells. All compounds reduced viral titers in supernatants from A549 cells and vascular endothelial cells in the order of efficacy SEL>4OI>BARD=SFN, which correlated with their ability to prevent nucleo-cytoplasmic export of viral nucleoprotein and the host cell protein p53. In contrast, intracellular levels of viral HA mRNA and nucleocapsid protein (NP) were unaffected. Knocking down mRNA encoding KEAP1 (the main inhibitor of NRF2) or inactivating the NFE2L2 gene (which encodes NRF2) revealed that physiologic NRF2 signaling restricts IAV replication. However, the antiviral effect of all compounds was NRF2-independent. Instead, XPO1 knock-down greatly reduced viral titers, and incubation of Calu3 cells with an alkynated 4OI probe demonstrated formation of a covalent complex with XPO1. Ligand–target modelling predicted covalent binding of all three NRF2 activators and SEL to the active site of XPO1 involving the critical Cys528. SEL and 4OI manifested the highest binding energies, whereby the 4-octyl tail of 4OI interacted extensively with the hydrophobic groove of XPO1, which binds nuclear export sequences on cargo proteins. Conversely, SEL as well as the three NRF2 activators were predicted to covalently bind the functionally critical Cys151 in KEAP1. Blocking XPO1-mediated nuclear export may, thus, constitute a “noncanonical” mechanism of anti-influenza activity of electrophilic NRF2 activators that can interact with similar cysteine environments at the active sites of XPO1 and KEAP1. Considering the importance of XPO1 function to a variety of pathogenic viruses, compounds that are optimized to inhibit both targets may constitute an important class of broadly active host-directed treatments that embody anti-inflammatory, cytoprotective, and antiviral properties. Author summary Virus infections often cause organ damage via excessive inflammation and oxidative stress. The identification of host-directed treatments that reduce inflammation, accumulation of reactive oxygen species, and viral infectivity is an important goal of antiviral drug development. One advantage of host-directed antivirals is that their targets are encoded by the stable host genome, making emergence of viral resistance less likely. The KEAP1/NRF2 signaling pathway is the most important pathway in humans that protects cells from oxidative stress, and it also induces antiviral and anti-inflammatory responses. NRF2 activators, therefore, are promising candidates for development of host-directed antivirals. We evaluated three NRF2-activating compounds as host-directed treatments for influenza A virus (IAV) infection. All three compounds reduced viral replication, cellular inflammation, and reactive oxygen species. Surprisingly, these effects were completely independent of NRF2 signaling. Instead, we found that these compounds (particularly 4-octyl itaconate) interfere with export of viral RNA/protein complexes from the nucleus, thereby reducing release of viral particles. The most plausible explanation is that the “natural” target of these compounds, KEAP1 (which limits NRF2 signaling), and the nuclear export factor XPO1 (which is required for egress of IAV from the nucleus) contain similar binding sites, thus allowing “NRF2 activators” to also inhibit XPO1.

ABSTRACT Inhibitors of bromodomain and extra-terminal proteins (iBETs), including JQ-1, have been suggested as potential therapeutics against SARS-CoV-2 infection. However, molecular mechanisms underlying JQ-1-induced antiviral activity and its susceptibility to viral antagonism remain incompletely understood. iBET treatment transiently inhibited infection by SARS-CoV-2 variants and SARS-CoV, but not MERS-CoV. Our functional assays confirmed JQ-1-mediated downregulation of ACE2 expression and multi-omics analysis uncovered induction of an antiviral NRF-2-mediated cytoprotective response as an additional antiviral component of JQ-1 treatment. Serial passaging of SARS-CoV-2 in the presence of JQ-1 resulted in predominance of ORF6-deficient variants. JQ-1 antiviral activity was transient in human bronchial airway epithelial cells (hBAECs) treated prior to infection and absent when administered therapeutically. We propose that JQ-1 exerts pleiotropic effects that collectively induce a transient antiviral state that is ultimately nullified by an established SARS-CoV-2 infection, raising questions on their clinical suitability in the context of COVID-19.

ABSTRACT Mucociliary clearance is a key mechanical defense mechanism of human airways, and clearance failure is linked to major respiratory diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma. While single-cell transcriptomics have unveiled the cellular complexity of the human airway epithelium, our understanding of the mechanics that link epithelial structure to clearance function mainly stem from animal models. This reliance on animal data limits crucial insights into human airway barrier function and hampers the human-relevant in vitro modeling of airway diseases. Our study fills this crucial knowledge gap and for the first time (1) maps the distribution of ciliated and secretory cell types on the mucosal surface along the proximo-distal axis of the rat and human airway tree, (2) identifies species-specific differences in ciliary beat and clearance function, and (3) elucidates structural parameters of airway epithelia that predict clearance function in both native and in vitro tissues alike. Our broad range of experimental approaches and physics-based modeling translate into generalizable parameters to quantitatively benchmark the human-relevancy of mucociliary clearance in experimental models, and to characterize distinct disease states.