Vaccine and antiviral development against SARS-CoV-2 infection or COVID-19 disease would benefit from validated small animal models. Here, we show that transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) by the human cytokeratin 18 promoter (K18 hACE2) represent a susceptible rodent model. K18 hACE2 transgenic mice succumbed to SARS-CoV-2 infection by day 6, with virus detected in lung airway epithelium and brain. K18 ACE2 transgenic mice produced a modest TH1/2/17 cytokine storm in the lung and spleen that peaked by day 2, and an extended chemokine storm that was detected in both lungs and brain. This chemokine storm was also detected in the brain at day 6. K18 hACE2 transgenic mice are, therefore, highly susceptible to SARS-CoV-2 infection and represent a suitable animal model for the study of viral pathogenesis, and for identification and characterization of vaccines (prophylactic) and antivirals (therapeutics) for SARS-CoV-2 infection and associated severe COVID-19 disease.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) is the third coronavirus in less than 20 years to spillover from an animal reservoir and cause severe disease in humans. High impact respiratory viruses such as pathogenic beta-coronaviruses and influenza viruses, as well as other emerging respiratory viruses, pose an ongoing global health threat to humans. There is a critical need for physiologically relevant, robust and ready to use,

ABSTRACT Vaccine and antiviral development against SARS-CoV-2 infection or COVID-19 disease currently lacks a validated small animal model. Here, we show that transgenic mice expressing human angiotensin converting enzyme 2 (hACE2) by the human cytokeratin 18 promoter (K18 hACE2) represent a susceptible rodent model. K18 hACE2-transgenic mice succumbed to SARS-CoV-2 infection by day 6, with virus detected in lung airway epithelium and brain. K18 ACE2-transgenic mice produced a modest TH1/2/17 cytokine storm in the lung and spleen that peaked by day 2, and an extended chemokine storm that was detected in both lungs and brain. This chemokine storm was also detected in the brain at day 4. K18 hACE2-transgenic mice are, therefore, highly susceptible to SARS-CoV-2 infection and represent a suitable animal model for the study of viral pathogenesis, and for identification and characterization of vaccines (prophylactic) and antivirals (therapeutics) for SARS-CoV-2 infection and associated severe COVID-19 disease.

ABSTRACT The elderly population is at significant risk of developing respiratory diseases, including tuberculosis (TB) caused by the airborne Mycobacterium tuberculosis ( M.tb ). Once M.tb reaches the alveolar space, it contacts alveolar lining fluid (ALF) which dictates host cell interactions. We previously determined that age-associated dysfunctionality in human ALF soluble innate components lead to accelerated M.tb growth within human alveolar macrophages. Here we determined the impact of human ALF on M.tb infection of alveolar epithelial cells (ATs), another critical cellular determinant of infection. We observed that E-ALF-exposed M.tb had significantly increased intracellular growth in ATs compared to adult ALF (A-ALF)-exposed bacteria. Despite this, there were no alterations in AT inflammatory mediators or cell activation. However, exposure to E-ALF altered endosomal trafficking of M.tb , driving bacterial translocation to both endosomal and cytosolic compartments in ATs. Our results indicate that exposure of M.tb to E-ALF promotes translocation of bacteria into the AT cytosol as a potential favorable niche for rapid bacterial growth and at the same time dampens AT’s immune responses. Thus, our findings highlight the influence of the elderly lung mucosa on M.tb infection of ATs, an unexplored contributing factor to the elderly population’s increased susceptibility of developing active TB disease.

Abstract The elderly population is at increased risk of acute and chronic respiratory infections and other pulmonary diseases, and it is estimated that this population will double in the next 30 years. Biochemical changes in the lung alveolar mucosa and lung cells alter local immune response as we age, creating opportunities for invading pathogens to establish successful infections. Indeed, the lungs of the elderly are a pro-inflammatory, pro-oxidative, dysregulated environment but this environment has remained understudied. We performed a comprehensive, quantitative proteomic profile of the lung mucosa in the elderly, developing insight into the molecular fingerprints, pathways, and regulatory networks that characterize the lung in old age. We identified neutrophils in the lungs of elderly individuals as possible contributors to dysregulated lung tissue environment. This study establishes a baseline for future investigations to develop strategies to mitigate susceptibility to respiratory infections in the elderly.

Abstract Mitochondrial dysfunction alters cellular metabolism, increases tissue oxidative stress, and may be principal to the dysregulated signaling and function of CD4 + T lymphocytes in the elderly. In this proof of principle study, we investigated whether the transfer of functional mitochondria into CD4 + T cells that were isolated from old mice (aged CD4 + T cells), could abrogate aging-associated mitochondrial dysfunction, and improve the aged CD4 + T cell functionality. Our results show that the delivery of exogenous mitochondria to aged non-activated CD4 + T cells led to significant mitochondrial proteome alterations highlighted by improved aerobic metabolism and decreased cellular mitoROS. Additionally, mito-transferred aged CD4 + T cells showed improvements in activation-induced TCR-signaling kinetics displaying markers of activation (CD25), increased IL-2 production, enhanced proliferation ex vivo . Importantly, immune deficient mouse models (RAG-KO) showed that adoptive transfer of mito-transferred naive aged CD4 + T cells, protected recipient mice from influenza A and Mycobacterium tuberculosis infections. These findings support mitochondria as targets of therapeutic intervention in aging.

ABSTRACT Tuberculosis is the leading cause of death for people living with HIV (PLWH). We hypothesized that altered functions of innate immune components in the human alveolar lining fluid of PLWH (HIV-ALF), drive susceptibility to Mycobacterium tuberculosis ( M.tb ) infection. Our results indicate a significant increase in oxidation of innate proteins and chemokine levels, and significantly lower levels and function of complement components and Th1/Th2/Th17 cytokines in HIV-ALF vs. control-ALF (non-HIV infected people). We further found a deficiency of surfactant protein-D (SP-D) and reduced binding of SP-D to M.tb that had been exposed to HIV-ALF. Primary human macrophages infected with M.tb exposed to HIV-ALF were significantly less capable of controlling the infection, which was reversed by SP-D replenishment in HIV-ALF. Thus, our data suggest that PLWH without antiretroviral therapy (ART) have declining host innate defense function in their lung mucosa, thereby favoring M.tb and potentially other pulmonary infections.

ABSTRACT Background Tuberculosis (TB) is one of the top leading causes of death due to a single infectious agent. Upon infection, Mycobacterium tuberculosis ( M.tb ) is deposited in the alveoli and encounters the lung mucosa or alveolar lining fluid (ALF). We previously determined that increased M.tb replication in human macrophages and alveolar epithelial cells (ATs) is mediated by age-associated changes in human ALF. Here we determine the transcriptional profile of M.tb when exposed to healthy ALF from adult (A-ALF) or elderly (E-ALF) individuals before and during infection of ATs. Results Prior to infection, exposure to E-ALF upregulates M.tb genes associated with the ESX-4 secretion system, immunomodulatory proteins from the ESX-5 system, and genes encoding phospholipases, phosphatases, and proteases. During infection, E-ALF exposure upregulates key M.tb genes from the ESX-5 secretion system, genes associated with PDIMs biosynthesis and transport, and genes linked to bacterial oxidative stress defense mechanisms. Conclusions These findings demonstrate how altered ALF in old age can impact the metabolic status of M.tb , enabling greater adaptation to the host and potentially explaining Mtb’ s increased survival within host cells. Importantly, we present the first transcriptomic analysis on the impact of the elderly lung mucosa on M.tb pathogenesis during intracellular replication in ATs.

ABSTRACT Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has led to a worldwide Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) pandemic. Despite high efficacy of the authorized vaccines, protection against the surging variants of concern (VoC) was less robust. Live-attenuated vaccines (LAV) have been shown to elicit robust and long-term protection by induction of host innate and adaptive immune responses. We sought to develop a COVID-19 LAV by generating 3 double open reading frame (ORF)-deficient recombinant (r)SARS-CoV-2 simultaneously lacking two accessory open reading frame (ORF) proteins (ORF3a/ORF6, ORF3a/ORF7a, and ORF3a/ORF7b). Here, we report that these double ORF-deficient rSARS-CoV-2 have slower replication kinetics and reduced fitness in cultured cells as compared to their parental wild-type (WT) counterpart. Importantly, these double ORF-deficient rSARS-CoV-2 showed attenuation in both K18 hACE2 transgenic mice and golden Syrian hamsters. A single intranasal dose vaccination induced high levels of neutralizing antibodies against different SARS-CoV-2 VoC, and also activated viral component-specific T-cell responses. Notably, the double ORF-deficient rSARS-CoV-2 were able to protect, as determined by inhibition of viral replication, shedding, and transmission, against challenge with SARS-CoV-2. Collectively, our results demonstrate the feasibility to implement these double ORF-deficient rSARS-CoV-2 as safe, stable, immunogenic and protective LAV for the prevention of SARS-CoV-2 infection and associated COVID-19 disease.

Tuberculosis (TB) infection, caused by the airborne pathogen Mycobacterium tuberculosis ( M . tb ), resulted in almost 1.4 million deaths in 2019 and the number of deaths is predicted to increase by 20% over the next 5 years due to the COVID-19 pandemic. Upon reaching the alveolar space, M . tb comes in close contact with the lung mucosa before and after its encounter with host alveolar compartment cells. Our previous studies show that homeostatic innate soluble components of the alveolar lining fluid (ALF) can quickly alter the cell envelope surface of M . tb upon contact, defining subsequent M . tb -host cell interactions and infection outcomes in vitro and in vivo . We also demonstrated that ALF from 60+ year old elders (E-ALF) vs . healthy 18- to 45-year-old adults (A-ALF) is dysfunctional with loss of homeostatic capacity and impaired innate soluble responses linked to high local oxidative stress. In this study, a targeted transcriptional assay demonstrates that M . tb exposure to human ALF alters the expression of its cell envelope genes. Specifically, our results indicate that A-ALF-exposed M . tb upregulates cell envelope genes associated with lipid, carbohydrate, and amino acid metabolism, as well as genes associated with redox homeostasis and transcriptional regulators. Conversely, M . tb exposure to E-ALF shows lesser transcriptional response, with most of the M . tb genes unchanged or downregulated. Overall, this study indicates that M . tb responds and adapts to the lung alveolar environment upon contact, and that the host ALF status determined by factors such as age might play an important role in determining infection outcome.