There is an unmet need for pre-clinical models to understand the pathogenesis of human respiratory viruses; and predict responsiveness to immunotherapies. Airway organoids can serve as an ex-vivo human airway model to study respiratory viral pathogenesis; however, they rely on invasive techniques to obtain patient samples. Here, we report a non-invasive technique to generate human nose organoids (HNOs) as an alternate to biopsy derived organoids. We made air liquid interface (ALI) cultures from HNOs and assessed infection with two major human respiratory viruses, respiratory syncytial virus (RSV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Infected HNO-ALI cultures recapitulate aspects of RSV and SARS-CoV-2 infection, including viral shedding, ciliary damage, innate immune responses, and mucus hyper-secretion. Next, we evaluated the feasibility of the HNO-ALI respiratory virus model system to test the efficacy of palivizumab to prevent RSV infection. Palivizumab was administered in the basolateral compartment (circulation) while viral infection occurred in the apical ciliated cells (airways), simulating the events in infants. In our model, palivizumab effectively prevented RSV infection in a concentration dependent manner. Thus, the HNO-ALI model can serve as an alternate to lung organoids to study respiratory viruses and testing therapeutics.

ABSTRACT Respiratory syncytial virus (RSV) is a leading cause of pediatric acute respiratory infection worldwide. There are currently no approved vaccines or antivirals to combat RSV disease. A few transformed cell lines and two historic strains have been extensively used to study RSV. Here we report a thorough molecular and cell biological characterization of HEp-2 and A549 cells infected with four strains of RSV representing both major subgroups as well as historic and more contemporaneous genotypes -- [RSV/A/Tracy (GA1), RSV/A/Ontario (ON), RSV/B/18537 (GB1), RSV/B/Buenos Aires (BA)] -- via measurements of viral replication kinetics and viral gene expression, immunofluorescence-based imaging of gross cellular morphology and cell-associated RSV, and measurements of host response including transcriptional changes and levels of secreted cytokines and growth factors. Our findings strongly suggest 1) the existence of a conserved difference in gene expression between RSV subgroups A and B; 2) the A549 cell line is a more stringent and natural host of replicating RSV than the HEp-2 cell line; and 3) consistent with previous studies, determining the full effects of viral genetic variation in RSV pathogenesis requires model systems as tractable as transformed cell lines but better representative of the human host. IMPORTANCE Infection with respiratory syncytial virus (RSV) early in life is essentially guaranteed and can lead to severe disease. In vitro data from two historic RSV/A strains and two cell lines, HEp-2 and A549, constitute most of our knowledge; but RSV contains ample variation from two evolving subgroups (A and B) showing recent convergent evolution. Here we measure viral action and host response in HEp-2 and A549 cells infected with four RSV strains from both subgroups and representing both historic and more contemporaneous strains. We discover a subgroup-dependent difference in viral gene expression and find A549 cells are more potently antiviral and more sensitive, albeit subtly, to viral variation. Our findings reveal important differences between RSV subgroups and two widely used cell lines and provide baseline data for experiments with model systems better representative of natural RSV infection.

Respiratory syncytial virus (RSV) is a common cause of respiratory infections, causing significant morbidity and mortality, especially in young children. Why RSV infection in children is more severe as compared to healthy adults is not fully understood. In the present study, we infect both pediatric and adult human nose organoid-air liquid interface (HNO-ALIs) cell lines with two contemporary RSV isolates and demonstrate how they differ in virus replication, induction of the epithelial cytokine response, cell injury, and remodeling. Pediatric HNO-ALIs were more susceptible to early RSV replication, elicited a greater overall cytokine response, demonstrated enhanced mucous production, and manifested greater cellular damage compared to their adult counterparts. Adult HNO-ALIs displayed enhanced mucus production and robust cytokine response that was well controlled by superior regulatory cytokine response and possibly resulted in lower cellular damage than in pediatric lines. Taken together, our data suggest substantial differences in how pediatric and adult upper respiratory tract epithelium responds to RSV infection. These differences in epithelial cellular response can lead to poor mucociliary clearance and predispose infants to a worse respiratory outcome of RSV infection.