Abstract Background A physiological small-animal model that resembles COVID-19 with low mortality is lacking. Methods Molecular docking on the binding between angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) of common laboratory mammals and the receptor-binding domain of the surface spike protein of SARS-CoV-2 suggested that the golden Syrian hamster is an option. Virus challenge, contact transmission, and passive immunoprophylaxis studies were performed. Serial organ tissues and blood were harvested for histopathology, viral load and titer, chemokine/cytokine level, and neutralizing antibody titer. Results The Syrian hamster could be consistently infected by SARS-CoV-2. Maximal clinical signs of rapid breathing, weight loss, histopathological changes from the initial exudative phase of diffuse alveolar damage with extensive apoptosis to the later proliferative phase of tissue repair, airway and intestinal involvement with viral nucleocapsid protein expression, high lung viral load, and spleen and lymphoid atrophy associated with marked chemokine/cytokine activation were observed within the first week of virus challenge. The mean lung virus titer was between 105 and 107 TCID50/g. Challenged index hamsters consistently infected naive contact hamsters housed within the same cages, resulting in similar pathology but not weight loss. All infected hamsters recovered and developed mean serum neutralizing antibody titers ≥1:427 14 days postchallenge. Immunoprophylaxis with early convalescent serum achieved significant decrease in lung viral load but not in lung pathology. No consistent nonsynonymous adaptive mutation of the spike was found in viruses isolated from the infected hamsters. Conclusions Besides satisfying Koch’s postulates, this readily available hamster model is an important tool for studying transmission, pathogenesis, treatment, and vaccination against SARS-CoV-2.

Abstract Background Coronavirus disease 2019 (COVID-19) caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is believed to be mostly transmitted by medium- to large-sized respiratory droplets, although airborne transmission may be possible in healthcare settings involving aerosol-generating procedures. Exposure to respiratory droplets can theoretically be reduced by surgical mask usage. However, there is a lack of experimental evidence supporting surgical mask usage for prevention of COVID-19. Methods We used a well-established golden Syrian hamster SARS-CoV-2 model. We placed SARS-CoV-2-challenged index hamsters and naive hamsters into closed system units each comprising 2 different cages separated by a polyvinyl chloride air porous partition with unidirectional airflow within the isolator. The effect of a surgical mask partition placed between the cages was investigated. Besides clinical scoring, hamster specimens were tested for viral load, histopathology, and viral nucleocapsid antigen expression. Results Noncontact transmission was found in 66.7% (10/15) of exposed naive hamsters. Surgical mask partition for challenged index or naive hamsters significantly reduced transmission to 25% (6/24, P = .018). Surgical mask partition for challenged index hamsters significantly reduced transmission to only 16.7% (2/12, P = .019) of exposed naive hamsters. Unlike the severe manifestations of challenged hamsters, infected naive hamsters had lower clinical scores, milder histopathological changes, and lower viral nucleocapsid antigen expression in respiratory tract tissues. Conclusions SARS-CoV-2 could be transmitted by respiratory droplets or airborne droplet nuclei which could be reduced by surgical mask partition in the hamster model. This is the first in vivo experimental evidence to support the possible benefit of surgical mask in prevention of COVID-19 transmission, especially when masks were worn by infected individuals.

A novel coronavirus-severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-emerged in humans in Wuhan, China, in December 2019 and has since disseminated globally1,2. As of April 16, 2020, the confirmed case count of coronavirus disease 2019 (COVID-19) had surpassed 2 million. Based on full-genome sequence analysis, SARS-CoV-2 shows high homology to SARS-related coronaviruses identified in horseshoe bats1,2. Here we show the establishment and characterization of expandable intestinal organoids derived from horseshoe bats of the Rhinolophus sinicus species that can recapitulate bat intestinal epithelium. These bat enteroids are fully susceptible to SARS-CoV-2 infection and sustain robust viral replication. Development of gastrointestinal symptoms in some patients with COVID-19 and detection of viral RNA in fecal specimens suggest that SARS-CoV-2 might cause enteric, in addition to respiratory, infection3,4. Here we demonstrate active replication of SARS-CoV-2 in human intestinal organoids and isolation of infectious virus from the stool specimen of a patient with diarrheal COVID-19. Collectively, we established the first expandable organoid culture system of bat intestinal epithelium and present evidence that SARS-CoV-2 can infect bat intestinal cells. The robust SARS-CoV-2 replication in human intestinal organoids suggests that the human intestinal tract might be a transmission route of SARS-CoV-2.

Middle East respiratory syndrome (MERS) is associated with a mortality rate of >35%. We previously showed that MERS coronavirus (MERS-CoV) could infect human macrophages and dendritic cells and induce cytokine dysregulation. Here, we further investigated the interplay between human primary T cells and MERS-CoV in disease pathogenesis. Importantly, our results suggested that MERS-CoV efficiently infected T cells from the peripheral blood and from human lymphoid organs, including the spleen and the tonsil. We further demonstrated that MERS-CoV infection induced apoptosis in T cells, which involved the activation of both the extrinsic and intrinsic apoptosis pathways. Remarkably, immunostaining of spleen sections from MERS-CoV-infected common marmosets demonstrated the presence of viral nucleoprotein in their CD3(+) T cells. Overall, our results suggested that the unusual capacity of MERS-CoV to infect T cells and induce apoptosis might partly contribute to the high pathogenicity of the virus.

The emergence of SARS-CoV-2 has led to the current global coronavirus pandemic and more than one million infections since December 2019. The exact origin of SARS-CoV-2 remains elusive, but the presence of a distinct motif in the S1/S2 junction region suggests the possible acquisition of cleavage site(s) in the spike protein that promoted cross-species transmission. Through plaque purification of Vero-E6 cultured SARS-CoV-2, we found a series of variants which contain 15-30-bp deletions (Del-mut) or point mutations respectively at the S1/S2 junction. Examination of the original clinical specimen from which the isolate was derived, and 26 additional SARS-CoV-2 positive clinical specimens, failed to detect these variants. Infection of hamsters shows that one of the variants (Del-mut-1) which carries deletion of 10 amino acids (30bp) does not cause the body weight loss or more severe pathological changes in the lungs that is associated with wild type virus infection. We suggest that the unique cleavage motif promoting SARS-CoV-2 infection in humans may be under strong selective pressure, given that replication in permissive Vero-E6 cells leads to the loss of this adaptive function. It would be important to screen the prevalence of these variants in asymptomatic infected cases. The potential of the Del-mut variants as an attenuated vaccine or laboratory tool should be evaluated.

SUMMARY The ongoing pandemic caused by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is currently affecting millions of lives worldwide. Large retrospective studies indicate that an elevated level of inflammatory cytokines and pro-inflammatory factors are associated with both increased disease severity and mortality. Here, using multidimensional epigenetic, transcriptional, in vitro and in vivo analyses, we report that Topoisomerase 1 (Top1) inhibition suppresses lethal inflammation induced by SARS-CoV-2. Therapeutic treatment with two doses of Topotecan (TPT), a FDA-approved Top1 inhibitor, suppresses infection-induced inflammation in hamsters. TPT treatment as late as four days post-infection reduces morbidity and rescues mortality in a transgenic mouse model. These results support the potential of Top1 inhibition as an effective host-directed therapy against severe SARS-CoV-2 infection. TPT and its derivatives are inexpensive clinical-grade inhibitors available in most countries. Clinical trials are needed to evaluate the efficacy of repurposing Top1 inhibitors for COVID-19 in humans.

Summary SARS-CoV-2 causes disease varying in severity from asymptomatic infections to severe respiratory distress and death in humans. The viral factors which determine transmissibility and pathogenicity are not yet clearly characterized. We used the hamster infection model to compare the replication ability and pathogenicity of five SARS-CoV-2 strains isolated from early cases originating in Wuhan, China, in February, and infected individuals returning from Europe and elsewhere in March 2020. The HK-13 and HK-95 isolates showed distinct pathogenicity in hamsters, with higher virus titers and more severe pathological changes in the lungs observed compared to other isolates. HK-95 contains a D614G substitution in the spike protein and demonstrated higher viral gene expression and transmission efficiency in hamsters. Intra-host diversity analysis revealed that further quasi species were generated during hamster infections, indicating that strain-specific adaptive mutants with advantages in replication and transmission will continue to arise and dominate subsequent waves of SARS-CoV-2 dissemination.

Abstract Long COVID or Post-acute sequalae of COVID-19 (PASC) defines the persistent signs, symptoms, and conditions long after initial SARS-CoV-2 infection which affecting over 10% of COVID-19 patients, with 40% of them affecting respiratory system. The lung histopathological changes and underlying mechanism remain elusive. Here we systemically investigate histopathological and transcriptional changes at 7, 14, 42, 84 and 120 days-post-SARS-CoV-2-infection (dpi) in hamster. We demonstrate persistent viral residues, chronic inflammatory and fibrotic changes from 42dpi to 120dpi. The most prominent lung histopathological lesion is multifocal alveolar-bronchiolization observed in every animal from 14dpi until 120dpi. However, none of the above are observed in hamsters recovered from influenza A infection. We show airway progenitor CK14+ basal cells actively proliferate, differentiate into SCGB1A+ club cell or Tubulin+ ciliated cells, leading to alveolar-bronchiolization. Most importantly, Notch pathway is persistently upregulated. Intensive Notch3 and Hes1 protein expression are detected in alveolar-bronchiolization foci, suggesting the association of sustained Notch signaling with dysregulated lung regeneration. Lung spatial transcriptomics show upregulation of genes positively regulating Notch signaling is spatially overlapping with alveolar-bronchiolization region. To be noted, significant upregulation of tumor-related genes was detected in abnormal bronchiolization region by spatial transcriptomics analysis, indicating possible risk of lung carcinoma. Collectively, our data suggests SARS-CoV-2 infection caused chronic inflammatory and fibrotic tissue damages in hamster lung, sustained upregulation of Notch pathway signaling contributed to the dysregulated lung regeneration and CK14+ basal cells-driven alveolar-bronchiolization. The study provides important information for potential therapeutic approaches and probable long-term surveillance of malignancy in PASC management.

Abstract SARS-CoV-2 contains a PRRA polybasic cleavage motif considered critical for efficient infection and transmission in humans. We previously reported that virus variants with spike protein S1/S2 junction deletions spanning this motif are attenuated. Here we characterize a further cell-adapted SARS-CoV-2 variant, Ca-DelMut. Ca-DelMut replicates more efficiently than wild type or parental virus in cells, but causes no apparent disease in hamsters, despite replicating in respiratory tissues. Unlike wild type virus, Ca-DelMut does not induce proinflammatory cytokines in hamster infections, but still triggers a strong neutralizing antibody response. Ca-DelMut-immunized hamsters challenged with wild type SARS-CoV-2 are fully protected, demonstrating sterilizing immunity.