Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent for coronavirus 2019 (COVID-19) pneumonia. Little is known about the kinetics, tissue distribution, cross-reactivity, and neutralization antibody response in patients with COVID-19. Two groups of patients with RT-PCR–confirmed COVID-19 were enrolled in this study: 12 severely ill patients in intensive care units who needed mechanical ventilation and 11 mildly ill patients in isolation wards. Serial clinical samples were collected for laboratory detection. Results showed that most of the severely ill patients had viral shedding in a variety of tissues for 20–40 days after onset of disease (8/12, 66.7%), while the majority of mildly ill patients had viral shedding restricted to the respiratory tract and had no detectable virus RNA 10 days after onset (9/11, 81.8%). Mildly ill patients showed significantly lower IgM response compared with that of the severe group. IgG responses were detected in most patients in both the severe and mild groups at 9 days after onset, and remained at a high level throughout the study. Antibodies cross-reactive to SARS-CoV and SARS-CoV-2 were detected in patients with COVID-19 but not in patients with MERS. High levels of neutralizing antibodies were induced after about 10 days after onset in both severely and mildly ill patients which were higher in the severe group. SARS-CoV-2 pseudotype neutralization test and focus reduction neutralization test with authentic virus showed consistent results. Sera from patients with COVID-19 inhibited SARS-CoV-2 entry. Sera from convalescent patients with SARS or Middle East respiratory syndrome (MERS) did not. Anti–SARS-CoV-2 S and N IgG levels exhibited a moderate correlation with neutralization titers in patients' plasma. This study improves our understanding of immune response in humans after SARS-CoV-2 infection.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 was isolated from feces of a patient in China with coronavirus disease who died. Confirmation of infectious virus in feces affirms the potential for fecal–oral or fecal–respiratory transmission and warrants further study.

Two zoonotic coronaviruses (CoVs)—SARS-CoV and MERS-CoV—have crossed species to cause severe human respiratory disease. Here, we showed that induction of airway memory CD4+ T cells specific for a conserved epitope shared by SARS-CoV and MERS-CoV is a potential strategy for developing pan-coronavirus vaccines. Airway memory CD4+ T cells differed phenotypically and functionally from lung-derived cells and were crucial for protection against both CoVs in mice. Protection was dependent on interferon-γ and required early induction of robust innate and virus-specific CD8+ T cell responses. The conserved epitope was also recognized in SARS-CoV- and MERS-CoV-infected human leukocyte antigen DR2 and DR3 transgenic mice, indicating potential relevance in human populations. Additionally, this epitope was cross-protective between human and bat CoVs, the progenitors for many human CoVs. Vaccine strategies that induce airway memory CD4+ T cells targeting conserved epitopes might have broad applicability in the context of new CoVs and other respiratory virus outbreaks.

COVID-19, caused by SARS-CoV-2, is a virulent pneumonia, with >4,000,000 confirmed cases worldwide and >290,000 deaths as of May 15, 2020. It is critical that vaccines and therapeutics be developed very rapidly. Mice, the ideal animal for assessing such interventions, are resistant to SARS-CoV-2. Here, we overcome this difficulty by exogenous delivery of human ACE2 with a replication-deficient adenovirus (Ad5-hACE2). Ad5-hACE2-sensitized mice developed pneumonia characterized by weight loss, severe pulmonary pathology, and high-titer virus replication in lungs. Type I interferon, T cells, and, most importantly, signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) are critical for virus clearance and disease resolution in these mice. Ad5-hACE2-transduced mice enabled rapid assessments of a vaccine candidate, of human convalescent plasma, and of two antiviral therapies (poly I:C and remdesivir). In summary, we describe a murine model of broad and immediate utility to investigate COVID-19 pathogenesis and to evaluate new therapies and vaccines.

In this era of continued emergence of zoonotic virus infections, the rapid development of rodent models represents a critical barrier to public health preparedness, including the testing of antivirus therapy and vaccines. The Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) was recently identified as the causative agent of a severe pneumonia. Given the ability of coronavirus to rapidly adapt to new hosts, a major public health concern is that MERS-CoV will further adapt to replication in humans, triggering a pandemic. No small-animal model for this infection is currently available, but studies suggest that virus entry factors can confer virus susceptibility. Here, we show that mice were sensitized to MERS-CoV infection by prior transduction with adenoviral vectors expressing the human host-cell receptor dipeptidyl peptidase 4. Mice developed a pneumonia characterized by extensive inflammatory-cell infiltration with virus clearance occurring 6-8 d after infection. Clinical disease and histopathological changes were more severe in the absence of type-I IFN signaling whereas the T-cell response was required for virus clearance. Using these mice, we demonstrated the efficacy of a therapeutic intervention (poly I:C) and a potential vaccine [Venezuelan equine encephalitis replicon particles expressing MERS-CoV spike protein]. We also found little protective cross-reactivity between MERS-CoV and the severe acute respiratory syndrome-CoV. Our results demonstrate that this system will be useful for MERS-CoV studies and for the rapid development of relevant animal models for emerging respiratory viral infections.

ABSTRACT A dysregulated innate immune response and exuberant cytokine/chemokine expression are believed to be critical factors in the pathogenesis of severe acute respiratory syndrome (SARS), caused by a coronavirus (SARS-CoV). However, we recently showed that inefficient immune activation and a poor virus-specific T cell response underlie severe disease in SARS-CoV-infected mice. Here, we extend these results to show that virus-specific T cells, in the absence of activation of the innate immune response, were sufficient to significantly enhance survival and diminish clinical disease. We demonstrated that T cells are responsible for virus clearance, as intravenous adoptive transfer of SARS-CoV-immune splenocytes or in vitro -generated T cells to SCID or BALB/c mice enhanced survival and reduced virus titers in the lung. Enhancement of the number of virus-specific CD8 T cells by immunization with SARS-CoV peptide-pulsed dendritic cells also resulted in a robust T cell response, earlier virus clearance, and increased survival. These studies are the first to show that T cells play a crucial role in SARS-CoV clearance and that a suboptimal T cell response contributes to the pathological changes observed in SARS. They also provide a new approach to SARS vaccine design.

MERS-CoV T cell responses can be detected in MERS survivors in the absence of detectable virus-specific antibody.

The morbidity and mortality associated with respiratory virus infection is felt most keenly among the elderly. T cells are necessary for viral clearance, and many age-dependent intrinsic T cell defects have been documented. However, the development of robust T cell responses in the lung also requires respiratory DCs (rDCs), which must process antigen and migrate to draining LNs (DLNs), and little is known about age-related defects in these T cell-extrinsic functions. Here, we show that increases in prostaglandin D(2) (PGD(2)) expression in mouse lungs upon aging correlate with a progressive impairment in rDC migration to DLNs. Decreased rDC migration resulted in diminished T cell responses and more severe clinical disease in older mice infected with respiratory viruses. Diminished rDC migration associated with virus-specific defects in T cell responses and was not a result of cell-intrinsic defect, rather it reflected the observed age-dependent increases in PGD(2) expression. Blocking PGD(2) function with small-molecule antagonists enhanced rDC migration, T cell responses, and survival. This effect correlated with upregulation on rDCs of CCR7, a chemokine receptor involved in DC chemotaxis. Our results suggest that inhibiting PGD(2) function may be a useful approach to enhance T cell responses against respiratory viruses in older humans.

ABSTRACT As of middle May 2020, the causative agent of COVID-19, SARS-CoV-2, has infected over 4 million people with more than 300 thousand death as official reports 1,2 . The key to understanding the biology and virus-host interactions of SARS-CoV-2 requires the knowledge of mutation and evolution of this virus at both inter- and intra-host levels. However, despite quite a few polymorphic sites identified among SARS-CoV-2 populations, intra-host variant spectra and their evolutionary dynamics remain mostly unknown. Here, using deep sequencing data, we achieved and characterized consensus genomes and intra-host genomic variants from 32 serial samples collected from eight patients with COVID-19. The 32 consensus genomes revealed the coexistence of different genotypes within the same patient. We further identified 40 intra-host single nucleotide variants (iSNVs). Most (30/40) iSNVs presented in single patient, while ten iSNVs were found in at least two patients or identical to consensus variants. Comparison of allele frequencies of the iSNVs revealed genetic divergence between intra-host populations of the respiratory tract (RT) and gastrointestinal tract (GIT), mostly driven by bottleneck events among intra-host transmissions. Nonetheless, we observed a maintained viral genetic diversity within GIT, showing an increased population with accumulated mutations developed in the tissue-specific environments. The iSNVs identified here not only show spatial divergence of intra-host viral populations, but also provide new insights into the complex virus-host interactions.

Abstract The emergence of the novel human coronavirus, SARS-CoV-2, causes a global COVID-19 (coronavirus disease 2019) pandemic. Here, we have characterized and compared viral populations of SARS-CoV-2 among COVID-19 patients within and across households. Our work showed an active viral replication activity in the human respiratory tract and the co-existence of genetically distinct viruses within the same host. The inter-host comparison among viral populations further revealed a narrow transmission bottleneck between patients from the same households, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Author summary In this study, we compared SARS-CoV-2 populations of 13 Chinese COVID-19 patients. Those viral populations contained a considerable proportion of viral sub-genomic messenger RNAs (sgmRNA), reflecting an active viral replication activity in the respiratory tract tissues. The comparison of 66 identified intra-host variants further showed a low viral genetic distance between intra-household patients and a narrow transmission bottleneck size. Despite the co-existence of genetically distinct viruses within the same host, most intra-host minor variants were not shared between transmission pairs, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Furthermore, the narrow bottleneck and active viral activity in the respiratory tract show that the passage of a small number of virions can cause infection. Our data have therefore delivered a key genomic resource for the SARS-CoV-2 transmission research and enhanced our understanding of the evolutionary dynamics of SARS-CoV-2.