ABSTRACT Phylogenetic analysis has demonstrated that some positive-sense RNA viruses can be classified into the picornavirus-like supercluster, which includes picornaviruses, caliciviruses, and coronaviruses. These viruses possess 3C or 3C-like proteases (3Cpro or 3CLpro, respectively), which contain a typical chymotrypsin-like fold and a catalytic triad (or dyad) with a Cys residue as a nucleophile. The conserved key sites of 3Cpro or 3CLpro may serve as attractive targets for the design of broad-spectrum antivirals for multiple viruses in the supercluster. We previously reported the structure-based design and synthesis of potent protease inhibitors of Norwalk virus (NV), a member of the Caliciviridae family. We report herein the broad-spectrum antiviral activities of three compounds possessing a common dipeptidyl residue with different warheads, i.e., an aldehyde (GC373), a bisulfite adduct (GC376), and an α-ketoamide (GC375), against viruses that belong to the supercluster. All compounds were highly effective against the majority of tested viruses, with half-maximal inhibitory concentrations in the high nanomolar or low micromolar range in enzyme- and/or cell-based assays and with high therapeutic indices. We also report the high-resolution X-ray cocrystal structures of NV 3CLpro-, poliovirus 3Cpro-, and transmissible gastroenteritis virus 3CLpro- GC376 inhibitor complexes, which show the compound covalently bound to a nucleophilic Cys residue in the catalytic site of the corresponding protease. We conclude that these compounds have the potential to be developed as antiviral therapeutics aimed at a single virus or multiple viruses in the picornavirus-like supercluster by targeting 3Cpro or 3CLpro.

Optimized small-molecule 3C-like protease inhibitors show potency against human coronaviruses in both cell culture and a mouse model.

Coronaviruses infect animals and humans causing a wide range of diseases. The diversity of coronaviruses in many mammalian species is contributed by relatively high mutation and recombination rates during replication. This dynamic nature of coronaviruses may facilitate cross-species transmission and shifts in tissue or cell tropism in a host, resulting in substantial change in virulence. Feline enteric coronavirus (FECV) causes inapparent or mild enteritis in cats, but a highly fatal disease, called feline infectious peritonitis (FIP), can arise through mutation of FECV to FIP virus (FIPV). The pathogenesis of FIP is intimately associated with immune responses and involves depletion of T cells, features shared by some other coronaviruses like Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus. The increasing risks of highly virulent coronavirus infections in humans or animals call for effective antiviral drugs, but no such measures are yet available. Previously, we have reported the inhibitors that target 3C-like protease (3CLpro) with broad-spectrum activity against important human and animal coronaviruses. Here, we evaluated the therapeutic efficacy of our 3CLpro inhibitor in laboratory cats with FIP. Experimental FIP is 100% fatal once certain clinical and laboratory signs become apparent. We found that antiviral treatment led to full recovery of cats when treatment was started at a stage of disease that would be otherwise fatal if left untreated. Antiviral treatment was associated with a rapid improvement in fever, ascites, lymphopenia and gross signs of illness and cats returned to normal health within 20 days or less of treatment. Significant reduction in viral titers was also observed in cats. These results indicate that continuous virus replication is required for progression of immune-mediated inflammatory disease of FIP. These findings may provide important insights into devising therapeutic strategies and selection of antiviral compounds for further development for important coronaviruses in animals and humans.

Objectives The safety and efficacy of the 3C-like protease inhibitor GC376 was tested on a cohort of client-owned cats with various forms of feline infectious peritonitis (FIP). Methods Twenty cats from 3.3–82 months of age (mean 10.4 months) with various forms of FIP were accepted into a field trial. Fourteen cats presented with wet or dry-to-wet FIP and six cats presented with dry FIP. GC376 was administered subcutaneously every 12 h at a dose of 15 mg/kg. Cats with neurologic signs were excluded from the study. Results Nineteen of 20 cats treated with GC376 regained outward health within 2 weeks of initial treatment. However, disease signs recurred 1–7 weeks after primary treatment and relapses and new cases were ultimately treated for a minimum of 12 weeks. Relapses no longer responsive to treatment occurred in 13 of these 19 cats within 1–7 weeks of initial or repeat treatment(s). Severe neurologic disease occurred in 8/13 cats that failed treatment and five cats had recurrences of abdominal lesions. At the time of writing, seven cats were in disease remission. Five kittens aged 3.3–4.4 months with wet FIP were treated for 12 weeks and have been in disease remission after stopping treatment and at the time of writing for 5–14 months (mean 11.2 months). A sixth kitten was in remission for 10 weeks after 12 weeks of treatment, relapsed and is responding to a second round of GC376. The seventh was a 6.8-year-old cat with only mesenteric lymph node involvement that went into remission after three relapses that required progressively longer repeat treatments over a 10 month period. Side effects of treatment included transient stinging upon injection and occasional foci of subcutaneous fibrosis and hair loss. There was retarded development and abnormal eruption of permanent teeth in cats treated before 16–18 weeks of age. Conclusions and relevance GC376 showed promise in treating cats with certain presentations of FIP and has opened the door to targeted antiviral drug therapy.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection continues to be a serious global public health threat. The 3C-like protease (3CLpro) is a virus protease encoded by SARS-CoV-2, which is essential for virus replication. We have previously reported a series of small molecule 3CLpro inhibitors effective for inhibiting replication of human coronaviruses including SARS-CoV-2 in cell culture and in animal models. Here we generated a series of deuterated variants of a 3CLpro inhibitor, GC376, and evaluated the antiviral effect against SARS-CoV-2. The deuterated GC376 displayed potent inhibitory activity against SARS-CoV-2 in the enzyme and the cell-based assays. The K18-hACE2 mice develop mild to lethal infection commensurate with SARS-CoV-2 challenge doses and was proposed as a model for efficacy testing of antiviral agents. We treated lethally infected mice with a deuterated derivative of GC376. Treatment of K18-hACE2 mice at 24 hr post infection with a derivative (compound 2) resulted in increased survival of mice compared to vehicle-treated mice. Lung virus titers were decreased, and histopathological changes were ameliorated in compound 2-treated mice compared to vehicle-treated mice. Structural investigation using high-resolution crystallography illuminated binding interactions of 3CLpro of SARS-CoV-2 and SARS-CoV with deuterated variants of GC376. Taken together, deuterated GC376 variants have excellent potential as antiviral agents against SARS-CoV-2.

Abstract Rabbit hemorrhagic disease (RHD) and European brown hare syndrome (EBHS) are highly contagious diseases caused by lagoviruses in the Caliciviridae family and mainly affect rabbits and hares, respectively. These infectious diseases are associated with high mortality and a serious threat to domesticated and wild rabbits and hares, including endangered species such as Riparian brush rabbits. In the US, only isolated cases of RHD had been reported until Spring 2020. However, RHD caused by RHD type 2 virus (RHDV2) was unexpectedly reported in April 2020 in New Mexico and has subsequently spread to several US states infecting wild rabbits and hares, making it highly likely that RHD will become endemic in the US. Vaccines are available for RHD, however, there is no specific treatment for these diseases. RHDV and EBHSV encode a 3C-like protease (3CLpro), which is essential for virus replication and a promising target for antiviral drug development. We have previously generated focused small molecule libraries of 3CLpro inhibitors and demonstrated the in vitro potency and in vivo efficacy of some protease inhibitors against viruses that encode 3CLpro including caliciviruses and coronaviruses. Here we established the enzyme and cell-based assays for these uncultivable viruses to determine the in vitro activity of 3CLpro inhibitors, including GC376, a protease inhibitor being developed for feline infectious peritonitis, and identified potent inhibitors of RHDV1 and 2 and EBHSV. In addition, structure-activity relationship study and homology modelling of the 3CLpros and inhibitors revealed that lagoviruses share similar structural requirements for 3CLpro inhibition with other caliciviruses.

Zoonotic coronaviruses are known to produce severe infections in humans and have been the cause of significant morbidity and mortality worldwide. SARS-CoV-2 was the largest and latest contributor of fatal cases, even though MERS-CoV has the highest case-fatality ratio among zoonotic coronaviruses. These infections pose a high risk to public health worldwide warranting efforts for the expeditious discovery of antivirals. Hence, we hereby describe a novel series of inhibitors of coronavirus 3CL