The recent Zika virus outbreak highlights the need for low-cost diagnostics that can be rapidly developed for distribution and use in pandemic regions. Here, we report a pipeline for the rapid design, assembly, and validation of cell-free, paper-based sensors for the detection of the Zika virus RNA genome. By linking isothermal RNA amplification to toehold switch RNA sensors, we detect clinically relevant concentrations of Zika virus sequences and demonstrate specificity against closely related Dengue virus sequences. When coupled with a novel CRISPR/Cas9-based module, our sensors can discriminate between viral strains with single-base resolution. We successfully demonstrate a simple, field-ready sample-processing workflow and detect Zika virus from the plasma of a viremic macaque. Our freeze-dried biomolecular platform resolves important practical limitations to the deployment of molecular diagnostics in the field and demonstrates how synthetic biology can be used to develop diagnostic tools for confronting global health crises. PAPERCLIP.

Abstract Infection with Asian-lineage Zika virus (ZIKV) has been associated with Guillain–Barré syndrome and fetal abnormalities, but the underlying mechanisms remain poorly understood. Animal models of infection are thus urgently needed. Here we show that rhesus macaques are susceptible to infection by an Asian-lineage ZIKV closely related to strains currently circulating in the Americas. Following subcutaneous inoculation, ZIKV RNA is detected in plasma 1 day post infection (d.p.i.) in all animals ( N =8, including 2 pregnant animals), and is also present in saliva, urine and cerebrospinal fluid. Non-pregnant and pregnant animals remain viremic for 21 days and for up to at least 57 days, respectively. Neutralizing antibodies are detected by 21 d.p.i. Rechallenge 10 weeks after the initial challenge results in no detectable virus replication, indicating protective immunity against homologous strains. Therefore, Asian-lineage ZIKV infection of rhesus macaques provides a relevant animal model for studying pathogenesis and evaluating potential interventions against human infection, including during pregnancy.

ABSTRACT Following the Zika virus (ZIKV) outbreak in the Americas, ZIKV was causally associated with microcephaly and a range of neurological and developmental symptoms, termed congenital Zika syndrome (CZS). The isolates responsible for this outbreak belonged to the Asian lineage of ZIKV. However, in-vitro and in-vivo studies assessing the pathogenesis of African-lineage ZIKV demonstrated that African-lineage isolates often replicated to high titer and caused more severe pathology than Asian-lineage isolates. To date, the pathogenesis of African-lineage ZIKV in a translational model, particularly during pregnancy, has not been rigorously characterized. Here we infected four pregnant rhesus macaques with a low-passage strain of African-lineage ZIKV and compared its pathogenesis to a cohort of four pregnant rhesus macaques infected with an Asian-lineage isolate and a cohort of mock-infected controls. Viral replication kinetics were not significantly different between the two experimental groups and both groups developed robust neutralizing antibody titers above levels considered to be protective. There was no evidence of significant fetal head growth restriction or gross fetal harm at delivery in either group. However, a significantly higher burden of ZIKV vRNA was found in maternal-fetal interface tissues in the macaques exposed to an African-lineage isolate. Our findings suggest that ZIKV isolates of any genetic lineage pose a threat to women and their infants. IMPORTANCE ZIKV was first identified over 70 years ago in Africa, but most of our knowledge of ZIKV is based on studies of the distinct Asian genetic lineage, which caused the outbreak in the Americas in 2015-16. In its most recent update, the WHO stated that improved understanding of African-lineage pathogenesis during pregnancy must be a priority. Recent detection of African-lineage isolates in Brazil underscores the need to understand the impact of these viruses. Here we provide the first comprehensive assessment of African-lineage ZIKV infection during pregnancy in a translational non-human primate model. We show African-lineage isolates replicate with similar kinetics to Asian-lineage isolates and are capable of infecting the placenta. However, there was no evidence of more severe outcomes with African-lineage isolates. Our results highlight both the threat that African-lineage ZIKV poses to women and their infants and the need for future epidemiological and translational in-vivo studies with African-lineage ZIKV.

Infection with Asian lineage Zika virus has been associated with Guillain-Barré syndrome and fetal abnormalities 1–4 , but the mechanisms and risk factors for these outcomes remain unknown. Here we show that rhesus macaques are susceptible to infection by an Asian-lineage virus closely related to strains currently circulating in the Americas. Following subcutaneous inoculation, Zika virus RNA was detected in plasma one day post-infection (dpi) in all animals (N = 8, including 2 animals infected during the first trimester of pregnancy). Plasma viral loads peaked above 1 × 10 5 viral RNA copies/mL in seven of eight animals. Viral RNA was also present in saliva, urine, and cerebrospinal fluid (CSF), consistent with case reports from infected humans. Viral RNA was cleared from plasma and urine by 21 dpi in non-pregnant animals. In contrast, both pregnant animals remained viremic longer, up to 57 days. In all animals, infection was associated with transient increases in proliferating natural killer cells, CD8+ T cells, CD4+ T cells, and plasmablasts. Neutralizing antibodies were detected in all animals by 21 dpi. Rechallenge of three non-pregnant animals with the Asian-lineage Zika virus 10 weeks after the initial challenge resulted in no detectable virus replication, suggesting that primary Zika virus infection elicits protective immunity against homologous virus strains. These data establish that Asian-lineage Zika virus infection of rhesus macaques provides a relevant animal model for studying pathogenesis in pregnant and non-pregnant individuals and evaluating potential interventions against human infection, including during pregnancy.

Countermeasures against Zika virus (ZIKV), including vaccines, are frequently tested in nonhuman primates (NHP). Macaque models are important for understanding how ZIKV infections impact human pregnancy due to similarities in placental development. The lack of consistent adverse pregnancy outcomes in ZIKV-affected pregnancies poses a challenge in macaque studies where group sizes are often small (4-8 animals). Studies in small animal models suggest that African-lineage Zika viruses can cause more frequent and severe fetal outcomes. No adverse outcomes were observed in macaques inoculated with a low dose of African-lineage ZIKV at gestational day (GD) 45. Here, we inoculate eight pregnant rhesus macaques with a higher dose of African-lineage ZIKV at GD 45 to test the hypothesis that adverse pregnancy outcomes are dose-dependent. Three of eight pregnancies ended prematurely with fetal death. ZIKV was detected in both fetal and placental tissues from all cases of early fetal loss. Further refinements of this challenge system (e.g., varying the dose and timing of infection) could lead to an even more consistent, unambiguous fetal loss phenotype for assessing ZIKV countermeasures in pregnancy. These data demonstrate that high-dose inoculation with African-lineage ZIKV causes pregnancy loss in macaques and also suggest that ZIKV-induced first trimester pregnancy could be strain-specific.

Abstract Zika virus (ZIKV) is unique among mosquito-borne flaviviruses in that it is also vertically and sexually transmitted by humans. The male reproductive tract is thought to be a ZIKV reservoir; however, the reported magnitude and duration of viral persistence in male genital tissues varies widely in humans and non-human primate models. ZIKV tissue and cellular tropism and potential effects on male fertility also remain unclear. The objective of this study was to resolve these questions by analyzing archived genital tissues from 51 ZIKV-inoculated male macaques and correlating data on plasma viral kinetics, tissue tropism, and ZIKV-induced pathological changes in the reproductive tract. We hypothesized that ZIKV would persist in the male macaque genital tract for longer than there was detectable viremia, where it would localize to germ and epithelial cells and associate with lesions. We detected ZIKV RNA and infectious virus in testis, epididymis, seminal vesicle, and prostate gland. In contrast to prepubertal males, sexually mature macaques were significantly more likely to harbor persistent ZIKV RNA or infectious virus somewhere in the genital tract, with detection as late as 60 days post-inoculation. ZIKV RNA localized primarily to testicular stem cells/sperm precursors and epithelial cells, including Sertoli cells, epididymal duct epithelium, and glandular epithelia of the seminal vesicle and prostate gland. ZIKV infection was associated with microscopic evidence of inflammation in the epididymis and prostate gland of sexually mature males, which could have significant effects on male fertility. The findings from this study increase our understanding of persistent ZIKV infection which can inform risk of sexual transmission during assisted reproductive therapies as well as potential impacts on male fertility. Author Summary Zika virus (ZIKV) spread since 2015 led to establishment of urban epidemic cycles involving humans and Aedes mosquitoes. ZIKV is also sexually and vertically transmitted and causes congenital Zika syndrome. Together, these features show that ZIKV poses significant global public health risks. By virtue of similar reproductive anatomy and physiology to humans, macaques serve as a useful model for ZIKV infection. However, macaque studies to date have been limited by small sample size, typically 1 to 5 animals. Although mounting evidence identifies the male reproductive tract as a significant ZIKV reservoir, data regarding the duration of ZIKV persistence, potential for sexual transmission, and male genitourinary sequelae remain sparse. Here, we analyzed archived genital tissues from more than 50 ZIKV-inoculated male macaques. Our results show that ZIKV can persist in the male macaque reproductive tract after the resolution of viremia, with virus localization to sperm precursors and epithelial cells, and microscopic evidence of inflammation in the epididymis and prostate gland. Additionally, we show that freezing is not a viable method of destroying infectious ZIKV. Our findings help explain cases of sexual transmission of ZIKV in humans, which also carries a risk for transmission via assisted fertility procedures, even after resolution of detectable viremia.

Abstract In the 2016 Zika virus (ZIKV) pandemic, a previously unrecognized risk of birth defects surfaced in babies whose mothers were infected with Asian-lineage ZIKV during pregnancy. Less is known about the impacts of gestational African-lineage ZIKV infections. Given high human immunodeficiency virus (HIV) burdens in regions where African-lineage ZIKV circulates, we evaluated whether pregnant rhesus macaques infected with simian immunodeficiency virus (SIV) have a higher risk of African-lineage ZIKV-associated birth defects. Remarkably, in both SIV+ and SIV-animals, ZIKV infection early in the first trimester caused a high incidence (78%) of spontaneous pregnancy loss within 20 days. These findings suggest a significant risk for early pregnancy loss associated with African-lineage ZIKV infection and provide the first consistent ZIKV-associated phenotype in macaques for testing medical countermeasures.

Abstract Congenital Zika virus (ZIKV) infection impacts fetal development and pregnancy outcomes. We infected a pregnant rhesus macaque with a Puerto Rican ZIKV isolate in the first trimester. The pregnancy was complicated by preterm premature rupture of membranes (PPROM) and fetal demise 49 days post infection (gestational day 95). Significant pathology at the maternal-fetal interface included acute chorioamnionitis, placental infarcts, and leukocytoclastic vasculitis of the myometrial radial arteries. ZIKV RNA was disseminated throughout the fetus tissues and maternal immune system at necropsy, as assessed by quantitative RT-PCR for viral RNA. Replicating ZIKV was identified in fetal tissues, maternal lymph node, and maternal spleen by fluorescent in situ hybridization for viral replication intermediates. Fetal ocular pathology included a choroidal coloboma, suspected anterior segment dysgenesis, and a dysplastic retina. This is the first report of ocular pathology and prolonged viral replication in both maternal and fetal tissues following congenital ZIKV infection in rhesus macaques. PPROM followed by fetal demise and severe pathology of the visual system have not been described in macaque congenital infection previously; further nonhuman primate studies are needed to determine if an increased risk for PPROM is associated with congenital Zika virus infection. Author summary A ZIKV infection during pregnancy is associated with malformations in fetal development including, but not limited to, ocular and brain anomalies, such as microcephaly, and stillbirth. The development of an accurate pregnancy model to study the effects of ZIKV will provide insight into vertical transmission, ZIKV tissue distribution, and fetal injury and malformations. Non-human primates closely resemble human in terms of the reproductive system, immunity, placentation and pregnancy. Our study demonstrates that the rhesus macaque is a compelling model in which to study ZIKV during pregnancy due to similar outcomes between the human and rhesus macaque. These similarities include prolonged viremia, vertical transmission, adverse pregnancy outcomes and fetal pathology, including defects in the visual system.

Abstract Zika virus (ZIKV) and dengue virus (DENV) are genetically and antigenically related flaviviruses that now co-circulate in much of the tropical and subtropical world. The rapid emergence of ZIKV in the Americas in 2015 and 2016, and its recent associations with Guillain-Barré syndrome, birth defects, and fetal loss have led to the hypothesis that DENV infection induces cross-reactive antibodies that influence the severity of secondary ZIKV infections. It has also been proposed that pre-existing ZIKV immunity could affect DENV pathogenesis. We examined outcomes of secondary ZIKV infections in three rhesus and fifteen cynomolgus macaques, as well as secondary DENV-2 infections in three additional rhesus macaques up to a year post-primary ZIKV infection. Although cross-binding antibodies were detected prior to secondary infection for all animals and cross-neutralizing antibodies were detected for some animals, previous DENV or ZIKV infection had no apparent effect on the clinical course of heterotypic secondary infections in these animals. All animals had asymptomatic infections and, when compared to controls, did not have significantly perturbed hematological parameters. Rhesus macaques infected with DENV-2 approximately one year after primary ZIKV infection had higher vRNA loads in plasma when compared with serum vRNA loads from ZIKV-naive animals infected with DENV-2, but a differential effect of sample type could not be ruled out. In cynomolgus macaques, the serotype of primary DENV infection did not affect the outcome of secondary ZIKV infection. Author summary Pre-existing immunity to one of the four DENV serotypes is known to increase the risk of severe disease upon secondary infection with a different serotype. Due to the antigenic similarities between ZIKV and DENV, it has been proposed that these viruses could interact in a similar fashion. Data from in vitro experiments and murine models suggests that pre-existing immunity to one virus could either enhance or protect against infection with the other. These somewhat contradictory findings highlight the need for immune competent animal models for understanding the role of cross-reactive antibodies in flavivirus pathogenesis. We examined secondary ZIKV or DENV infections in rhesus and cynomolgus macaques that had previously been infected with the other virus. We assessed the outcomes of secondary ZIKV or DENV infections by quantifying vRNA loads, clinical and laboratory parameters, body temperature, and weight for each cohort of animals and compared them with control animals. These comparisons demonstrated that within a year of primary infection, secondary infections with either ZIKV or DENV were similar to primary infections and were not associated with enhancement or reduction in severity of disease based on the outcomes that we assessed.

Zika virus (ZIKV) isolates are genetically diverse, but belong to two recognized lineages, termed "African" and "Asian." Asian ZIKV infection during pregnancy causes fetal abnormalities including microcephaly. Developing an effective preventative Zika virus vaccine that protects pregnant women is essential for minimizing fetal abnor- malities; at least 18 groups are developing ZIKV vaccines (Hayden, 2016). The genetic and antigenic variability of many RNA viruses limits the effectiveness of vaccines, and the degree to which immunity against one ZIKV strain could provide protection against another is unknown. Here we show that rhesus macaques infected with East African ZIKV strain MR766 are completely protected from subsequent infection with heterologous Asian ZIKV. MR766 is more genetically divergent from all known Asian ZIKV strains than Asian ZIKV strains are from one another. Therefore, ZIKV strain selection is unlikely to compromise vaccine effectiveness.