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.

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.

Defining the complex dynamics of Zika virus (ZIKV) infection in pregnancy and during transmission between vertebrate hosts and mosquito vectors is critical for a thorough understanding of viral transmission, pathogenesis, immune evasion, and potential reservoir establishment. Within-host viral diversity in ZIKV infection is low, which makes it difficult to evaluate infection dynamics. To overcome this biological hurdle, we constructed a molecularly barcoded ZIKV. This virus stock consists of a synthetic swarm whose members are genetically identical except for a run of eight consecutive degenerate codons, which creates approximately 64,000 theoretical nucleotide combinations that all encode the same amino acids. Deep sequencing this region of the ZIKV genome enables counting of individual barcode clonotypes to quantify the number and relative proportions of viral lineages present within a host. Here we used these molecularly barcoded ZIKV variants to study the dynamics of ZIKV infection in pregnant and non-pregnant macaques as well as during mosquito infection/transmission. The barcoded virus had no discernible fitness defects in vivo, and the proportions of individual barcoded virus templates remained stable throughout the duration of acute plasma viremia. ZIKV RNA also was detected in maternal plasma from a pregnant animal infected with barcoded virus for 64 days. The complexity of the virus population declined precipitously 8 days following infection of the dam, consistent with the timing of typical resolution of ZIKV in non-pregnant macaques, and remained low for the subsequent duration of viremia. Our approach showed that synthetic swarm viruses can be used to probe the composition of ZIKV populations over time in vivo to understand vertical transmission, persistent reservoirs, bottlenecks, and evolutionary dynamics.

One third of infants who have prenatal Zika virus (ZIKV) exposure and lack significant defects consistent with congenital Zika syndrome (CZS) manifest neurodevelopmental deficits in their second year of life. We hypothesized that prenatal ZIKV exposure would lead to brain abnormalities and neurodevelopmental delays in infant macaques, as measured by quantitative hearing, neurodevelopmental, ocular and brain imaging studies. We inoculated 5 pregnant rhesus macaques with ZIKV during the first trimester, monitored pregnancies with serial ultrasounds, determined plasma viral RNA (vRNA) loads, and evaluated the infants for birth defects and neurodevelopmental deficits during their first week of life. ZIKV-exposed and control infants (n=16) were evaluated with neurobehavioral assessments, ophthalmic examinations, optical coherence tomography, electroretinography with visual evoked potentials, hearing examinations, magnetic resonance imaging (MRI) of the brain, gross post mortem examination, and histopathological and vRNA analyses of approximately 40 tissues and fluids. All 5 dams had ZIKV vRNA in plasma and seroconverted following ZIKV inoculation. One pregnancy resulted in a stillbirth. The ZIKV-exposed infants had decreased cumulative feeding volumes and weight gains compared with control infants, and also had grey matter abnormalities in the pharyngeal motor cortex identified by quantitative voxel-based morphometric comparisons. Quantitative ocular studies identified differences between ZIKV-exposed and control infants in retinal layer thicknesses and electroretinograms that were not identified in qualitative ophthalmic evaluations. Despite these findings of neuropathology, no ZIKV vRNA or IgM was detected in the infants. This suggests that ZIKV exposure without measurable vertical transmission can affect brain development in utero and that subtle neurodevelopmental delays may be detected with quantitative analyses in early infancy. Quantitative brain analyses, such as these, may predict neurodevelopmental delays that manifest later in childhood and allow early intervention and targeted therapies to improve functional outcomes of ZIKV exposed children.

Congenital Zika virus (ZIKV) infection was first linked to birth defects during the American outbreak. It has been proposed that mutations unique to the Asian/American-genotype explain, at least in part, the ability of Asian/American ZIKV to cause congenital Zika syndrome (CZS). Recent studies identified mutations in ZIKV infecting humans that arose coincident with the outbreak in French Polynesia and were stably maintained during subsequent spread to the Americas. Here we show that African ZIKV can infect and harm fetuses and that the S139N mutation that has been associated with the American outbreak is not essential for fetal harm. Our findings, in a vertical transmission mouse model, suggest that ZIKV will remain a threat to pregnant women for the foreseeable future, including in Africa, southeast Asia, and the Americas. Additional research is needed to better understand the risks associated with ZIKV infection during pregnancy, both in areas where the virus is newly endemic and where it has been circulating for decades.

Simarteviruses (Arteriviridae: Simartevirus) are commonly found at high titers in the blood of African monkeys but do not cause overt disease in these hosts. In contrast, simarteviruses cause severe disease in Asian macaques upon accidental or experimental transmission. Here, we sought to better understand the host-dependent drivers of simartevirus pathogenesis by infecting olive baboons (n=4) and rhesus macaques (n=4) with the simartevirus Southwest baboon virus 1 (SWBV-1). Surprisingly, none of the animals in our study showed signs of disease following SWBV-1 inoculation. Three animals (two rhesus monkeys and one olive baboon) became infected and sustained high levels of SWBV-1 viremia for the duration of the study. The course of SWBV-1 infection was highly predictable: plasma viremia peaked between 1E7 and 1E8 vRNA copies/ml at 3-10 days post-inoculation, which was followed by a relative nadir and then establishment of a stable set-point between 1E6 and 1E7 vRNA copies/ml for the remainder of the study (56 days). We characterized cellular and antibody responses to SWBV-1 infection in these animals, demonstrating that macaques and baboons mount similar responses to SWBV-1 infection, yet these responses are ineffective at clearing SWBV-1 infection. SWBV-1 sequencing revealed the accumulation of non-synonymous mutations in a region of the genome that corresponds to an immunodominant epitope in the simartevirus major envelope glycoprotein GP5, which likely contribute to viral persistence by enabling escape from host antibodies.

For more than three decades it has been recognized that small amounts of vector saliva can significantly alter the infectivity of vector-borne pathogens and subsequent in vivo dynamics. Mouse and nonhuman primate models now serve as useful platforms to study Zika virus (ZIKV) pathogenesis, candidate therapies, and vaccines, but they rely on needle inoculation of virus: the effects of mosquito-borne infection on disease outcome have not been explored in these models. To model vector-borne transmission of ZIKV in nonhuman primates, we infected Aedes aegypti mosquitoes with ZIKV and allowed them to feed on four ZIKV-naive rhesus macaques. We compared ZIKV replication kinetics and tissue distribution between animals that were subcutaneously inoculated with 104 plaque-forming units of ZIKV and those that were exposed via mosquito bite. Here, we show that infection via mosquito bite delays ZIKV replication to peak viral loads in rhesus macaques. Importantly, in mosquito-infected animals ZIKV tissue distribution was limited to hemolymphatic tissues, female reproductive tract tissues, kidney, and liver, potentially emulating key features of human ZIKV infections, most of which are characterized by mild or asymptomatic disease. This newly developed system will be valuable for studying ZIKV disease because it more closely mimics human infection by mosquito bite than needle-based inoculations

Pig-tailed macaques (Macaca nemestrina, Mane) are important models for human immunodeficiency virus (HIV) studies. Their infectability with minimally modified HIV makes them a uniquely valuable animal model to mimic human infection with HIV and progression to acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). However, variation in the pig-tailed macaque major histocompatibility complex (MHC) and the impact of individual transcripts on the pathogenesis of HIV and other infectious diseases is understudied compared to rhesus and cynomolgus macaques. In this study, we used Pacific Biosciences single-molecule real-time circular consensus sequencing to describe full-length MHC class I (MHC-I) transcripts for 194 pig-tailed macaques from three breeding centers. We then used the full-length sequences to infer Mane-A and Mane-B haplotypes containing groups of MHC-I transcripts that co-segregate due to physical linkage. In total, we characterized full-length open reading frames (ORFs) for 313 Mane-A, Mane-B, and Mane-I sequences that defined 86 Mane-A and 106 Mane-B MHC-I haplotypes. Pacific Biosciences technology allows us to resolve these Mane-A and Mane-B haplotypes to the level of synonymous allelic variants. The newly defined haplotypes and transcript sequences containing full-length ORFs provide an important resource for infectious disease researchers as certain MHC haplotypes have been shown to provide exceptional control of simian immunodeficiency virus (SIV) replication and prevention of AIDS-like disease in nonhuman primates. The increased allelic resolution provided by Pacific Biosciences sequencing also benefits transplant research by allowing researchers to more specifically match haplotypes between donors and recipients to the level of nonsynonymous allelic variation, thus reducing the risk of graft-versus-host disease.