Abstract COVID-19 is a spectrum of clinical symptoms in humans caused by infection with SARS-CoV-2, a recently emerged coronavirus that rapidly caused a pandemic. Coalescence of this virus with seasonal respiratory viruses, particularly influenza virus is a global health concern. To investigate this, transgenic mice expressing the human ACE2 receptor driven by the epithelial cell cytokeratin-18 gene promoter (K18-hACE2) were first infected with IAV followed by SARS-CoV-2. The host response and effect on virus biology was compared to K18-hACE2 mice infected with IAV or SARS-CoV-2 only. Infection of mice with each individual virus resulted in a disease phenotype compared to control mice. Although SARS-CoV-2 RNA synthesis appeared significantly reduced in the sequentially infected mice, they exhibited more rapid weight loss, more severe lung damage and a prolongation of the innate response compared to singly infected or control mice. The sequential infection also exacerbated the extrapulmonary encephalitic manifestations associated with SARS-CoV-2 infection. Conversely, prior infection with a commercially available, multivalent live-attenuated influenza vaccine (Fluenz tetra) elicited the same reduction in SARS-CoV-2 RNA synthesis albeit without the associated increase in disease severity. This suggests that the innate immune response stimulated by infection with IAV is responsible for the observed inhibition of SARS-CoV-2, however, infection with attenuated, apathogenic influenza vaccine does not result in an aberrant immune response and enhanced disease severity. Taken together, the data suggest that the concept of ‘twinfection’ is deleterious and mitigation steps should be instituted as part of a comprehensive public health response to the COVID-19 pandemic.

Abstract The ability of acquired immune responses against SARS-CoV-2 to protect after subsequent exposure to emerging variants of concern (VOC) such as B1.1.7 and B1.351 is currently of high significance. Here, we use a hamster model of COVID-19 to show that prior infection with a strain representative of the original circulating lineage B of SARS-CoV-2 induces protection from clinical signs upon subsequent challenge with either B1.1.7 or B1.351 viruses, which recently emerged in the UK and South Africa, respectively. The results indicate that these emergent VOC may be unlikely to cause disease in individuals that are already immune due to prior infection, and this has positive implications for overall levels of infection and COVID-19 disease.

COVID-19 is a spectrum of clinical symptoms in humans caused by infection with SARS-CoV-2. The coalescence of SARS-CoV-2 with seasonal respiratory viruses, particularly influenza viruses, is a global health concern. To understand this, transgenic mice expressing the human ACE2 receptor (K18-hACE2) were infected with influenza A virus (IAV) followed by SARS-CoV-2 and the host response and effect on virus biology was compared to K18-hACE2 mice infected with IAV or SARS-CoV-2 alone. The sequentially infected mice showed reduced SARS-CoV-2 RNA synthesis, yet exhibited more rapid weight loss, more severe lung damage and a prolongation of the innate response compared to the singly infected or control mice. Sequential infection also exacerbated the extrapulmonary encephalitic manifestations associated with SARS-CoV-2 infection. Conversely, prior infection with a commercially available, multivalent live-attenuated influenza vaccine (Fluenz Tetra) elicited the same reduction in SARS-CoV-2 RNA synthesis, albeit without the associated increase in disease severity. This suggests that the innate immune response stimulated by IAV inhibits SARS-CoV-2. Interestingly, infection with an attenuated, apathogenic influenza vaccine does not result in an aberrant immune response and enhanced disease severity. Taken together, the data suggest coinfection (‘twinfection’) is deleterious and mitigation steps should be instituted as part of the comprehensive public health and management strategy of COVID-19.

Abstract Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) not only affects the respiratory tract but also causes neurological symptoms such as loss of smell and taste, headache, fatigue or severe cerebrovascular complications. Using transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) we investigated the spatiotemporal distribution and pathomorphological features in the CNS following intranasal infection with SARS-CoV-2 variants, also after prior influenza A virus infection. Apart from Omicron, we found all variants to frequently spread to and within the CNS. Infection was restricted to neurons and appeared to spread from the olfactory bulb mainly in basally orientated regions in the brain and into the spinal cord, independent of ACE2 expression and without evidence of neuronal cell death, axonal damage or demyelination. However, microglial activation, microgliosis and a mild macrophage and T cell dominated inflammatory response was consistently observed, accompanied by apoptotic death of endothelial, microglial and immune cells, without their apparent infection. Microgliosis and immune cell apoptosis indicate a potential role of microglia for pathogenesis and viral effect in COVID-19 and possible impairment of neurological functions, especially in long COVID. These data may also be informative for the selection of therapeutic candidates, and broadly support investigation of agents with adequate penetration into relevant regions of the CNS.

Immunocompromised individuals are susceptible to severe COVID-19 and potentially contribute to the emergence of variants with altered pathogenicity due to persistent infection. This study investigated the impact of immunosuppression on SARS-CoV-2 infection in k18-hACE2 mice and the effectiveness of antiviral treatments in this context during the first 7 days of infection.

The Omicron strains of SARS-CoV-2 pose a significant challenge to the development of effective antibody-based treatments as immune evasion has compromised most available immune therapeutics. Therefore, in the ‘arms race’ with the virus, there is a continuing need to identify new biologics for the prevention or treatment of SARS-CoV-2 infections. Here, we report the isolation of nanobodies that bind to the Omicron BA.1 spike protein by screening nanobody phage display libraries previously generated from llamas immunized with either the Wuhan or Beta spike proteins. The structure and binding properties of three of these nanobodies (A8, H6 and B5-5) have been characterized in detail providing insight into their binding epitopes on the Omicron spike protein. Trimeric versions of H6 and B5-5 neutralized the SARS-CoV-2 variant of concern BA.5 both in vitro and in the hamster model of COVID-19 following nasal administration. Thus, either alone or in combination could serve as starting points for the development of new anti-viral immunotherapeutics.

ABSTRACT The COVID-19 pandemic, caused by the SARS-CoV-2 coronavirus, has triggered a worldwide health emergency. So far, several different types of vaccines have shown strong efficacy. However, both the emergence of new SARS-CoV-2 variants and the need to vaccinate a large fraction of the world’s population necessitate the development of alternative vaccines, especially those that are simple and easy to store, transport and administer. Here, we showed that ferritin-like Dps protein from hyperthermophilic Sulfolobus islandicus can be covalently coupled with different SARS-CoV-2 antigens via the SpyCatcher system, to form extremely stable and defined multivalent dodecameric vaccine nanoparticles that remain intact even after lyophilisation. Immunisation experiments in mice demonstrated that the SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) coupled to Dps (RBD-S-Dps) shows particular promise as it elicited a higher antibody titre and an enhanced neutralising antibody response compared to the monomeric RBD. Furthermore, we showed that a single immunisation with the multivalent RBD-S-Dps completely protected hACE2-expressing mice from serious illness and led to efficient viral clearance from the lungs upon SARS-CoV-2 infection. Our data highlight that multimerised SARS-CoV-2 subunit vaccines are a highly efficacious modality, particularly when combined with an ultra-stable scaffold.

Abstract SARS-CoV-2 has been proposed to encode ORF10 as the 3’ terminal gene in the viral genome. However, the potential role and even existence of a functional ORF10 product has been the subject of debate. There are significant structural features in the viral genomic RNA that could, by themselves, explain the retention of the ORF10 nucleotide sequences without the need for a functional protein product. To explore this question further we made two recombinant viruses, firstly a control virus (WT) based on the genome sequence of the original Wuhan isolate and with the inclusion of the early D614G mutation in the Spike protein. We also made a second virus, identical to WT except for two additional changes that replaced the initiating ORF10 start codon and an internal methionine codon for stop codons (ORF10KO). Here we show that the two viruses have apparently identical growth kinetics in a VeroE6 cell line that over expresses TMPRSS2 (VTN cells). However, in A549 cells over expressing ACE2 and TMPRSS2 (A549-AT cells) the ORF10KO virus appears to have a small growth rate advantage. Growth competition experiments were used whereby the two viruses were mixed, passaged in either VTN or A549-AT cells and the resulting output virus was sequenced. We found that in VTN cells the WT virus quickly dominated whereas in the A549-AT cells the ORF10KO virus dominated. We then used a hamster model of SARS-CoV-2 infection and determined that the ORF10KO virus has attenuated pathogenicity (as measured by weight loss). We found an almost 10-fold reduction in viral titre in the lower respiratory tract for ORF10KO vs WT. In contrast, the WT and ORF10KO viruses had similar titres in the upper respiratory tract. Sequencing of viral RNA in the lungs of hamsters infected with ORF10KO virus revealed that this virus frequently reverts to WT. Our data suggests that the retention of a functional ORF10 sequence is highly desirable for SARS-CoV-2 infection of hamsters and affects the virus’s ability to propagate in the lower respiratory tract.

Phagocytosis and autophagy represent two evolutionarily ancient pathways that provide an important defense against infection by delivering pathogens to lysosomes for degradation. Phagocytosis and autophagy are linked by non-canonical autophagy pathways that conjugate LC3 to endo-lysosome compartments to facilitate phagosome maturation and lysosome fusion. A role for non-canonical autophagy in host defence is implied from cellular studies in vitro, but critically, these studies have rarely been extended to infection of model organisms with intact epithelial barriers and complex immune systems. To address this, we developed a mouse model with specific loss of non-canonical autophagy by removing the WD and linker domain of ATG16L1 required for recruitment of LC3 to endo-lysosome compartments. The mice retain the coiled-coiled domain of ATG16L1 required for conventional autophagy and maintain tissue and immunological homeostasis. Mice with systemic loss of non-canonical autophagy are exquisitely sensitive to low-pathogenicity murine-adapted influenza A virus leading to extensive viral replication throughout the lungs, cytokine dysregulation, fulminant pneumonia and lung inflammation leading to high mortality associated with virulent strains. Conditional mouse models and ex vivo analysis showed that protection against IAV infection of lung required non-canonical autophagy within epithelial barriers but was independent of phagocytes and other leukocytes. This establishes non-canonical autophagy pathways in epithelial cells as a novel innate defence mechanism that can restrict IAV infection at mucosal surfaces.

ABSTRACT COVID-19 is a spectrum of clinical symptoms in humans caused by infection with SARS-CoV-2. The B.1.1.529 Omicron variant is rapidly emerging and has been designated a Variant of Concern (VOC). The variant is highly transmissible and partially or fully evades a spectrum of neutralising antibodies due to a high number of substitutions in the spike glycoprotein. A major question is the relative severity of disease caused by the Omicron variant compared with previous and currently circulating variants of SARS-CoV-2. To address this, a mouse model of infection that recapitulates severe disease in humans, K18-hACE2 mice, were infected with either a Pango B, Delta or Omicron variant of SARS-CoV-2 and their relative pathogenesis compared. In contrast to mice infected with Pango B and Delta variant viruses, those infected with the Omicron variant had less severe clinical signs (weight loss), showed recovery and had a lower virus load in both the lower and upper respiratory tract. This is also reflected by less extensive inflammatory processes in the lungs. Although T cell epitopes may be conserved, the antigenic diversity of Omicron from previous variants would suggest that a change in vaccine may be required to mitigate against the higher transmissibility and global disease burden. However, the lead time to develop such a response may be too late to mitigate the spread and effects of Omicron. These animal model data suggest the clinical consequences of infection with the Omicron variant may be less severe but the higher transmissibility could still place huge burden upon healthcare systems even if a lower proportion of infected patients are hospitalised.