Abstract Background Critically ill patients diagnosed with COVID-19 may develop a pro-thrombotic state that places them at a dramatically increased lethal risk. Although platelet activation is critical for thrombosis and is responsible for the thrombotic events and cardiovascular complications, the role of platelets in the pathogenesis of COVID-19 remains unclear. Methods Using platelets from healthy volunteers, non-COVID-19 and COVID-19 patients, as well as wild-type and hACE2 transgenic mice, we evaluated the changes in platelet and coagulation parameters in COVID-19 patients. We investigated ACE2 expression and direct effect of SARS-CoV-2 virus on platelets by RT-PCR, flow cytometry, Western blot, immunofluorescence, and platelet functional studies in vitro, FeCl 3 -induced thrombus formation in vivo, and thrombus formation under flow conditions ex vivo. Results We demonstrated that COVID-19 patients present with increased mean platelet volume (MPV) and platelet hyperactivity, which correlated with a decrease in overall platelet count. Detectable SARS-CoV-2 RNA in the blood stream was associated with platelet hyperactivity in critically ill patients. Platelets expressed ACE2, a host cell receptor for SARS-CoV-2, and TMPRSS2, a serine protease for Spike protein priming. SARS-CoV-2 and its Spike protein directly enhanced platelet activation such as platelet aggregation, PAC-1 binding, CD62P expression, α granule secretion, dense granule release, platelet spreading, and clot retraction in vitro, and thereby Spike protein enhanced thrombosis formation in wild-type mice transfused with hACE2 transgenic platelets, but this was not observed in animals transfused with wild-type platelets in vivo. Further, we provided evidence suggesting that the MAPK pathway, downstream of ACE2, mediates the potentiating role of SARS-CoV-2 on platelet activation, and that platelet ACE2 expression decreases following SARS-COV-2 stimulation. SARS-CoV-2 and its Spike protein directly stimulated platelets to facilitate the release of coagulation factors, the secretion of inflammatory factors, and the formation of leukocyte–platelet aggregates. Recombinant human ACE2 protein and anti-Spike monoclonal antibody could inhibit SARS-CoV-2 Spike protein-induced platelet activation. Conclusions Our findings uncovered a novel function of SARS-CoV-2 on platelet activation via binding of Spike to ACE2. SARS-CoV-2-induced platelet activation may participate in thrombus formation and inflammatory responses in COVID-19 patients.

The current coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic presents a global public health challenge. The viral pathogen responsible, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), binds to the host receptor ACE2 through its spike (S) glycoprotein, which mediates membrane fusion and viral entry. Although the role of ACE2 as a receptor for SARS-CoV-2 is clear, studies have shown that ACE2 expression is extremely low in various human tissues, especially in the respiratory tract. Thus, other host receptors and/or co-receptors that promote the entry of SARS-CoV-2 into cells of the respiratory system may exist. In this study, we found that the tyrosine-protein kinase receptor UFO (AXL) specifically interacts with the N-terminal domain of SARS-CoV-2 S. Using both a SARS-CoV-2 virus pseudotype and authentic SARS-CoV-2, we found that overexpression of AXL in HEK293T cells promotes SARS-CoV-2 entry as efficiently as overexpression of ACE2, while knocking out AXL significantly reduces SARS-CoV-2 infection in H1299 pulmonary cells and in human primary lung epithelial cells. Soluble human recombinant AXL blocks SARS-CoV-2 infection in cells expressing high levels of AXL. The AXL expression level is well correlated with SARS-CoV-2 S level in bronchoalveolar lavage fluid cells from COVID-19 patients. Taken together, our findings suggest that AXL is a novel candidate receptor for SARS-CoV-2 which may play an important role in promoting viral infection of the human respiratory system and indicate that it is a potential target for future clinical intervention strategies.

The global spread of SARS-CoV-2 is posing major public health challenges. One feature of SARS-CoV-2 spike protein is the insertion of multi-basic residues at the S1/S2 subunit cleavage site. Here, we find that the virus with intact spike (Sfull) preferentially enters cells via fusion at the plasma membrane, whereas a clone (Sdel) with deletion disrupting the multi-basic S1/S2 site utilizes an endosomal entry pathway. Using Sdel as model, we perform a genome-wide CRISPR screen and identify several endosomal entry-specific regulators. Experimental validation of hits from the CRISPR screen shows that host factors regulating the surface expression of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) affect entry of Sfull virus. Animal-to-animal transmission with the Sdel virus is reduced compared to Sfull in the hamster model. These findings highlight the critical role of the S1/S2 boundary of SARS-CoV-2 spike protein in modulating virus entry and transmission and provide insights into entry of coronaviruses.

Importance

 The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) threatens global public health. The association between clinical characteristics of the virus and neutralizing antibodies (NAbs) against this virus have not been well studied. 

Objective

 To examine the association between clinical characteristics and levels of NAbs in patients who recovered from COVID-19. 

Design, Setting, and Participants

 In this cohort study, a total of 175 patients with mild symptoms of COVID-19 who were hospitalized from January 24 to February 26, 2020, were followed up until March 16, 2020, at Shanghai Public Health Clinical Center, Shanghai, China. 

Exposures

 SARS-CoV-2 infections were diagnosed and confirmed by reverse transcriptase–polymerase chain reaction testing of nasopharyngeal samples. 

Main Outcomes and Measures

 The primary outcome was SARS-CoV-2–specific NAb titers. Secondary outcomes included spike-binding antibodies, cross-reactivity against SARS-associated CoV, kinetics of NAb development, and clinical information, including age, sex, disease duration, length of stay, lymphocyte counts, and blood C-reactive protein level. 

Results

 Of the 175 patients with COVID-19, 93 were female (53%); the median age was 50 (interquartile range [IQR], 37-63) years. The median length of hospital stay was 16 (IQR, 13-21) days, and the median disease duration was 22 (IQR, 18-26) days. Variable levels of SARS-CoV-2–specific NAbs were observed at the time of discharge (50% inhibitory dose [ID50], 1076 [IQR, 448-2048]). There were 10 patients whose NAb titers were less than the detectable level of the assay (ID50, <40), and 2 patients who showed very high titers of NAbs, with ID50 levels of 15 989 and 21 567. NAbs were detected in patients from day 4 to 6 and reached peak levels from day 10 to 15 after disease onset. NAbs were unable to cross-react with SARS-associated CoV and NAb titers correlated with the spike-binding antibodies targeting S1 (r = 0.451; 95% CI, 0.320-0.564;P < .001), receptor binding domain (r = 0.484; 95% CI, 0.358-0.592;P < .001), and S2 regions (r = 0.346; 95% CI, 0.204-0.473;P < .001). NAb titers at the time of discharge were significantly higher in the 82 men (1417 [IQR, 541-2253]) than those in the 93 women (905 [IQR, 371-1687]) (median difference, 512; 95% CI, 82-688;P = .01) and at the time of follow-up in 56 male patients (1049 [IQR, 552-2454]) vs 61 female patients (751 [IQR, 216-1301]) (median difference, 298; 95% CI, 86-732;P = .009). Plasma NAb titers were significantly higher in 56 older (1537 [IQR, 877-2427) and 63 middle-aged (1291 [IQR, 504-2126]) patients than in 56 younger patients (459 [IQR, 225-998]) (older vs younger: median difference, 1078; 95% CI, 548-1287;P < .001; middle-aged vs younger: median difference, 832; 95% CI, 284-1013;P < .001). The NAb titers were correlated with plasma C-reactive protein levels (r = 0.508; 95% CI, 0.386-0.614;P < .001) and negatively correlated with lymphocyte counts (r = −0.427; 95% CI, −0.544 to −0.293;P < .001) at the time of admission. 

Conclusions and Relevance

 In this cohort study, among 175 patients who recovered from mild COVID-19 in Shanghai, China, NAb titers to SARS-CoV-2 appeared to vary substantially. Further research is needed to understand the clinical implications of differing NAb titers for protection against future infection.

The pandemic of COVID-19, caused by SARS-CoV-2, is a major global health threat. Epidemiological studies suggest that bats (Rhinolophus affinis) are the natural zoonotic reservoir for SARS-CoV-2. However, the host range of SARS-CoV-2 and intermediate hosts that facilitate its transmission to humans remain unknown. The interaction of coronavirus with its host receptor is a key genetic determinant of host range and cross-species transmission. SARS-CoV-2 uses angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as the receptor to enter host cells in a species-dependent manner. In this study, we characterized the ability of ACE2 from diverse species to support viral entry. By analyzing the conservation of five residues in two virus-binding hotspots of ACE2 (hotspot 31Lys and hotspot 353Lys), we predicted 80 ACE2 proteins from mammals that could potentially mediate SARS-CoV-2 entry. We chose 48 ACE2 orthologs among them for functional analysis, and showed that 44 of these orthologs-including domestic animals, pets, livestock, and animals commonly found in zoos and aquaria-could bind the SARS-CoV-2 spike protein and support viral entry. In contrast, New World monkey ACE2 orthologs could not bind the SARS-CoV-2 spike protein and support viral entry. We further identified the genetic determinant of New World monkey ACE2 that restricts viral entry using genetic and functional analyses. These findings highlight a potentially broad host tropism of SARS-CoV-2 and suggest that SARS-CoV-2 might be distributed much more widely than previously recognized, underscoring the necessity to monitor susceptible hosts to prevent future outbreaks.

The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has highlighted the urgent need to rapidly develop therapeutic strategies for such emerging viruses without effective vaccines or drugs. Here, we report a decoy nanoparticle against COVID-19 through a powerful two-step neutralization approach: virus neutralization in the first step followed by cytokine neutralization in the second step. The nanodecoy, made by fusing cellular membrane nanovesicles derived from human monocytes and genetically engineered cells stably expressing angiotensin converting enzyme II (ACE2) receptors, possesses an antigenic exterior the same as source cells. By competing with host cells for virus binding, these nanodecoys effectively protect host cells from the infection of pseudoviruses and authentic SARS-CoV-2. Moreover, relying on abundant cytokine receptors on the surface, the nanodecoys efficiently bind and neutralize inflammatory cytokines including interleukin 6 (IL-6) and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF), and significantly suppress immune disorder and lung injury in an acute pneumonia mouse model. Our work presents a simple, safe, and robust antiviral nanotechnology for ongoing COVID-19 and future potential epidemics.

Abstract The pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19) caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has posed serious threats to global health and economy, thus calling for the development of safe and effective vaccines. The receptor-binding domain (RBD) in the spike protein of SARS-CoV-2 is responsible for its binding to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. It contains multiple dominant neutralizing epitopes and serves as an important antigen for the development of COVID-19 vaccines. Here, we showed that immunization of mice with a candidate subunit vaccine consisting of SARS-CoV-2 RBD and Fc fragment of human IgG, as an immunopotentiator, elicited high titer of RBD-specific antibodies with robust neutralizing activity against both pseudotyped and live SARS-CoV-2 infections. The mouse antisera could also effectively neutralize infection by pseudotyped SARS-CoV-2 with several natural mutations in RBD and the IgG extracted from the mouse antisera could also show neutralization against pseudotyped SARS-CoV and SARS-related coronavirus (SARSr-CoV). Vaccination of human ACE2 transgenic mice with RBD-Fc could effectively protect mice from the SARS-CoV-2 challenge. These results suggest that SARS-CoV-2 RBD-Fc has good potential to be further developed as an effective and broad-spectrum vaccine to prevent infection of the current SARS-CoV-2 and its mutants, as well as future emerging SARSr-CoVs and re-emerging SARS-CoV.

Abstract Neutralizing antibodies (Abs) have been considered as promising therapeutics for the prevention and treatment of pathogens. After the outbreak of COVID-19, potent neutralizing Abs to SARS-CoV-2 were promptly developed, and a few of those neutralizing Abs are being tested in clinical studies. However, there were few methodologies detailly reported on how to rapidly and efficiently generate neutralizing Abs of interest. Here, we present a strategically optimized method for precisive screening of neutralizing monoclonal antibodies (mAbs), which enabled us to identify SARS-CoV-2 receptor-binding domain (RBD) specific Abs within 4 days, followed by another 2 days for neutralization activity evaluation. By applying the screening system, we obtained 198 Abs against the RBD of SARS-CoV-2. Excitingly, we found that approximately 50% (96/198) of them were candidate neutralizing Abs in a preliminary screening of SARS-CoV-2 pseudovirus and 20 of these 96 neutralizing Abs were confirmed with high potency. Furthermore, 2 mAbs with the highest neutralizing potency were identified to block authentic SARS-CoV-2 with the half-maximal inhibitory concentration (IC50) at concentrations of 9.88 ng/ml and 11.13 ng/ml. In this report, we demonstrated that the optimized neutralizing Abs screening system is useful for the rapid and efficient discovery of potent neutralizing Abs against SARS-CoV-2. Our study provides a methodology for the generation of preventive and therapeutic antibody drugs for emerging infectious diseases.