Viral pandemics, such as the one caused by SARS-CoV-2, pose an imminent threat to humanity. Because of its recent emergence, there is a paucity of information regarding viral behavior and host response following SARS-CoV-2 infection. Here we offer an in-depth analysis of the transcriptional response to SARS-CoV-2 compared with other respiratory viruses. Cell and animal models of SARS-CoV-2 infection, in addition to transcriptional and serum profiling of COVID-19 patients, consistently revealed a unique and inappropriate inflammatory response. This response is defined by low levels of type I and III interferons juxtaposed to elevated chemokines and high expression of IL-6. We propose that reduced innate antiviral defenses coupled with exuberant inflammatory cytokine production are the defining and driving features of COVID-19.

The rising threat of pandemic viruses, such as SARS-CoV-2, requires development of new preclinical discovery platforms that can more rapidly identify therapeutics that are active in vitro and also translate in vivo . Here we show that human organ-on-a-chip (Organ Chip) microfluidic culture devices lined by highly differentiated human primary lung airway epithelium and endothelium can be used to model virus entry, replication, strain-dependent virulence, host cytokine production, and recruitment of circulating immune cells in response to infection by respiratory viruses with great pandemic potential. We provide a first demonstration of drug repurposing by using oseltamivir in influenza A virus-infected organ chip cultures and show that co-administration of the approved anticoagulant drug, nafamostat, can double oseltamivir’s therapeutic time window. With the emergence of the COVID-19 pandemic, the Airway Chips were used to assess the inhibitory activities of approved drugs that showed inhibition in traditional cell culture assays only to find that most failed when tested in the Organ Chip platform. When administered in human Airway Chips under flow at a clinically relevant dose, one drug – amodiaquine - significantly inhibited infection by a pseudotyped SARS-CoV-2 virus. Proof of concept was provided by showing that amodiaquine and its active metabolite (desethylamodiaquine) also significantly reduce viral load in both direct infection and animal-to-animal transmission models of native SARS-CoV-2 infection in hamsters. These data highlight the value of Organ Chip technology as a more stringent and physiologically relevant platform for drug repurposing, and suggest that amodiaquine should be considered for future clinical testing.

SUMMARY SARS-CoV-2 has been found capable of inducing prolonged pathologies collectively referred to as Long-COVID. To better understand this biology, we compared the short- and long-term systemic responses in the golden hamster following either SARS-CoV-2 or influenza A virus (IAV) infection. While SARS-CoV-2 exceeded IAV in its capacity to cause injury to the lung and kidney, the most significant changes were observed in the olfactory bulb (OB) and olfactory epithelium (OE) where inflammation was visible beyond one month post SARS-CoV-2 infection. Despite a lack of detectable virus, OB/OE demonstrated microglial and T cell activation, proinflammatory cytokine production, and interferon responses that correlated with behavioral changes. These findings could be corroborated through sequencing of individuals who recovered from COVID-19, as sustained inflammation in OB/OE tissue remained evident months beyond disease resolution. These data highlight a molecular mechanism for persistent COVID-19 symptomology and characterize a small animal model to develop future therapeutics.

One of the greatest threats to humanity is the emergence of a pandemic virus. Among those with the greatest potential for such an event include influenza viruses and coronaviruses. In the last century alone, we have observed four major influenza A virus pandemics as well as the emergence of three highly pathogenic coronaviruses including SARS-CoV-2, the causative agent of the ongoing COVID-19 pandemic. As no effective antiviral treatments or vaccines are presently available against SARS-CoV-2, it is important to understand the host response to this virus as this may guide the efforts in development towards novel therapeutics. Here, we offer the first in-depth characterization of the host transcriptional response to SARS-CoV-2 and other respiratory infections through in vitro, ex vivo, and in vivo model systems. Our data demonstrate the each virus elicits both core antiviral components as well as unique transcriptional footprints. Compared to the response to influenza A virus and respiratory syncytial virus, SARS-CoV-2 elicits a muted response that lacks robust induction of a subset of cytokines including the Type I and Type III interferons as well as a numerous chemokines. Taken together, these data suggest that the unique transcriptional signature of this virus may be responsible for the development of COVID-19.

The capacity to edit genomes using CRISPR-Cas systems holds immense potential for countless genetic-based diseases. However, one significant impediment preventing broad therapeutic utilization is in vivo delivery. While genetic editing at a single cell level in vitro can be achieved with high efficiency, the capacity to utilize these same biologic tools in a desired tissue in vivo remains challenging. Non-integrating RNA virus-based vectors constitute efficient platforms for transgene expression and surpass several barriers to in vivo delivery. However, the broad tissue tropism of viral vectors raises the concern for off-target effects. Moreover, prolonged expression of the Cas proteins, regardless of delivery method, can accumulate aberrant RNAs leading to unwanted immunological responses. In an effort to circumvent these shortcomings, here we describe a versatile RNA virus-based technology that can achieve cell-specific activity and self-inactivation by combining host microRNA (miRNA) biology with the CRISPR-Cas12a RNA-guided nuclease. Exploiting the RNase activity of Cas12a, we generated a vector that self-inactivates upon delivery of Cas12a and an accompanying CRISPR RNA (crRNA). Furthermore, we show that maturation of the crRNA can be made dependent on cell-specific miRNAs, which confers cell-specificity. We demonstrate that this genetic editing circuit delivers diminished yet sufficient levels of Cas12a to achieve effective genome editing whilst inducing a minimal immunological response. It can also function in a cell-specific manner thereby facilitating in vivo editing and mitigating the risk of unwanted, off-target effects.