Abstract The first SARS-CoV-2 variant of concern (VOC) to be designated was lineage B.1.1.7, later labelled by the World Health Organisation (WHO) as Alpha. Originating in early Autumn but discovered in December 2020, it spread rapidly and caused large waves of infections worldwide. The Alpha variant is notable for being defined by a long ancestral phylogenetic branch with an increased evolutionary rate, along which only two sequences have been sampled. Alpha genomes comprise a well-supported monophyletic clade within which the evolutionary rate is more typical of SARS-CoV-2. The Alpha epidemic continued to grow despite the continued restrictions on social mixing across the UK, and the imposition of new restrictions, in particular the English national lockdown in November 2020. While these interventions succeeded in reducing the absolute number of cases, the impact of these non-pharmaceutical interventions was predominantly to drive the decline of the SARS-CoV-2 lineages which preceded Alpha. We investigate the only two sampled sequences that fall on the branch ancestral to Alpha. We find that one is likely to be a true intermediate sequence, providing information about the order of mutational events that led to Alpha. We explore alternate hypotheses that can explain how Alpha acquired a large number of mutations yet remained largely unobserved in a region of high genomic surveillance: an under-sampled geographical location, a non-human animal population, or a chronically-infected individual. We conclude that the last hypothesis provides the best explanation of the observed behaviour and dynamics of the variant, although we find that the individual need not be immunocompromised, as persistently-infected immunocompetent hosts also display a higher within-host rate of evolution. Finally, we compare the ancestral branches and mutation profiles of other VOCs to each other, and identify that Delta appears to be an outlier both in terms of the genomic locations of its defining mutations, and its lack of rapid evolutionary rate on the ancestral branch. As new variants, such as Omicron, continue to evolve (potentially through similar mechanisms) it remains important to investigate the origins of other variants to identify ways to potentially disrupt their evolution and emergence.

Abstract Alterations in the myeloid immune compartment have been observed in COVID-19, but the specific mechanisms underlying these impairments are not completely understood. Here we examined the functionality of classical CD14 + monocytes as a main myeloid cell component in well-defined cohorts of patients with mild and moderate COVID-19 during the acute phase of infection and compared them to that of healthy individuals. We found that ex vivo isolated CD14 + monocytes from mild and moderate COVID-19 patients display specific patterns of costimulatory and inhibitory receptors that clearly distinguish them from healthy monocytes, as well as altered expression of histone marks and a dysfunctional metabolic profile. Decreased NFκB activation in COVID-19 monocytes ex vivo is accompanied by an intact type I IFN antiviral response. Subsequent pathogen sensing ex vivo led to a state of functional unresponsiveness characterized by a defect in pro-inflammatory cytokine expression, NFκB-driven cytokine responses and defective type I IFN response in moderate COVID-19 monocytes. Transcriptionally, COVID-19 monocytes switched their gene expression signature from canonical innate immune functions to a pro-thrombotic phenotype characterized by increased expression of pathways involved in hemostasis and immunothrombosis. In response to SARS-CoV-2 or other viral or bacterial components, monocytes displayed defects in the epigenetic remodelling and metabolic reprogramming that usually occurs upon pathogen sensing in innate immune cells. These results provide a potential mechanism by which innate immune dysfunction in COVID-19 may contribute to disease pathology.

Abstract Following the emergence of SARS-CoV-2 in China in late 2019 a number of variants have emerged, with two of these – Alpha and Delta – subsequently growing to global prevalence. One characteristic of these variants are changes within the Spike protein, in particular the receptor binding domain (RBD). From a public health perspective these changes have important implications for increased transmissibility and immune escape; however, their presence could also modify the intrinsic host-range of the virus. Using viral pseudotyping we examined whether the variants of concern (VOCs) Alpha, Beta, Gamma and Delta have differing host ACE2 receptor usage patterns, focusing on a range of relevant mammalian ACE2 proteins. All four VOCs were able to overcome a previous restriction for mouse ACE2, with demonstrable differences also seen for individual VOCs with rat, ferret or civet ACE2 receptors, changes which we subsequently attribute to N501Y and E484K substitutions within the Spike RBD.

Abstract Ferrets represent the preferred animal model for assessing the transmission potential of newly emerged zoonotic influenza viruses. However, heterogeneity among established experimental protocols and facilities across different laboratories may lead to variable results, complicating interpretation of transmission experimental data. Between 2018-2020, a global exercise was conducted by 11 participating laboratories to assess the range of variation in ferret transmission experiments using two common stock H1N1 influenza viruses that possess different transmission characteristics in ferrets. Inoculation route, dose, and volume were standardized, and all participating laboratories followed the same experimental conditions for respiratory droplet transmission, including a strict 1:1 donor:contact ratio. Additional host and environmental parameters likely to affect influenza transmission kinetics were monitored throughout. Overall transmission outcomes for both viruses across 11 laboratories were concordant, suggesting the robustness of the ferret model for zoonotic influenza risk assessment. To attain high confidence in identifying zoonotic influenza viruses with moderate-to-high or low transmissibility, our analyses support that as few as three but as many as five laboratories, respectively, would need to independently perform viral transmission experiments with concordant results. This exercise facilitates the development of a more homogenous protocol for ferret transmission experiments that are employed for the purposes of risk assessment.

Abstract Baloxavir is approved in several countries for the treatment of uncomplicated influenza in otherwise-healthy and high-risk patients. Treatment-emergent viruses with reduced susceptibility to baloxavir have been detected in clinical trials, but the likelihood of widespread occurrence depends on replication capacity and onward transmission. We evaluated the fitness of A/H3N2 and A/H1N1pdm09 viruses with the polymerase acidic I38T-variant conferring reduced susceptibility to baloxavir relative to wild-type (WT) viruses, using a competitive mixture ferret model, recombinant viruses and patient-derived virus isolates. The A/H3N2 I38T virus showed a reduction in within-host fitness but comparable between-host fitness to the WT virus, while the A/H1N1pdm09 I38T virus had broadly similar within-host fitness but substantially lower between-host fitness. Although I38T viruses replicate and transmit between ferrets, our data suggest that viruses with this amino acid substitution have lower fitness relative to WT and this relative fitness cost was greater in A/H1N1pdm09 viruses than in A/H3N2 viruses.

Abstract Favipiravir is a nucleoside analogue which has been licensed to treat influenza in the event of a new pandemic. We previously described a favipiravir resistant influenza A virus generated by in vitro passage in presence of drug with two mutations: K229R in PB1, which conferred resistance at a cost to polymerase activity, and P653L in PA, which compensated for the cost of polymerase activity. However, the clinical relevance of these mutations is unclear as the mutations have not been found in natural isolates and it is unknown whether viruses harbouring these mutations would replicate or transmit in vivo. Here, we infected ferrets with a mix of wild type p(H1N1) 2009 and corresponding favipiravir-resistant virus and tested for replication and transmission in the absence of drug. Favipiravir-resistant virus successfully infected ferrets and was transmitted by both contact transmission and respiratory droplet routes. However, sequencing revealed the mutation that conferred resistance, K229R, decreased in frequency over time within ferrets. Modelling revealed that due to a fitness advantage for the PA P653L mutant, reassortment with the wild-type virus to gain wild-type PB1 segment in vivo resulted in the loss of the PB1 resistance mutation K229R. We demonstrated that this fitness advantage of PA P653L in the background of our starting virus A/England/195/2009 was due to a maladapted PA in first wave isolates from the 2009 pandemic. We show there is no fitness advantage of P653L in more recent pH1N1 influenza A viruses. Therefore, whilst favipiravir-resistant virus can transmit in vivo, the likelihood that the resistance mutation is retained in the absence of drug pressure may vary depending on the genetic background of the starting viral strain. Author Summary In the event of a new influenza pandemic, drugs will be our first line of defence against the virus. However, drug resistance has proven to be particularly problematic to drugs against influenza. Favipiravir is a novel drug which might be used against influenza virus in the event of a new pandemic. Is resistance likely to be a problem for the use of favipiravir? Our previous work has shown that resistance to favipiravir can be generated in cell culture but we don’t know whether there will be a cost preventing the spread of resistance in whole organisms. Here, we used a mix of wild-type and resistant influenza viruses from early in the 2009 pandemic to test whether viruses resistant to favipiravir could transmit between ferrets. We found that the resistant viruses could transmit but that the resistance mutation was selected against within some ferrets. Using modelling and in vitro experiments, we found that the resistant mutation was selected against in the influenza strain from our experiment but not in more recently evolved strains. Our results show that favipiravir resistant viruses could spread if resistance is generated but the probability will depend on the genetic background of the virus.

Abstract Viruses are vulnerable as they transmit between hosts and we aimed to exploit this critical window. We found that the ubiquitous, safe, inexpensive and biodegradable small molecule propylene glycol (PG) has robust virucidal activity. Propylene glycol rapidly inactivates influenza, SARS-CoV-2 and a broad range of other enveloped viruses, and reduces disease burden in mice when administered intranasally at concentrations commonly found in nasal sprays. Most critically, aerosolized PG efficiently abolishes influenza and SARS-CoV-2 infectivity within airborne droplets, potently preventing infection at levels significantly below those well-tolerated by mammals. We present PG vapor as a first-in-class non-toxic airborne virucide, to prevent transmission of existing and emergent viral pathogens, with clear and immediate implications for public health. One-sentence summary Propylene glycol is a potent and safe virucidal compound that could be used to limit and control infections.

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.

Abstract The SARS-CoV-2 B.1.617.2 (Delta) variant was first identified in the state of Maharashtra in late 2020 and spread throughout India, outcompeting pre-existing lineages including B.1.617.1 (Kappa) and B.1.1.7 (Alpha). In vitro , B.1.617.2 is 6-fold less sensitive to serum neutralising antibodies from recovered individuals, and 8-fold less sensitive to vaccine-elicited antibodies as compared to wild type Wuhan-1 bearing D614G. Serum neutralising titres against B.1.617.2 were lower in ChAdOx-1 versus BNT162b2 vaccinees. B.1.617.2 spike pseudotyped viruses exhibited compromised sensitivity to monoclonal antibodies against the receptor binding domain (RBD) and N-terminal domain (NTD), in particular to the clinically approved bamlavinimab and imdevimab monoclonal antibodies. B.1.617.2 demonstrated higher replication efficiency in both airway organoid and human airway epithelial systems as compared to B.1.1.7, associated with B.1.617.2 spike being in a predominantly cleaved state compared to B.1.1.7. Additionally we observed that B.1.617.2 had higher replication and spike mediated entry as compared to B.1.617.1, potentially explaining B.1.617.2 dominance. In an analysis of over 130 SARS-CoV-2 infected healthcare workers across three centres in India during a period of mixed lineage circulation, we observed substantially reduced ChAdOx-1 vaccine efficacy against B.1.617.2 relative to non-B.1.617.2. Compromised vaccine efficacy against the highly fit and immune evasive B.1.617.2 Delta variant warrants continued infection control measures in the post-vaccination era.

Pandemic influenza A virus (IAV) remains a significant threat to global health. Preparedness relies primarily upon a single class of neuraminidase (NA) targeted antivirals, against which resistance is steadily growing. The M2 proton channel is an alternative clinically proven antiviral target, yet a near-ubiquitous S31N polymorphism in M2 evokes resistance to licensed adamantane drugs. Hence, inhibitors capable of targeting N31 containing M2 (M2-N31) are highly desirable. Rational in silico design and in vitro screens delineated compounds favouring either lumenal or peripheral M2 binding, yielding effective M2-N31 inhibitors in both cases. Hits included adamantanes as well as novel compounds, with some showing low micromolar potency versus pandemic "swine" H1N1 influenza (Eng195) in culture. Interestingly, a published adamantane-based M2-N31 inhibitor rapidly selected a resistant V27A polymorphism (M2-A27/N31), whereas this was not the case for non-adamantane compounds. Nevertheless, combinations of adamantanes and novel compounds achieved synergistic antiviral effects, and the latter synergised with the neuraminidase inhibitor (NAi), Zanamivir. Thus, site-directed drug combinations show potential to rejuvenate M2 as an antiviral target whilst reducing the risk of drug resistance.