Unveiling virulence mechanisms of SARS-CoV-2: simulation of viral infections and therapeutic testing in human lung models

Abstract

Emerging zoonotic viruses such as SARS-CoV-2, which are capable of crossing the species barrier to humans, highlight the need for robust human model systems to study viral infection mechanisms. The aim of this work was to gain new insights into SARS CoV 2 pathogenesis by developing in vitro models of the upper and lower respiratory tract to simulate infections and evaluate antiviral strategies. Ex vivo infection of human lung tissue serves as an important model to investigate host-pathogen interactions in the distal airways and alveoli. While preserving native tissue architecture, including parenchyma and resident immune cells, the application of human lung tissue is limited by short cultivation time and restricted availability. In this study, alveolar-like organoids were established and optimized for SARS-CoV-2 infection to analyze host-pathogen-interactions while leveraging the advantages of organoid systems. Viral tropism, replication kinetics, and the expression of key entry factors such as ACE2, TMPRSS2, and FURIN were characterized on both genetic and protein levels. To study the tropism of different SARS-CoV-2 strains in the upper respiratory tract, primary human nasal and bronchial epithelial cells were cultured under air-liquid interface (ALI) conditions. Single-cell RNA sequencing and spectral confocal microscopy revealed pronounced infection of basal cells, cell type-specific expression of viral entry factors, and distinct immune responses. Treatment with the protease inhibitor Camostat mesylate significantly reduced viral load and immune activation. By focusing on SARS-CoV-2, this work highlights the value of advanced human in vitro 3D models for studying respiratory pathogens and testing therapeutic interventions. Targeted modelling of various regions of the respiratory tract provides a basis for improved pandemic preparedness.

Neu auftretende zoonotische Viren wie SARS-CoV-2, die die Speziesbarriere zum Menschen überwinden können, verdeutlichen die Notwendigkeit aussagekräftiger humaner Modellsysteme zur Untersuchung viraler Infektionsmechanismen. Ziel dieser Arbeit war es, neue Erkenntnisse zur SARS-CoV-2-Pathogenese zu gewinnen und dafür in vitro Modelle der oberen und unteren Atemwege zur Simulation von Infektionen und zum Test antiviraler Ansätze zu entwickeln. Die ex vivo Infektion von humanem Lungengewebe dient als wichtiges Modell zur Untersuchung der Wirt-Pathogen-Interaktionen in terminalen Atemwegen und Alveolen. Obwohl es das ursprüngliche Gewebe mitsamt Parenchym und Immunzellen abbildet, ist seine Anwendung durch kurze Kultivierungszeiten und begrenzte Verfügbarkeit eingeschränkt. In dieser Arbeit wurden alveolarähnliche Organoide anhand der Infektion von SARS CoV 2 etabliert und optimiert, um Infektionen zu analysieren und gleichzeitig die Vorteile des Organoidsystems zu nutzen. Dabei wurden Virustropismus, Replikationskinetik und die Expression von Eintrittsfaktoren wie ACE2, TMPRSS2 und FURIN auf genetischer und Proteinebene untersucht. Zur Analyse des Tropismus verschiedener SARS-CoV-2-Stämme in den oberen Atemwegen wurden primäre, air-liquid interface (ALI) kultivierte humane nasale und bronchiale Epithelzellen verwendet. Einzelzell-RNA-Sequenzierung und spektrale Konfokalmikroskopie zeigten eine starke Infektion von Basalzellen, die Expression viraler Eintrittsfaktoren und zelltypspezifische Immunantworten. Die Behandlung mit dem Proteaseinhibitor Camostat mesylate senkte signifikant Viruslast und Immunaktivierung. Diese Arbeit unterstreicht anhand der SARS-CoV-2-Infektion den Wert fortschrittlicher humaner in vitro 3D-Modelle für die Erforschung respiratorischer Pathogene und die präklinische Erprobung interventioneller Therapien. Die gezielte Analyse verschiedener Regionen des Respirationstrakts verbessert die Vorbereitung auf künftige Pandemien.