Intranasal soluble ACE2 improves organ histopathology and survival in k18hACE2 mice infected with SARS-CoV-2

Abstract

Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is the main cell entry receptor for SARS-CoV-2, the coronavirus responsible for the COVID-19 pandemic. ACE2 exists in two different forms: membrane-bound and soluble. Soluble ACE2 proteins have been proposed as decoys to intercept SARS-CoV-2 from cell entry via membrane-bound ACE2 preventing subsequent viral replication. ACE2 618-DDC-ABD is a bioengineered soluble ACE2 protein with a prolonged duration of action and improved binding affinity for SARS-CoV-2. This dissertation is based on my work testing ACE2 618-DDC-ABD in k18hACE2 mice, a model of lethal SARS-CoV-2 infection, focusing in particular on my latest publication com- paring different administration modes of ACE2 618-DDC-ABD to improve survival, decrease viral organ titers, and protect from organ injury. ACE2 618-DDC-ABD was administered either intranasally or intraperitoneally and either pre- and post-viral inoculation or only post-viral inoculation with 2x104 PFU ancestral SARS-CoV-2. In infected untreated control mice that received BSA in PBS, survival on day 5 was 0% and brain and lung viral titers were high. Lung injury was found to be severe; brain injury was subtle but consistent. The best outcomes in terms of protection from lethality were achieved by intranasal administration of ACE2 618-DDC-ABD when given both pre- and post-viral inoculation. This resulted in 90% survival on day 5, the complete absence of brain viral titers, decreased lung viral titers, and near-normal brain and lung histopathology. By contrast, when ACE2 618-DDC-ABD was administered intraperitoneally or only post-viral inoculation, there was only partial protection from lethality, brain viral titers were high in most mice, and organ histopathology was improved only partially. In conclusion, this work shows that intranasal administration of ACE2 618-DDC-ABD is superior to intraperitoneal administration, and that combined pre- and post-viral inoculation dosing is more effective than only post-viral inoculation dosing. When administered intranasally already before viral inoculation, ACE2 618-DDC-ABD provided almost complete protection from lethality in k18hACE2 mice infected with SARS-CoV-2. This supports the potential development of soluble ACE2-based therapies for preventative/therapeutic use against current and future variants of SARS-CoV-2 and other emerging coronaviruses that use ACE2 as their main cell entry receptor.

Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) ist der wichtigste Rezeptor für severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), das Coronavirus verantwortlich für die Coronavirus disease 2019 (COVID-19) Pandemie. ACE2 existiert in zwei verschiedenen physiologischen Zuständen: membrangebunden und frei löslich zirkulierend. Lösliche ACE2 Proteine können als “decoy” genutzt werden, um die Bindung von SARS-CoV- 2 an membrangebundenes ACE2 zu verhindern und dadurch den Zelleintritt von SARS- CoV-2 und die nachfolgende Replikation in der Zelle zu unterbinden. ACE2 618-DDC- ABD ist ein modifiziertes, lösliches ACE2 Protein mit verlängerter Aktivität in vivo und verbesserter Affinität für SARS-CoV-2. Diese Dissertation basiert auf meiner Arbeit mit ACE2 618-DDC-ABD in k18hACE2 Mäusen infiziert mit SARS-CoV-2, mit Fokus auf eine Publikation, in welcher die Effektivität verschiedener Anwendungsmodalitäten von ACE2 618-DDC-ABD verglichen wurde. Dabei wurden die Effekte auf Überleben, Organtiter und Lungen- und Hirnhistopathologie untersucht. ACE2 618-DDC-ABD wurde entweder intra- nasal oder intraperitoneal verabreicht. Der Zeitpunkt der Verabreichung war entweder sowohl vor als auch nach viraler Inokulation oder nur nach viraler intranasaler Inokulation (je 2x104 Plaque forming units (PFU) SARS-CoV-2 (Wildtyp). Die Kontrollgruppe welche ebenfalls mit SARS-CoV-2 inokuliert wurde erhielt bovine serum albumin (BSA) in Phos- phate-buffered saline (PBS). An Tag 5 hatten 0% der Mäuse in der Kontrollgruppe über- lebt und die SARS-CoV-2 Titer in Lunge und Hirn waren hoch. Die intranasale Applikation von ACE2 618-DDC-ABD sowohl vor als auch nach viraler Inokulation war den anderen Anwendungsmodalitäten überlegen. An Tag 5 betrug das Überleben in dieser Gruppe 90%, Hirn SARS-CoV-2-Titer waren nicht detektierbar, und Lungen SARS-CoV-2-Titer reduziert. Verabreichung von ACE2 618-DDC-ABD intraperitoneal oder nur nach viraler Inokulation erzielte nur partiellen Schutz vor der hohen Letalität. Zusätzlich waren die SARS-CoV-2 Hirntiter in diesen Gruppen hoch. Zusammenfassend zeigen diese Studien, dass die intranasale Applikation von ACE2 618-DDC-ABD der intraperitonealen Applikation deutlich überlegen ist. Des Weiteren ist die Anwendung bereits vor viraler Inokulation der alleinigen Anwendung nach viraler Inokulation überlegen. Die intranasale Applikation von ACE2 618-DDC-ABD sowohl vor als auch nach viraler Inokulation führte zu einem beinahe vollständigen Überleben der SARS-CoV-2 infizierten Mäuse in dieser Gruppe. Therapien basierend auf löslichen ACE2 Proteinen werden weiterhin erforscht und sind ein potentieller Baustein in der Prävention und/oder Therapie von zukünftigen SARS-CoV-2 Varianten sowie anderen Coronaviren, welche ACE2 als Rezeptor verwenden.