Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2: Susceptibility, Immunoprophylaxis, and Variant Characterization in Animal Models

Ulrich, Lorenz

doi:10.5282/edoc.29831

published

Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 : Susceptibility, Immunoprophylaxis, and Variant Characterization in Animal Models

English
German

High consequence severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS‐CoV‐2) is the youngest among known human coronaviruses. SARS‐CoV‐2 may cause severe disease in humans (COVID‐19) and has affected every‐day life in an unprecedented manner. Total number of cases and fatalities have reached an inconceivable level within only two years after the index case and are still increasing. The zoonotic SARS‐CoV‐2 has emerged in an animal reservoir and was transmitted to humans, triggering a pandemic wave. Besides humans, also some animal species have shown very high susceptibility towards infection with SARS‐CoV‐2, which can also lead to severe clinics in these species. Another major factor in COVID‐19 pandemic is the continuing evolution of the virus and the ongoing emergence of new viral variants. The first year of the pandemic with its undamped SARS‐CoV‐2 spread has accentuated the importance for countermeasures to temper further dissemination and protect humans – most ideally with potent vaccines. Additionally, an improved understanding of SARS‐CoV‐2 biology, evolution, and emergence will be eminent to substantiate efficient control of COVID‐19. Animal models are a substantial cornerstone on which research efforts are based. They are unexcelled to modulate pathogenesis and epidemiology of SARS‐CoV‐2 in a true‐to‐life approach. This cumulative thesis introduces, establishes, discusses, and synergizes three experimental settings in different animal models, to substantially add to knowledge in indexing animals’ susceptibility for SARS‐CoV‐2, characterizing SARS‐CoV‐2 variants of concern, and testing vaccine‐candidates. Species susceptibility towards infection with SARS‐CoV‐2 was tested in an experimental transmission study, with directly inoculated donor animals. To test for transmission, virus‐ naïve contact animals were co‐housed one day post inoculation. Subsequently, all animals were checked for clinical signs and relevant clinical specimen were collected. With this approach, SARS‐CoV‐2 infection in cattle and bank voles was tested. Both species revealed a very low susceptibility for this pathogen and transmission to in‐contact conspecifics was not observed albeit bank voles’ susceptibility is considered marginally higher than that of cattle. In further studies, the fitness of virus variants, defined by replication efficiency and transmissibility, was characterized. In a competitive transmission experiment, one donor animal was experimentally co‐inoculated with two variants simultaneously; thereupon each donor was cohoused with a naïve transmission animal; for some variants, also second cycle transmission to another direct contact animal was investigated. Ferrets, transgenic hACE2 mice, and Syrian hamsters were used in the different experiments. With these models, dominance of the S‐614G or the Alpha variant over precursor virus S‐D614 and the Beta variant could be demonstrated. Finally, the safety and efficacy of SARS‐CoV‐2 mRNA‐vaccines were tested in an immunization‐ challenge trial. Groups of K18‐hACE2 mice were challenged with two different SARS‐CoV‐2 variants after a prime‐boost vaccination regime. With this model, a suitable approach to test vaccine safety and efficacy in a highly susceptible animal model was established; furthermore, the vaccine candidate itself was successfully tested, and the virulence of the different SARS‐ CoV‐2 variants, which were used for challenge, could be evaluated. Challenges in SARS‐CoV‐2 / COVID‐19 pandemic are manifold. With the presented bundle of animal models for SARS‐CoV‐2 research, however, a profound base for the future, when we will need to cope with this pathogen, is set. Further questions will arise addressing reservoir species and the susceptibility of animals towards new SARS‐CoV‐2 variants, but also the risk‐ potential of further emerging variants. These experimental approaches can then easily be adapted to modified conditions and problems. When, hopefully, the quest for potent vaccines will even speed up and also new approaches and strategies for vaccination are pursued, reliable immunization‐challenge models as presented in this study are of utmost importance. With these promising experimental approaches, mankind is forearmed to pit against the forces of SARS‐CoV‐2.

Das severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS‐CoV‐2 (schweres, akutes, respiratorisches Syndrom Coronavirus 2) ist der jüngste Vertreter der bekannten Coronaviren des Menschen und Auslöser der coronavirus disease‐19, COVID‐19 (Coronavirus Krankheit 2019). SARS‐CoV‐2 kann bei Infizierten schwerwiegende Erkrankungen auslösen und hat das gesellschaftliche Leben in bis dato unbegreiflichem Ausmaß gewandelt. Die noch immer steigenden Erkrankungs‐ und Todeszahlen haben in den lediglich zwei Jahren nach Diagnose des ersten Indexfalles unvorstellbare Höhen erreicht. Als zoonotisches Virus entstand SARS‐ CoV‐2 ursprünglich in einem Tierwirt, ist dann auf den Menschen übergesprungen, und hat damit die Pandemie ins Rollen gebracht. Außer dem Menschen zeigen auch einige Tierarten eine sehr hohe Empfänglichkeit für dieses Virus – teilweise löst es auch bei ihnen sehr schwere klinische Verläufe aus. Ein sehr wesentlicher Treiber der Pandemie ist die ständige Evolution neuer Virusvarianten. Die ersten Monate der SARS‐CoV‐2 Pandemie haben bewiesen, dass sich das Virus fast ungehindert verbreiten kann und daher weitere Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen, um den Menschen zu schützen ‐ im besten Falle durch Impfungen. Dennoch ist gerade eine verbesserte Kenntnis der SARS‐CoV‐2 Virusbiologie und seiner Entstehung grundlegend für eine erfolgreiche Bekämpfung. Dafür sind Tiermodelle eine unersetzliche Grundlage. Tierversuche dienen in besonderer Weise der Erforschung der Viruspathogenese und Epidemiologie in einem Organismus. Diese kumulative Doktorarbeit stellt drei unterschiedliche experimentelle Tierversuchsansätze für die SARS‐CoV‐2 Forschung vor, um einerseits die Empfänglichkeit unterschiedlicher Tierarten für SARS‐CoV‐2 zu bestimmen, neue Varianten zu charakterisieren und andererseits ein Tiermodell zur Testung von Impfstoffkandidaten zu etablieren. Die Empfänglichkeit unterschiedlicher Tierarten für SARS‐CoV‐2 wurde in einer Transmissionsstudie mit experimentell inokulierten Donortieren und virus‐negativen Kontakttieren, auf die das Virus möglicherweise übertragen wird und die einen Tag nach Inokulation zugestallt werden, ermittelt. Alle Tiere wurden regelmäßig klinisch untersucht und beprobt. Auf diese Weise wurde die Empfänglichkeit von Rindern und Rötelmäusen getestet. Obschon die Empfänglichkeit beider Arten sehr gering bzw. gering war und das Virus nicht auf Kontakttiere übertragen werden konnte, zeigten Rötelmäuse eine etwas höhere Empfänglichkeit als Rinder. In einem weiteren experimentellen Ansatz wurde die Fitness von Virusvarianten, definiert durch replikative Dominanz und präferierte Übertragbarkeit, getestet. Hierfür wurde jeweils ein Donortier gleichzeitig mit einem Gemisch zweier Varianten ko‐inokuliert. Kontakttiere wurden zugestallt und in einigen Teilversuchen auch ein zweites Kontakttier, um Infektionsketten simulieren zu können. Die Versuche an Frettchen, transgenen hACE2‐ Mäusen und Goldhamstern konnten eine Dominanz der S‐614G und der Alpha Variante gegenüber der Ursprungsvariante S‐D614 und auch der Beta Variante nachweisen. Außerdem wurde ein Infektionsmodell an K18‐hACE2 Mäusen etabliert, um die Sicherheit und Wirksamkeit von SARS‐CoV‐2 mRNA Impfstoffkandidaten zu untersuchen. Nach Erst‐ und Zweitimpfung wurden die K18‐ACE2 Mäuse experimentell mit jeweils einer von zwei Virusvarianten infiziert. In diesem Versuch konnte gezeigt werden, dass der Impfstoffkandidat sowohl sicher als auch wirksam war. Darüber hinaus konnte die Virulenz der verschiedenen verwendeten SARS‐CoV‐2‐Varianten bestimmt werden. Die durch SARS‐CoV‐2 / COVID‐19 ausgelösten Herausforderungen sind vielfältig. Die unterschiedlichen in dieser Arbeit vorgestellten Tiermodelle für die SARS‐CoV‐2 Forschung tragen diesem Umstand Rechnung und bilden eine gute Grundlage, um sich in Zukunft erfolgreich mit dem Virus auseinandersetzen zu können. Die in dieser Arbeit etablierten Tiermodelle können ohne Weiteres an zukünftige Fragen nach der Empfänglichkeit und dem Gefahrenpotential weiterer Varianten angepasst werden. Zusätzlich ist ein zuverlässiges Modell zur Impfstofftestung nach dem Muster des hier vorgestellten besonders hilfreich, um die Impfstoffentwicklung weiter zu beschleunigen und bei der Suche nach optimierten Vakzinen zu unterstützen. Insbesondere mit diesem vielfältigen wissenschaftlichen Rüstzeug wird man den Herausforderungen von SARS‐CoV‐2 begegnen können.