Augmentation de l'efficacité d'antiviraux protéiques contre le SARS-CoV-2

Abstract

The SARS-CoV-2 pandemic emerged in 2019 with over 7 million deaths and at least 700 million people infected. Unprecedented research efforts have led to the development of vaccines and antivirals. Vaccination has greatly reduced the number of severe cases of COVID-19 and hospitalizations, but has not been able to block transmission of the virus between individuals. Antivirals could provide a solution to this problem. Indeed, as the nasal cavity is the main site of early SARS-CoV-2 replication, it is the ideal target for antiviral treatments of contact cases to block infection by transmission. Our team has already developed artificial nanobinders, called αReps, that target the Spike protein of SARS-CoV-2. One αRep, C2, has demonstrated strong neutralization activity in vitro. However, it has a low intranasal residence time in vivo (<1h) due to an extensive absorption by the nasal epithelium. The main objective of my PhD was to increase the residence time of this antiviral in the nasal cavity. Nasal mucus is composed of mucins, which are large glycoproteins secreted or present on the cell membrane. In the nasal cavity, the main mucins are MUC5B and MUC5AC. Our strategy is to anchor C2 to the mucins to increase its nasal retention. Some bacterial enzymes possess domains capable of binding to mucins, notably the X domain of a protease secreted by E. coli. X has been shown to bind to MUC5AC and to glycans on other mucins. We designed an X-linked C2 chimera called C2X. This synthetic antiviral showed increased residence time in the nasal cavity for up to 6 hours after instillation.Furthermore, we evaluated three different C2X prophylaxis strategies in hamsters cohoused with infected peers for 12 hours: low and high doses of free C2X and a low dose of formulated C2X (gel formulation). Treatment with formulated C2X and low-dose free C2X resulted in a more than one-log reduction in viral load in the olfactory turbinates, with 4 and 3 hamsters remaining uninfected in each condition, respectively. Unexpectedly, the high dose of free C2X was less effective in reducing infection in the nasal cavity. Interestingly, all treatments, even the highest dose, significantly reduced inflammation in the olfactory turbinates and lungs, with a more than 3-log reduction in IFN Lambda expression levels. In addition, all three treatment strategies reduced the spread of infection to the lungs. Virus dissemination was also reduced with formulated C2X and high-dose free C2X, but low-dose free C2X showed no effect. Finally, we assessed the toxicity of C2X in zebrafish and its immunogenic potential in mice. Taken together, these experiments showed no negative effect of repeated C2X treatment.Overall, the strategy of anchoring nanobinders, such as C2, to mucins represents a promising and safe approach to improving prophylactic treatments that ensure protection of the nasal cavity and, effectively, limit viral spread to the lungs.La pandémie de SARS-CoV-2 a émergé en 2019 avec plus de 7 millions de morts et au minimum 700 millions de personnes infectées. Des efforts de recherche sans précédent ont permis de développer des vaccins et des antiviraux. La vaccination a fortement réduit le nombre de cas graves de COVID-19 et d'hospitalisations, mais n'a pas permis de bloquer la transmission du virus entre individus. Des antiviraux pourraient répondre à cette problématique. En effet, la cavité nasale étant le principal site de réplication précoce du SARS-CoV-2, elle constitue la cible idéale pour des traitements antiviraux de cas contact pour bloquer l'infection par transmission. Notre équipe a déjà mis au point des nanobinders artificiels, appelés αReps, qui ciblent la protéine Spike du SARS-CoV-2. Une αRep, C2, a démontré une forte activité de neutralisation in vitro. Cependant, elle présente un faible temps de résidence intranasale in vivo (<1h) en raison d'une absorption importante par l'épithélium nasal. L'objectif principal de mon doctorat était d'augmenter le temps de séjour de cet antiviral dans la cavité nasale. Le mucus nasal est composé de mucines qui sont de grandes glycoprotéines sécrétées ou présentes sur la membrane cellulaire. Dans le nez, on retrouve principalement les mucines MUC5B et MUC5AC. Notre stratégie consiste à ancrer C2 aux mucines afin d'augmenter sa rétention nasale. Certaines enzymes bactériennes possèdent des domaines capables de se lier aux mucines, notamment le domaine X d'une protéase sécrétée par E. coli. Il a été démontré que le X se lie à MUC5AC et à des glycanes présents sur d'autres mucines. Nous avons conçu une chimère de C2 liée au X appelé C2X. Cet antiviral synthétique a présenté un temps de résidence accru dans la cavité nasale jusqu'à 6 heures après l'instillation.En outre, nous avons évalué trois stratégies différentes de traitement prophylactique au C2X chez des hamsters cohabitant avec des congénères infectés pendant 12 heures : des doses faibles et élevées de C2X libre et une faible dose de C2X formulé (formulation sous forme de gel). Les traitements par C2X formulé et par C2X libre à faible dose ont entraîné une réduction de plus d'un log de la charge virale dans les cornets olfactifs, 4 et 3 hamsters restant non infectés pour chaque condition, respectivement. De manière inattendue, la forte dose de C2X libre a été moins efficace pour réduire l'infection dans la cavité nasale. Il est intéressant de noter que tous les traitements, même la dose la plus élevée, ont considérablement réduit l'inflammation dans les cornets olfactifs et les poumons, avec une réduction de plus de 3 log du niveau d'expression de l'IFN Lambda. En outre, les trois stratégies de traitement ont permis de réduire la dissémination de l'infection dans les poumons. La dissémination du virus a également été réduite avec le C2X formulé et la dose élevée de C2X libre, mais le C2X libre à faible dose n'a montré aucun effet. Enfin, nous avons évalué la toxicité des C2X chez le poisson zèbre et leur potentiel immunogène chez la souris. L'ensemble de ces expériences n'a pas montré d'effet négatif d'un traitement répété par C2X.Dans l'ensemble, la stratégie d'ancrage des nanobinders, tels que C2, aux mucines représente une approche prometteuse et sûre pour améliorer les traitements prophylactiques qui assurent la protection de la cavité nasale et, limitent efficacement, la propagation virale aux poumons