Comparative study of the pathogenicity of SARS-CoV-2 B.1 AND B.1.617.2 lineages for syrian hamsters

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Syrian hamsters are the most sensitive model for studying the pathogenesis of a new coronavirus infection and testing prophylactic and therapeutic drugs against SARS-CoV-2. Accordingly, it is important to identify pathomorphological indicators of tissue damage in coronavirus-infected animals, which would correlate with the severity of the disease.

AIM: Comprehensive assessment of the pathogenicity of SARS-CoV-2 viruses of B.1 and B.1.167.2 lineages on the model of Syrian hamsters to identify the most sensitive criteria that correlate with the clinical manifestation of the disease.

MATERIALS AND METHODS: Intranasal infection of animals with SARS-CoV-2, followed by the assessment of the clinical picture of the disease and detailed pathomorphological studies of various organs collected on the 5th day after infection.

RESULTS: The SARS-CoV-2 Delta virus (B.1.617.2) was shown to be less pathogenic for Syrian hamsters compared to the ancestral strain that circulated during the first wave of the COVID-19 pandemic (B.1). The histopathological characterization of lung tissue sections of infected animals revealed the most sensitive morphometric indicator that correlates with the severity of SARS-CoV-2-induced pathology, namely, the alveolar wall thickness.

CONCLUSIONS: The use of this indicator makes it possible to determine even slight differences in the severity of virus-induced pathology in the Syrian hamster model, which can be critical in the preclinical evaluation of prophylactic and therapeutic drugs for COVID-19.

About the authors

Kirill S. Yakovlev

Smorodintsev Research Institute of Influenza

Email: kirikus-fly@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7000-3467

Research Assistant at the Department of Preclinical Trials

Russian Federation, Saint Petersburg

Daria А. Mezhenskaya

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: dasmez@iemspb.ru
ORCID iD: 0000-0001-6922-7682
SPIN-code: 5799-8802
Scopus Author ID: 57188763106

Research Associate of Laboratory of Immunology and Prevention of Viral Infections, A.A. Smorodintsev Department of Virology

Russian Federation, Saint Petersburg

Konstantin V. Sivak

Smorodintsev Research Institute of Influenza

Email: kvsivak@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4064-5033
SPIN-code: 7426-8322
Scopus Author ID: 35269910300

Cand. Sci. (Biol.), Head of the Department of Preclinical Trials

Russian Federation, Saint Petersburg

Larisa G. Rudenko

Institute of Experimental Medicine

Email: vaccine@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0107-9959
SPIN-code: 4181-1372
Scopus Author ID: 7005033248

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of Department of Virology, A.A. Smorodintsev Department of Virology

Russian Federation, Saint Petersburg

Irina N. Isakova-Sivak

Institute of Experimental Medicine

Email: isakova.sivak@iemspb.ru
ORCID iD: 0000-0002-2801-1508
SPIN-code: 3469-3600
Scopus Author ID: 23973026600

Dr. Sci. (Biol.), Head of Laboratory of Immunology and Prevention of Viral Infections, A.A. Smorodintsev Department of Virology

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Zhu N, Zhang D, Wang W, et al. A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N Engl J Med. 2020;382(8):727–733. doi: 10.1056/NEJMoa2001017
  2. Anonymous. Worldometer of COVID-19 coronavirus pandemic [Internet]. Available from: https://www.worldometers.info/coronavirus/. Accessed: June 13, 2022.
  3. Chu H, Chan JF, Yuen KY. Animal models in SARS-CoV-2 research. Nat Methods. 2022;19(4):392–394. doi: 10.1038/s41592-022-01447-w
  4. Munoz-Fontela C, Dowling WE, Funnell SGP, et al. Animal models for COVID-19. Nature. 2020;586(7830):509–515. doi: 10.1038/s41586-020-2787-6
  5. Bednash JS, Kagan VE, Englert JA, et al. Syrian hamsters as a model of lung injury with SARS-CoV-2 infection: Pathologic, physiologic, and detailed molecular profiling. Transl Res. 2022;240:1–16. doi: 10.1016/j.trsl.2021.10.007
  6. Sia SF, Yan LM, Chin AWH, et al. Pathogenesis and transmission of SARS-CoV-2 in golden hamsters. Nature. 2020;583(7818):834–838. doi: 10.1038/s41586-020-2342-5
  7. Imai M, Iwatsuki-Horimoto K, Hatta M, et al. Syrian hamsters as a small animal model for SARS-CoV-2 infection and countermeasure development. Proc Natl Acad Sci USA. 2020;117(28):16587–16595. doi: 10.1073/pnas.2009799117
  8. Mohandas S, Yadav PD, Shete A, et al. SARS-CoV-2 delta variant pathogenesis and host response in Syrian hamsters. Viruses. 2021;13(9):1773. doi: 10.3390/v13091773
  9. Francis ME, Goncin U, Kroeker A, et al. SARS-CoV-2 infection in the Syrian hamster model causes inflammation as well as type I interferon dysregulation in both respiratory and non-respiratory tissues including the heart and kidney. PLoS Pathog. 2021;17(7):e1009705. doi: 10.1371/journal.ppat.1009705
  10. Moghaddar M, Radman R, Macreadie I. Severity, pathogenicity and transmissibility of delta and lambda variants of SARS-CoV-2, toxicity of spike protein and possibilities for future prevention of COVID-19. Microorganisms. 2021;9(10):2167. doi: 10.3390/microorganisms9102167
  11. Yuan S, Ye ZW, Liang R, et al. Pathogenicity, transmissibility, and fitness of SARS-CoV-2 Omicron in Syrian hamsters. Science. 2022;377(6604):428–433. doi: 10.1126/science.abn8939
  12. Matyushenko V, Isakova-Sivak I, Kudryavtsev I, et al. Detection of IFNgamma-secreting CD4(+) and CD8(+) memory t cells in COVID-19 convalescents after stimulation of peripheral blood mononuclear cells with live SARS-CoV-2. Viruses. 2021;13(8):1490. doi: 10.3390/v13081490
  13. Sokolov A, Isakova-Sivak I, Grudinina N, et al. Ferristatin II efficiently inhibits SARS-CoV-2 replication in vero cells. Viruses. 2022;14(2):317. doi: 10.3390/v14020317
  14. Reed LJ, Muench H. A Simple method of estimating fifty per cent endpoints. Am J Epidemiol. 1938;27(3):493–497. doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a118408
  15. Directive 2010/63/EU of the European Parliament 263 and of the Council 264 of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes. Official Journal of the European Union. 2010;53:33–79.
  16. Hsia CC, Hyde DM, Ochs M, et al. An official research policy statement of the American Thoracic Society/European Respiratory Society: standards for quantitative assessment of lung structure. Am J Respir Crit Care Med. 2010;181(4):394–418. doi: 10.1164/rccm.200809-1522ST
  17. Carroll T, Fox D, van Doremalen N, et al. The B.1.427/1.429 (epsilon) SARS-CoV-2 variants are more virulent than ancestral B.1 (614G) in Syrian hamsters. PLoS Pathog. 2022;18(2):e1009914. doi: 10.1371/journal.ppat.1009914
  18. Fischer RJ, van Doremalen N, Adney DR, et al. ChAdOx1 nCoV-19 (AZD1222) protects Syrian hamsters against SARS-CoV-2 B.1.351 and B.1.1.7. bioRxiv. 2021. doi: 10.1101/2021.03.11.435000
  19. Van der Lubbe JEM, Rosendahl Huber SK, Vijayan A, et al. Ad26.COV2.S protects Syrian hamsters against G614 spike variant SARS-CoV-2 and does not enhance respiratory disease. NPJ Vaccines. 2021;6(1):39. doi: 10.1038/s41541-021-00301-y
  20. Tamming LA, Duque D, Tran A, et al. DNA based vaccine expressing SARS-CoV-2 Spike-CD40L fusion protein confers protection against challenge in a Syrian hamster model. Front Immunol. 2021;12:785349. doi: 10.3389/fimmu.2021.785349
  21. Johnson S, Martinez CI, Tedjakusuma SN, et al. Oral vaccination protects against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 in a Syrian hamster challenge model. J Infect Dis. 2022;225(1):34–41. doi: 10.1093/infdis/jiab561
  22. Kulkarni R, Chen WC, Lee Y, et al. Vaccinia virus-based vaccines confer protective immunity against SARS-CoV-2 virus in Syrian hamsters. PLoS One. 2021;16(9):e0257191. doi: 10.1371/journal.pone.0257191

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Parameters of infection process on Syrian hamsters after SARS-CoV-2 inoculation (two lines B.1 and B.1.617.2) and placebo treatment with phosphate buffered saline: a — dynamics of body weight loss (0–5 days); b — integral clinical sum of scores (5 days); c — viral titer in nasal tissue, lings, trachea, liver, kidney and brain (log10 TCID50/g tissue). ANOVA Tukey test: * p < 0.05; ** p < 0.01; *** p < 0.001

Download (337KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Histopathologic changes of internal organs: a — trachea; b — brain cortex; c — liver; d — kidney. e, f — lungs after treatment with placebo (PBS, control) and two SARS-CoV-2 viruses — B.1 (Wuhan) and B.1.617.2 (Delta). H&E stain, 200 (a–e) and 50 (f) magnification with scale line 100 µm (a–e), 1 mm (f)

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Typical histopathologic features of the SARS-CoV-2 induced lung pathology: a — localized bronchogenic inflammatory foci; b — abundant inflammatory fields extending further in the lung tissue; asterisk — foci and/or diffuse mixed cell infiltrate; c — suppurative bronchiolitis — polymorphonuclear leukocytes and lymphocytes infiltrating partially ruptured bronchiolar wall; foci of necrotized (blue arrow) and syncytial multinucleated cell transformation (black arrow) bronchiolar epithelium; d — endothelialitis — endothelium lift off basal lamina by transmigrating inflammatory cells (arrows), severe vessel wall edema and abundant perivascular cuffing with mixed cell infiltrate; e — mononuclear infiltration and interalveolar septa thickening, prevailing intraalveolar edema with intraluminal hemorrhage, fibrin, cell debris and transmigrating macrophages; f — bronchiolar metaplasia of the alveolar epitelium, scattered type II pneumocyte hyperplasia amid the inflammatory alveolar lesion, also noted bronchiolar epithelium hyperplasia with cells pilling up (double arrow); g — diffuse alveolar damage — mixed inflammatory infiltrate: prevailing cells are lymphocytes, polymorphonuclear leukocytes and macrophages against the background of the intraalveolar edema and loss of structure. H&E stain, 50 magnification, scale line 2 mm (a–b), 200 magnification, scale line 100 µm (c–g)

Download (599KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Morphometric lung data, obtained at 5th day after SARS-CoV-2 infection: a — percentage of the lung tissue affected by the inflammatory lesions; b — airway semiquantitative assessment; c — vessel bed semiquantitative assessment; d — alveolar lesions semiquantitative assessment; e — alveolar wall thickness; f — MLI. PBS — phosphate buffered saline. ANOVA Tukey test: * p < 0.05; ** p < 0.01; *** p < 0.001; **** p < 0.0001

Download (376KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Eco-Vector



Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».