Susceptibility of animal species to experimental SARS-CoV-2 (Coronaviridae: Coronavirinae: Betacoronavirus; Sarbecovirus) infection

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Due to the new coronavirus infection pandemic, the global scientific community has been forced to change the direction of the most research, focusing on vaccine development as well as the search for new antiviral drugs to treat COVID-19. The choice of experimental models, timeframe and approaches for evaluating drugs and vaccines under development is crucial for the development of effective measures to prevent and control this disease.
The purpose of this review was to summarize the relevant data concerning the susceptibility of laboratory animals to SARS-CoV-2. This paper describes the most virus-susceptible animal species that can be used to reproduce coronavirus infection, stressing the main advantages and disadvantages of each of them.
According to the latest data, small rodents (Rodentia) and non-human primates (Strepsirrhini) are commonly used in the scientific community to model coronavirus infection. The viral load in the upper and lower parts of the respiratory system, clinical symptoms of infection (weight loss, body temperature and general health status), pathomorphological picture in target organs and the production of antibodies after infection are considered to the main markers of pathology. Despite the vast amount of data, none of the described models of SARS-CoV-2 infection may be considered a gold standard, since they do not reproduce all spectrum of morphological and pathogenetic mechanisms of infection, and do not fully reflect the clinical picture observed in patients in human population.
Based on the analyzed literature data, we suppose that Syrian hamster (Mesocricetus auratus) and mice (Muridae) expressing the angiotensin converting enzyme receptor 2 (ACE2) are the most suitable animal species for their use in experiments with SARS-CoV-2 infection. The development of neutralizing antibodies makes it possible to evaluate the efficacy of vaccines, while the course and severity of symptoms infection makes the use of mice and hamsters especially popular for screening pharmacological substances with antiviral mechanism of action, when their administration can prevent or slow the disease progression.

About the authors

N. V. Petrova

FSBRI «Institute of General Pathology and Pathophysiology»; LLC «NPF «Materia Medica Holding»

Author for correspondence.
Email: nataliyaapetrova89@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2192-7302

Petrova Natalia Vladimirovna, Researcher of Laboratory of the Physiologically Active Substances, FSBRI «Institute of General Pathology and Pathophysiology»; senior research associate, LLC «NPF «Materia Medica Holding»

125315, Moscow
129272, Moscow

Russian Federation

K. K. Ganina

LLC «NPF «Materia Medica Holding»

Email: Tanaevakk@materiamedica.ru
ORCID iD: 0000-0003-1571-6338

Ganina Ksenia Kirillovna, Ph.D. (Biol.), Senior Researcher

129272, Moscow

Russian Federation

S. A. Tarasov

FSBRI «Institute of General Pathology and Pathophysiology»; LLC «NPF «Materia Medica Holding»

Email: satarasovmail@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6650-6958

Tarasov Sergey Alexandrovich, Ph.D. (Med.), Leading Researcher of Laboratory of the Physiologically Active Substances, FSBRI «Institute of General Pathology and Pathophysiology»; the head of research and development department, LLC «NPF «Materia Medica Holding»

125315, Moscow
129272, Moscow

Russian Federation

References

  1. WHO. Weekly epidemiological update – 21 September 2020. Available at: https://www.who.int/publications/m/item/weeklyepidemiological-update---21-september-2020 (accessed December 9, 2020).
  2. Imai M., Iwatsuki-Horimoto K., Hatta M., Loeber S., Halfmann P.J., Nakajima N., 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): 16587–95. https://doi.org/10.1073/pnas.2009799117.
  3. Kim Y.I., Kim S.G., Kim S.M., Kim E.H., Park S.J., Yu K.M., et al. Infection and rapid transmission of SARS-CoV-2 in ferrets. Cell Host Microbe. 2020; 27(5): 704–9.e2. https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.03.023.
  4. Bao L., Deng W., Huang B., Gao H., Liu J., Ren L., et al. The pathogenicity of SARS-CoV-2 in hACE2 transgenic mice. Nature. 2020; 583: 830–3. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2312-y.
  5. Sun S.H., Chen Q., Gu H.J., Yang G., Wang Y.X., Huang X.Y., et al. A Mouse Model of SARS-CoV-2 Infection and Pathogenesis. Cell Host Microbe. 2020; 28(1): 124–33.e4. https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.05.020.
  6. Soldatov V.O., Kubekina M.V., Silaeva Y.Yu., Bruter A.V., Deykin A.V. On the way from SARS-CoV-sensitive mice to murine COVID-19 model. Res. Results Pharmacol. 2020; 6(2): 1–7. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.6.53633.
  7. Shi J., Wen Z., Zhong G., Yang H., Wang C., Huang B., et al. Susceptibility of ferrets, cats, dogs, and other domesticated animals to SARS-coronavirus 2. Science. 2020; 368(6494): 1016–20. https://doi.org/10.1126/science.abb7015.
  8. Richard M., Kok A., de Meulder D., Bestebroer T.M., Lamers M.M., Okba N.M.A., et al. SARS-CoV-2 is transmitted via contact and via the air between ferrets. Nat. Commun. 2020; 11(1): 3496. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17367-2.
  9. Chan J.F., Zhang A.J., Yuan S., Poon V.K., Chan C.C., Lee A.C., et al. Simulation of the clinical and pathological manifestations of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) in golden Syrian hamster model: implications for disease pathogenesis and transmissibility. Clin. Infect. Dis. 2020; 71(9): 2428–46. https://doi.org/10.1093/cid/ciaa325.
  10. Boudewijns R., Thibaut H.J., Kaptein S.J.F., Li R., Vergote V., Seldeslachts J., et al. STAT2 signaling as double-edged sword restricting viral dissemination but driving severe pneumonia in SARS-CoV-2 infected hamsters. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.04.23.056838.
  11. Sia S.F., Yan L.M., Chin A.W.H., Fung K., Choy K.T., Wong A.Y.L., et al. Pathogenesis and transmission of SARS-CoV-2 in golden hamsters. Nature. 2020; 583(7818): 834–8. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2342-5.
  12. Shan C., Yao Y.F., Yang X.L., Zhou Y.W., Gao G., Peng Y., et al. Infection with novel coronavirus (SARS-CoV-2) causes pneumonia in the rhesus macaques. Cell Res. 2020; 30(8): 670–7. https://doi.org/10.1038/s41422-020-0364-z.
  13. Woolsey C., Borisevich V., Prasad A.N., Agans K.N., Deer D.J., Dobias N.S., et al. Establishment of an African green monkey model for COVID-19. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.05.17.100289.
  14. Singh D.K., Ganatra S.R., Singh B., Cole J., Alfson K.J., Clemmons E., et al. SARS-CoV-2 infection leads to acute infection with dynamic cellular and inflammatory flux in the lung that varies across nonhuman primate species. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.06.05.136481.
  15. Williamson B.N., Feldmann F., Schwarz B., Meade-White K., Porter D.P., Schulz J., et al. Clinical benefit of remdesivir in rhesus macaques infected with SARS-CoV-2. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.04.15.043166.
  16. Yu J., Tostanoski L.H., Peter L., Mercado N.B., McMahan K., Mahrokhian S.H., et al. DNA vaccine protection against SARSCoV-2 in rhesus macaques. Science. 2020; 369(6505): 806–11. https://doi.org/10.1126/science.abc6284.
  17. Corbett K.S., Flynn B., Foulds K.E., Francica J.R., Boyoglu-Barnum S., Werner A.P., et al. Evaluation of the mRNA-1273 vaccine against SARS-CoV-2 in nonhuman primates. N. Engl. J. Med. 2020; 383(16): 1544–55. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2024671.
  18. Takayama K. In Vitro and Animal Models for SARS-CoV-2 research. Trends Pharmacol. Sci. 2020; 41(8): 513–7. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.05.005.
  19. Gorbalenya A.E., Baker S.C., Baric R.S., de Groot R.J., Drosten C., Gulyaeva A.A., et al. The species Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat. Microbiol. 2020; 5(4): 536-44. https://doi.org/10.1038/s41564-020-0695-z.
  20. Liu S., Xiao G., Chen Y., He Y., Niu J., Escalante C.R., et al. Interaction between heptad repeat 1 and 2 regions in spike protein of SARS-associated coronavirus: implications for virus fusogenic mechanism and identification of fusion inhibitors. Lancet. 2004; 363(9413): 938–47. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(04)15788-7.
  21. Yan R., Zhang Y., Li Y., Xia L., Guo Y., Zhou Q. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science. 2020; 367(6485): 1444–8. https://doi.org/10.1126/science.abb2762.
  22. Hoffmann M., Kleine-Weber H., Schroeder S., Krüger N., Herrler T., Erichsen S., et al. SARS-CoV-2 cell entry depends on ACE2 and TMPRSS2 and is blocked by a clinically proven protease inhibitor. Cell. 2020; 181(2): 271-80.e8. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.052.
  23. Iwata-Yoshikawa N., Okamura T., Shimizu Y., Hasegawa H., Takeda M., Nagata N. TMPRSS2 contributes to virus spread and immunopathology in the airways of murine models after Coronavirus Infection. J. Virol. 2019; 93(6): e01815–18. https://doi.org/10.1128/JVI.01815-18.
  24. Wang K., Chen W., Zhou Y.S., Lian J.Q., Zhang Z., Du P., et al. SARSCoV-2 invades host cells via a novel route: CD147-spike protein. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.03.14.988345.
  25. Neuman B.W., Kiss G., Kunding A.H., Bhella D., Baksh M.F., Connelly S., et al. A structural analysis of M protein in coronavirus assembly and morphology. J. Struct. Biol. 2011; 174(1): 11–22. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2010.11.021.
  26. Schoeman D., Fielding B.C. Coronavirus envelope protein: current knowledge. Virol. J. 2019; 16(1): 69. https://doi.org/10.1186/s12985-019-1182-0.
  27. Lei X., Dong X., Ma R., Wang W., Xiao X., Tian Z., et al. Activation and evasion of type I interferon responses by SARS-CoV-2. Nat. Commun. 2020; 11(1): 3810. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17665-9.
  28. Kang S., Yang M., Hong Z., Zhang L., Huang Z., Chen X., et al. Crystal structure of SARS-CoV-2 nucleocapsid protein RNA binding domain reveals potential unique drug targeting sites. Acta Pharm. Sin. B. 2020; 10(7): 1228–38. https://doi.org/10.1016/j.apsb.2020.04.009.
  29. Zhang Y., Zhang J., Chen Y., Luo B., Yuan Y., Huang F., et al. The ORF8 protein of SARS-CoV-2 mediates immune evasion through potently downregulating MHC-I. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.05.24.111823.
  30. Khailany R.A., Safdar M., Ozaslan M. Genomic characterization of a novel SARS-CoV-2. Gene Rep. 2020; 19: 100682. https://doi.org/10.1016/j.genrep.2020.100682.
  31. Sun J., Zhuang Z., Zheng J., Li K., Wong R.L., Liu D., et al. Generation of a broadly useful model for COVID-19 pathogenesis, vaccination and treatment. Cell. 2020; 182(3): 734–43.e5. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.010.
  32. Golden J.W., Cline C.R., Zeng X., Garrison A.R., Carey B.D., Mucker E.M., et al. Human angiotensin-converting enzyme 2 transgenic mice infected with SARS-CoV-2 develop severe and fatal respiratory disease. JCI Insight. 2020; 5(19): e142032. https://doi.org/10.1172/jci.insight.142032.
  33. Jiang R.D., Liu M.Q., Chen Y., Shan C., Zhou Y.W., Shen X.R., et al. Pathogenesis of SARS-CoV-2 in transgenic mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2. Cell. 2020; 182(1): 50–8. e8. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.027.
  34. Bao L., Gao H., Deng W., Lv Q., Yu H., Liu M., et al. Transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 via close contact and respiratory droplets among human angiotensin-converting enzyme 2 mice. J. Infec. Dis. 2020; 222(4): 551–5. https://doi.org/10.1093/infdis/jiaa281.
  35. Rogers T.F., Zhao F., Huang D., Beutler N., Burns A., He W.T., et al. Isolation of potent SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and protection from disease in a small animal model. Science. 2020; 396(6506): 956–63. https://doi.org/10.1126/science.abc7520.
  36. Schlottau K., Rissmann M., Graaf A., Schön J., Sehl J., Wylezich C., et al. SARS-CoV-2 in fruit bats, ferrets, pigs, and chickens: an experimental transmission study. Lancet Microbe. 2020; 1(5): 218–25. https://doi.org/10.1016/S2666-5247(20)30089-6.
  37. Munster V.J., Feldmann F., Williamson B.N., van Doremalen N., Pérez-Pérez L., Schulz J., et al. Respiratory disease in rhesus macaques inoculated with SARS-CoV-2. Nature. 2020; 585(7824): 268–72. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2324-7.
  38. Deng W., Bao L., Liu J., Xiao C., Xue J., Lv Q., et al. Primary exposure to SARS-CoV-2 protects against reinfection in rhesus macaques. Science. 2020; 369(6505): 818–23. https://doi.org/10.1126/science.abc5343.
  39. Johnston S.C., Jay A., Raymond J.L., Rossi F., Zeng X., Scruggs J., et al. Development of a Coronavirus Disease 2019 Nonhuman Primate Model Using Airborne Exposure. bioRxiv. 2020. Preprint. https://doi.org/10.1101/2020.06.26.174128.
  40. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798): 270–3. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7.
  41. Li W., Greenough T.C., Moore M.J., Vasilieva N., Somasundaran M., Sullivan J.L., et al. Efficient replication of severe acute respiratory syndrome coronavirus in mouse cells is limited by murine angiotensin-converting enzyme 2. J. Virol. 2004; 78(20): 11429–33. https://doi.org/10.1128/JVI.78.20.11429-11433.2004.
  42. Huang C., Wang Y., Li X., Ren L., Zhao J., Hu Y., et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet. 2020; 395(10223): 497–506. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30183-5.
  43. Zitzow L.A., Rowe T., Morken T., Shieh W.J., Zaki S., Katz J.M. Pathogenesis of avian influenza A (H5N1) viruses in ferrets. J. Virol. 2002; 76(9): 4420–9. https://doi.org/10.1128/jvi.76.9.4420-4429.2002.
  44. Martina B.E., Haagmans B.L., Kuiken T., Fouchier R.A.M., Rimmelzwaan G.F., van Amerongen G., et al. SARS virus infection of cats and ferrets. Nature. 2003; 425(6961): 915. https://doi.org/10.1038/425915a.
  45. Weingartl H., Czub M., Czub S., Neufeld J., Marszal P., Gren J., et al. Immunization with modified vaccinia virus Ankara-based recombinant vaccine against severe acute respiratory syndrome is associated with enhanced hepatitis in ferrets. J. Virol. 2004; 78(22): 12672–6. https://doi.org/10.1128/JVI.78.22.12672-12676.2004.
  46. Wan Y., Shang J., Graham R., Baric R.S., Li F. Receptor recognition by the novel coronavirus from Wuhan: an analysis based on decade-long structural studies of SARS coronavirus. J. Virol. 2020; 94(7): e00127–20. https://doi.org/10.1128/JVI.00127-20.
  47. Aid M., Abbink P., Larocca R.A., Boyd M., Nityanandam R., Nanayakkara O., et al. Zika virus persistence in the central nervous system and lymph nodes of rhesus monkeys. Cell. 2017; 169(4): 610–20.e14. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.04.008.
  48. Nakayama E., Saijo M. Animal models for Ebola and Marburg virus infections. Front. Microbiol. 2013; 4: 267. https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00267.
  49. Estes J.D., Wong S.W., Brenchley J.M. Nonhuman primate models of human viral infections. Nat. Rev. Immunol. 2018; 18(6): 390–404. https://doi.org/10.1038/s41577-018-0005-7.
  50. Heijmans C.M.C., de Groot N.G., Bontrop R.E. Comparative genetics of the major histocompatibility complex in humans and nonhuman primates. Int. J. Immunogenet. 2020; 47(3): 243–60. https://doi.org/10.1111/iji.12490.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Petrova N.V., Ganina K.K., Tarasov S.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».