Immune profiling of COVID-19 patients Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has affected millions of people globally, yet how the human immune system responds to and influences COVID-19 severity remains unclear. Mathew et al. present a comprehensive atlas of immune modulation associated with COVID-19. They performed high-dimensional flow cytometry of hospitalized COVID-19 patients and found three prominent and distinct immunotypes that are related to disease severity and clinical parameters. Arunachalam et al. report a systems biology approach to assess the immune system of COVID-19 patients with mild-to-severe disease. These studies provide a compendium of immune cell information and roadmaps for potential therapeutic interventions. Science , this issue p. eabc8511 , p. 1210

Immune memory after vaccination Vaccination against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has proven highly effective at preventing severe COVID-19. However, the evolution of viral variants, and waning antibody levels over time, raise questions regarding the longevity of vaccine-induced immune protection. Goel et al . examined B and T lymphocyte responses in individuals who received SARS-CoV-2 messenger RNA vaccines. They performed a 6-month longitudinal study of individuals who never had SARS-CoV-2 infection compared with people who had recovered from SARS-CoV-2. Humoral and cellular immune memory was observed in vaccinated individuals, as were functional immune responses against the Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), and Delta (B.1.617.2) viral variants. Analysis of T cell activity suggested that robust cellular immune memory may prevent hospitalization by limiting the development of severe disease. —PNK

Profound plasmablast expansion, innate cell modulation, and T cell activation are defining features of severe COVID-19.

Key differences in both antibody and memory B cell responses to mRNA vaccination were identified on the basis of prior SARS-CoV-2 exposure.

TCF-1 is a key transcription factor in progenitor exhausted CD8 T cells (Tex). Moreover, this Tex cell subset mediates responses to PD-1 checkpoint pathway blockade. However, the role of the transcription factor TCF-1 in early fate decisions and initial generation of Tex cells is unclear. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and lineage tracing identified a TCF-1+Ly108+PD-1+ CD8 T cell population that seeds development of mature Tex cells early during chronic infection. TCF-1 mediated the bifurcation between divergent fates, repressing development of terminal KLRG1Hi effectors while fostering KLRG1Lo Tex precursor cells, and PD-1 stabilized this TCF-1+ Tex precursor cell pool. TCF-1 mediated a T-bet-to-Eomes transcription factor transition in Tex precursors by promoting Eomes expression and drove c-Myb expression that controlled Bcl-2 and survival. These data define a role for TCF-1 in early-fate-bifurcation-driving Tex precursor cells and also identify PD-1 as a protector of this early TCF-1 subset.

Patients with cancer have high mortality from coronavirus disease 2019 (COVID-19), and the immune parameters that dictate clinical outcomes remain unknown. In a cohort of 100 patients with cancer who were hospitalized for COVID-19, patients with hematologic cancer had higher mortality relative to patients with solid cancer. In two additional cohorts, flow cytometric and serologic analyses demonstrated that patients with solid cancer and patients without cancer had a similar immune phenotype during acute COVID-19, whereas patients with hematologic cancer had impairment of B cells and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-specific antibody responses. Despite the impaired humoral immunity and high mortality in patients with hematologic cancer who also have COVID-19, those with a greater number of CD8 T cells had improved survival, including those treated with anti-CD20 therapy. Furthermore, 77% of patients with hematologic cancer had detectable SARS-CoV-2-specific T cell responses. Thus, CD8 T cells might influence recovery from COVID-19 when humoral immunity is deficient. These observations suggest that CD8 T cell responses to vaccination might provide protection in patients with hematologic cancer even in the setting of limited humoral responses. A study of hospitalized patients infected with SARS-CoV-2 and who have liquid or solid cancer suggests that hematologic malignancy is an independent risk factor for mortality and that CD8+ T cells might limit infection in this setting irrespective of humoral immunity.

SARS-CoV-2 mRNA vaccines have shown remarkable clinical efficacy, but questions remain about the nature and kinetics of T cell priming. We performed longitudinal antigen-specific T cell analyses on healthy SARS-CoV-2-naive and recovered individuals prior to and following mRNA prime and boost vaccination. Vaccination induced rapid antigen-specific CD4+ T cell responses in naive subjects after the first dose, whereas CD8+ T cell responses developed gradually and were variable in magnitude. Vaccine-induced Th1 and Tfh cell responses following the first dose correlated with post-boost CD8+ T cells and neutralizing antibodies, respectively. Integrated analysis revealed coordinated immune responses with distinct trajectories in SARS-CoV-2-naive and recovered individuals. Last, whereas booster vaccination improved T cell responses in SARS-CoV-2-naive subjects, the second dose had little effect in SARS-CoV-2-recovered individuals. These findings highlight the role of rapidly primed CD4+ T cells in coordinating responses to the second vaccine dose in SARS-CoV-2-naive individuals.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has rapidly spread within the human population. Although SARS-CoV-2 is a novel coronavirus, most humans had been previously exposed to other antigenically distinct common seasonal human coronaviruses (hCoVs) before the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Here, we quantified levels of SARS-CoV-2-reactive antibodies and hCoV-reactive antibodies in serum samples collected from 431 humans before the COVID-19 pandemic. We then quantified pre-pandemic antibody levels in serum from a separate cohort of 251 individuals who became PCR-confirmed infected with SARS-CoV-2. Finally, we longitudinally measured hCoV and SARS-CoV-2 antibodies in the serum of hospitalized COVID-19 patients. Our studies indicate that most individuals possessed hCoV-reactive antibodies before the COVID-19 pandemic. We determined that ∼20% of these individuals possessed non-neutralizing antibodies that cross-reacted with SARS-CoV-2 spike and nucleocapsid proteins. These antibodies were not associated with protection against SARS-CoV-2 infections or hospitalizations, but they were boosted upon SARS-CoV-2 infection.

The identification and study of antigen-specific CD4 T cells, both in peripheral blood and in tissues, is key for a broad range of immunological research, including vaccine responses and infectious diseases. Detection of these cells is hampered by both their rarity and their heterogeneity, in particular with regards to cytokine secretion profiles. These factors prevent the identification of the total pool of antigen-specific CD4 T cells by classical methods. We have developed assays for the highly sensitive detection of such cells by measuring the upregulation of surface activation induced markers (AIM). Here, we compare two such assays based on concurrent expression of CD69 plus CD40L (CD154) or expression of OX40 plus CD25, and we develop additional AIM assays based on OX40 plus PD-L1 or 4-1BB. We compare the relative sensitivity of these assays for detection of vaccine and natural infection-induced CD4 T cell responses and show that these assays identify distinct, but overlapping populations of antigen-specific CD4 T cells, a subpopulation of which can also be detected on the basis of cytokine synthesis. Bystander activation had minimal effect on AIM markers. However, some T regulatory cells upregulate CD25 upon antigen stimulation. We therefore validated AIM assays designed to exclude most T regulatory cells, for both human and non-human primate (NHP, Macaca mulatta) studies. Overall, through head-to-head comparisons and methodological improvements, we show that AIM assays represent a sensitive and valuable method for the detection of antigen-specific CD4 T cells.

The phenotypic characterization of the cells in which HIV persists during antiretroviral therapy (ART) remains technically challenging. We developed a simple flow cytometry-based assay to quantify and characterize infected cells producing HIV proteins during untreated and treated HIV infection. By combining two antibodies targeting the HIV capsid in a standard intracellular staining protocol, we demonstrate that p24-producing cells can be detected with high specificity and sensitivity in the blood from people living with HIV. In untreated individuals, the frequency of productively infected cells strongly correlated with plasma viral load. Infected cells preferentially displayed a transitional memory phenotype and were enriched in Th17, peripheral Tfh and regulatory T cells subsets. These cells also preferentially expressed activation markers (CD25, HLA-DR, Ki67), immune checkpoint molecules (PD-1, LAG-3, TIGIT, Tim-3) as well as the integrins α4β7 and α4β1. In virally suppressed individuals on ART, p24-producing cells were only detected upon stimulation (median frequency of 4.3 p24+ cells/106 cells). These measures correlated with other assays assessing the size of the persistent reservoir including total and integrated HIV DNA, Tat/rev Induced Limiting Dilution Assay (TILDA) and quantitative viral outgrowth assay (QVOA). In ART-suppressed individuals, p24-producing cells preferentially displayed a transitional and effector memory phenotype, and expressed immune checkpoint molecules (PD-1, TIGIT) as well as the integrin α4β1. Remarkably, α4β1 was expressed by more than 70% of infected cells both in untreated and ART-suppressed individuals. Altogether, these results highlight a broad diversity in the phenotypes of HIV-infected cells in treated and untreated infection and suggest that strategies targeting multiple and phenotypically distinct cellular reservoirs will be needed to exert a significant impact on the size of the reservoir.