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.

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.

Human blood and lymph contain circulating CD4 + CD103 + cutaneous resident memory T cells that can seed distant skin sites. See the related Focus by Carbone and Gebhardt .

SARS-CoV-2 mRNA vaccines have shown remarkable efficacy, especially in preventing severe illness and hospitalization. However, the emergence of several variants of concern and reports of declining antibody levels have raised uncertainty about the durability of immune memory following vaccination. In this study, we longitudinally profiled both antibody and cellular immune responses in SARS-CoV-2 naïve and recovered individuals from pre-vaccine baseline to 6 months post-mRNA vaccination. Antibody and neutralizing titers decayed from peak levels but remained detectable in all subjects at 6 months post-vaccination. Functional memory B cell responses, including those specific for the receptor binding domain (RBD) of the Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), and Delta (B.1.617.2) variants, were also efficiently generated by mRNA vaccination and continued to increase in frequency between 3 and 6 months post-vaccination. Notably, most memory B cells induced by mRNA vaccines were capable of cross-binding variants of concern, and B cell receptor sequencing revealed significantly more hypermutation in these RBD variant-binding clones compared to clones that exclusively bound wild-type RBD. Moreover, the percent of variant cross-binding memory B cells was higher in vaccinees than individuals who recovered from mild COVID-19. mRNA vaccination also generated antigen-specific CD8+ T cells and durable memory CD4+ T cells in most individuals, with early CD4+ T cell responses correlating with humoral immunity at later timepoints. These findings demonstrate robust, multi-component humoral and cellular immune memory to SARS-CoV-2 and current variants of concern for at least 6 months after mRNA vaccination. Finally, we observed that boosting of pre-existing immunity with mRNA vaccination in SARS-CoV-2 recovered individuals primarily increased antibody responses in the short-term without significantly altering antibody decay rates or long-term B and T cell memory. Together, this study provides insights into the generation and evolution of vaccine-induced immunity to SARS-CoV-2, including variants of concern, and has implications for future booster strategies.

Although critical illness has been associated with SARS-CoV-2-induced hyperinflammation, the immune correlates of severe COVID-19 remain unclear. Here, we comprehensively analyzed peripheral blood immune perturbations in 42 SARS-CoV-2 infected and recovered individuals. We identified broad changes in neutrophils, NK cells, and monocytes during severe COVID-19, suggesting excessive mobilization of innate lineages. We found marked activation within T and B cells, highly oligoclonal B cell populations, profound plasmablast expansion, and SARS-CoV-2-specific antibodies in many, but not all, severe COVID-19 cases. Despite this heterogeneity, we found selective clustering of severe COVID-19 cases through unbiased analysis of the aggregated immunological phenotypes. Our findings demonstrate broad immune perturbations spanning both innate and adaptive leukocytes that distinguish dysregulated host responses in severe SARS-CoV-2 infection and warrant therapeutic investigation.Broad immune perturbations in severe COVID-19.

Summary The 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 in healthy individuals following mRNA vaccination. Vaccination induced rapid near-maximal antigen-specific CD4 + T cell responses in all subjects after the first vaccine dose. CD8 + T cell responses developed gradually after the first and second dose and were variable. Vaccine-induced T cells had central memory characteristics and included both Tfh and Th1 subsets, similar to natural infection. Th1 and Tfh responses following the first dose predicted post-boost CD8 + T cell and neutralizing antibody levels, respectively. Integrated analysis of 26 antigen-specific T cell and humoral responses revealed coordinated features of the immune response to vaccination. Lastly, whereas booster vaccination improved CD4 + and CD8 + T cell responses in SARS-CoV-2 naïve subjects, the second vaccine dose had little effect on T cell responses in SARS-CoV-2 recovered individuals. Thus, longitudinal analysis revealed robust T cell responses to mRNA vaccination and highlighted early induction of antigen-specific CD4 + T cells. Graphical Abstract