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

A single, low-dose intradermal immunization with lipid-nanoparticle-encapsulated nucleoside-modified mRNA encoding the pre-membrane and envelope glycoproteins of Zika virus protects both mice and rhesus macaques against infection and elicits rapid and long-lasting neutralizing antibody responses. Public health efforts to combat Zika virus disease are hampered by lack of a safe and efficient vaccine. Drew Weissman and colleagues report the development of a candidate vaccine that is based on chemically stabilized messenger RNA (mRNA) that encodes the premembrane and envelope glycoproteins of the Zika virus. This mRNA is packaged into lipid nanoparticles that can be delivered intradermally. A single dose of the vaccine gave mice and rhesus macaques long-term immunity to the Zika virus. These findings pave the way for the development of candidate vaccines that could protect humans against Zika virus disease. Zika virus (ZIKV) has recently emerged as a pandemic associated with severe neuropathology in newborns and adults1. There are no ZIKV-specific treatments or preventatives. Therefore, the development of a safe and effective vaccine is a high priority. Messenger RNA (mRNA) has emerged as a versatile and highly effective platform to deliver vaccine antigens and therapeutic proteins2,3. Here we demonstrate that a single low-dose intradermal immunization with lipid-nanoparticle-encapsulated nucleoside-modified mRNA (mRNA–LNP) encoding the pre-membrane and envelope glycoproteins of a strain from the ZIKV outbreak in 2013 elicited potent and durable neutralizing antibody responses in mice and non-human primates. Immunization with 30 μg of nucleoside-modified ZIKV mRNA–LNP protected mice against ZIKV challenges at 2 weeks or 5 months after vaccination, and a single dose of 50 μg was sufficient to protect non-human primates against a challenge at 5 weeks after vaccination. These data demonstrate that nucleoside-modified mRNA–LNP elicits rapid and durable protective immunity and therefore represents a new and promising vaccine candidate for the global fight against ZIKV.

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.

Significance The majority of influenza vaccine antigens are prepared in chicken eggs. Human vaccine strains grown in eggs often possess adaptive mutations that increase viral attachment to chicken cells. Most of these adaptive mutations are in the hemagglutinin protein, which functions as a viral attachment factor. Here, we identify a hemagglutinin mutation in the current egg-adapted H3N2 vaccine strain that alters antigenicity. We show that ferrets and humans exposed to the current egg-adapted H3N2 vaccine strain produce antibodies that poorly neutralize H3N2 viruses that circulated during the 2016–2017 influenza season. These studies highlight the challenges associated with producing influenza vaccine antigens in eggs, while offering a potential explanation of why there was only moderate vaccine effectiveness during the 2016–2017 influenza season.

Rapid antigenic evolution in the influenza A virus hemagglutinin precludes effective vaccination with existing vaccines. To understand this phenomenon, we passaged virus in mice immunized with influenza vaccine. Neutralizing antibodies selected mutants with single-amino acid hemagglutinin substitutions that increased virus binding to cell surface glycan receptors. Passaging these high-avidity binding mutants in naïve mice, but not immune mice, selected for additional hemagglutinin substitutions that decreased cellular receptor binding avidity. Analyzing a panel of monoclonal antibody hemagglutinin escape mutants revealed a positive correlation between receptor binding avidity and escape from polyclonal antibodies. We propose that in response to variation in neutralizing antibody pressure between individuals, influenza A virus evolves by adjusting receptor binding avidity via amino acid substitutions throughout the hemagglutinin globular domain, many of which simultaneously alter antigenicity.

SARS-CoV-2 messenger RNA vaccination in healthy individuals generates immune protection against COVID-19. However, little is known about SARS-CoV-2 mRNA vaccine-induced responses in immunosuppressed patients. We investigated induction of antigen-specific antibody, B cell and T cell responses longitudinally in patients with multiple sclerosis (MS) on anti-CD20 antibody monotherapy (n = 20) compared with healthy controls (n = 10) after BNT162b2 or mRNA-1273 mRNA vaccination. Treatment with anti-CD20 monoclonal antibody (aCD20) significantly reduced spike-specific and receptor-binding domain (RBD)-specific antibody and memory B cell responses in most patients, an effect ameliorated with longer duration from last aCD20 treatment and extent of B cell reconstitution. By contrast, all patients with MS treated with aCD20 generated antigen-specific CD4 and CD8 T cell responses after vaccination. Treatment with aCD20 skewed responses, compromising circulating follicular helper T (TFH) cell responses and augmenting CD8 T cell induction, while preserving type 1 helper T (TH1) cell priming. Patients with MS treated with aCD20 lacking anti-RBD IgG had the most severe defect in circulating TFH responses and more robust CD8 T cell responses. These data define the nature of the SARS-CoV-2 vaccine-induced immune landscape in aCD20-treated patients and provide insights into coordinated mRNA vaccine-induced immune responses in humans. Our findings have implications for clinical decision-making and public health policy for immunosuppressed patients including those treated with aCD20.

T follicular helper (Tfh) cells are required to develop germinal center (GC) responses and drive immunoglobulin class switch, affinity maturation, and long-term B cell memory. In this study, we characterize a recently developed vaccine platform, nucleoside-modified, purified mRNA encapsulated in lipid nanoparticles (mRNA-LNPs), that induces high levels of Tfh and GC B cells. Intradermal vaccination with nucleoside-modified mRNA-LNPs encoding various viral surface antigens elicited polyfunctional, antigen-specific, CD4+ T cell responses and potent neutralizing antibody responses in mice and nonhuman primates. Importantly, the strong antigen-specific Tfh cell response and high numbers of GC B cells and plasma cells were associated with long-lived and high-affinity neutralizing antibodies and durable protection. Comparative studies demonstrated that nucleoside-modified mRNA-LNP vaccines outperformed adjuvanted protein and inactivated virus vaccines and pathogen infection. The incorporation of noninflammatory, modified nucleosides in the mRNA is required for the production of large amounts of antigen and for robust immune responses.

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.