The relationship of SARS-CoV-2 pulmonary infection and severity of disease is not fully understood. Here we show analysis of autopsy specimens from 24 patients who succumbed to SARS-CoV-2 infection using a combination of different RNA and protein analytical platforms to characterize inter-patient and intra-patient heterogeneity of pulmonary virus infection. There is a spectrum of high and low virus cases associated with duration of disease. High viral cases have high activation of interferon pathway genes and a predominant M1-like macrophage infiltrate. Low viral cases are more heterogeneous likely reflecting inherent patient differences in the evolution of host response, but there is consistent indication of pulmonary epithelial cell recovery based on napsin A immunohistochemistry and RNA expression of surfactant and mucin genes. Using a digital spatial profiling platform, we find the virus corresponds to distinct spatial expression of interferon response genes demonstrating the intra-pulmonary heterogeneity of SARS-CoV-2 infection.

Abstract Mycobacterium tuberculosis lung infection results in a complex multicellular structure, the granuloma. In some granulomas, immune activity promotes bacterial clearance; in others, bacteria persist and grow. We identified correlates of bacterial control in cynomolgus macaque lung granulomas by co-registering longitudinal PET-CT imaging, single-cell RNA-sequencing, and measures of bacterial clearance. We find that bacterial persistence occurs in granulomas enriched for mast, endothelial, fibroblast and plasma cells, signaling amongst themselves via Type II immunity and wound healing pathways. In contrast, these interactions are largely absent in granulomas that drive bacterial control, which are often those that form later in the course of infection; these restrictive lesions are characterized by cellular ecosystems enriched for Type1-Type17, stem-like, and cytotoxic T cells engaged in pro-inflammatory signaling networks that involve diverse myeloid and non-immune cell populations. There is also a temporal aspect to bacterial control, in that granulomas that arise later in infection (in the context of an established immune response) share the functional characteristics of restrictive granulomas and are more capable of killing Mtb. Taken together, our results define the complex multicellular ecosystems underlying (lack of) granuloma resolution and highlight host immune targets that can be leveraged to develop new vaccine and therapeutic strategies for TB. One-Sentence Summary Bacterial control in TB lung granulomas correlates with distinct cellular immune microenvironments and time of formation after infection.

Abstract Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has advanced our understanding of cell types and their heterogeneity within the human liver, but the spatial organization at single-cell resolution has not yet been described. Here we apply multiplexed error robust fluorescent in situ hybridization (MERFISH) to map the zonal distribution of hepatocytes, resolve subsets of macrophage and mesenchymal populations, and investigate the relationship between hepatocyte ploidy and gene expression within the healthy human liver. We next integrated spatial information from MERFISH with the more complete transcriptome produced by single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq), revealing zonally enriched receptor-ligand interactions. Finally, analysis of fibrotic liver samples identified two hepatocyte populations that are not restricted to zonal distribution and expand with injury. Together these spatial maps of the healthy and fibrotic liver provide a deeper understanding of the cellular and spatial remodeling that drives disease which, in turn, could provide new avenues for intervention and further study.

ABSTRACT The organization of immune cells in human tumors is not well understood. Immunogenic tumors harbor spatially-localized multicellular ‘immunity hubs’ defined by expression of the T cell-attracting chemokines CXCL10/CXCL11 and abundant T cells. Here, we examined immunity hubs in human pre-immunotherapy lung cancer specimens, and found that they were associated with beneficial responses to PD-1-blockade. Immunity hubs were enriched for many interferon-stimulated genes, T cells in multiple differentiation states, and CXCL9/10/11 + macrophages that preferentially interact with CD8 T cells. Critically, we discovered the stem-immunity hub, a subtype of immunity hub strongly associated with favorable PD-1-blockade outcomes, distinct from mature tertiary lymphoid structures, and enriched for stem-like TCF7+PD-1+ CD8 T cells and activated CCR7 + LAMP3 + dendritic cells, as well as chemokines that organize these cells. These results elucidate the spatial organization of the human intratumoral immune response and its relevance to patient immunotherapy outcomes.