The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is the most common form of pancreatic cancer, a disease with dismal overall survival. Advances in treatment are hindered by a lack of preclinical models. Here, we show how a personalized organotypic "avatar" created from resected tissue allows spatial and temporal reporting on a complete in situ tumor microenvironment and mirrors clinical responses. Our perfusion culture method extends tumor slice viability, maintaining stable tumor content, metabolism, stromal composition, and immune cell populations for 12 days. Using multiplexed immunofluorescence and spatial transcriptomics, we identify immune neighborhoods and potential for immunotherapy. We used avatars to assess the impact of a preclinically validated metabolic therapy and show recovery of stromal and immune phenotypes and tumor redifferentiation. To determine clinical relevance, we monitored avatar response to gemcitabine treatment and identify a patient avatar-predictable response from clinical follow-up. Thus, avatars provide valuable information for syngeneic testing of therapeutics and a truly personalized therapeutic assessment platform for patients.

The SARS-CoV-2 pandemic has caused over 1 million deaths globally, mostly due to acute lung injury and acute respiratory distress syndrome, or direct complications resulting in multiple-organ failures. Little is known about the host tissue immune and cellular responses associated with COVID-19 infection, symptoms, and lethality. To address this, we collected tissues from 11 organs during the clinical autopsy of 17 individuals who succumbed to COVID-19, resulting in a tissue bank of approximately 420 specimens. We generated comprehensive cellular maps capturing COVID-19 biology related to patients' demise through single-cell and single-nucleus RNA-Seq of lung, kidney, liver and heart tissues, and further contextualized our findings through spatial RNA profiling of distinct lung regions. We developed a computational framework that incorporates removal of ambient RNA and automated cell type annotation to facilitate comparison with other healthy and diseased tissue atlases. In the lung, we uncovered significantly altered transcriptional programs within the epithelial, immune, and stromal compartments and cell intrinsic changes in multiple cell types relative to lung tissue from healthy controls. We observed evidence of: alveolar type 2 (AT2) differentiation replacing depleted alveolar type 1 (AT1) lung epithelial cells, as previously seen in fibrosis; a concomitant increase in myofibroblasts reflective of defective tissue repair; and, putative TP63 + intrapulmonary basal-like progenitor (IPBLP) cells, similar to cells identified in H1N1 influenza, that may serve as an emergency cellular reserve for severely damaged alveoli. Together, these findings suggest the activation and failure of multiple avenues for regeneration of the epithelium in these terminal lungs. SARS-CoV-2 RNA reads were enriched in lung mononuclear phagocytic cells and endothelial cells, and these cells expressed distinct host response transcriptional programs. We corroborated the compositional and transcriptional changes in lung tissue through spatial analysis of RNA profiles in situ and distinguished unique tissue host responses between regions with and without viral RNA, and in COVID-19 donor tissues relative to healthy lung. Finally, we analyzed genetic regions implicated in COVID-19 GWAS with transcriptomic data to implicate specific cell types and genes associated with disease severity. Overall, our COVID-19 cell atlas is a foundational dataset to better understand the biological impact of SARS-CoV-2 infection across the human body and empowers the identification of new therapeutic interventions and prevention strategies.

Abstract The SARS-CoV-2 (COVID-19) virus has caused a devastating global pandemic of respiratory illness. To understand viral pathogenesis, methods are available for studying dissociated cells in blood, nasal samples, bronchoalveolar lavage fluid, and similar, but a robust platform for deep tissue characterisation of molecular and cellular responses to virus infection in the lungs is still lacking. We developed an innovative spatial multi-omics platform to investigate COVID-19-infected lung tissues. Five tissue-profiling technologies were combined by a novel computational mapping methodology to comprehensively characterise and compare the transcriptome and targeted proteome of virus infected and uninfected tissues. By integrating spatial transcriptomics data (Visium, GeoMx and RNAScope) and proteomics data (CODEX and PhenoImager HT) at different cellular resolutions across lung tissues, we found strong evidence for macrophage infiltration and defined the broader microenvironment surrounding these cells. By comparing infected and uninfected samples, we found an increase in cytokine signalling and interferon responses at different sites in the lung and showed spatial heterogeneity in the expression level of these pathways. These data demonstrate that integrative spatial multi-omics platforms can be broadly applied to gain a deeper understanding of viral effects on cellular environments at the site of infection and to increase our understanding of the impact of SARS-CoV-2 on the lungs.

Abstract In recent years, pregnant people infected with the SARS-CoV-2 virus have shown a higher incidence of “preeclampsia-like syndrome”. Preeclampsia is a systematic syndrome that affects 5-8 % of pregnant people worldwide and is the leading cause of maternal mortality and morbidity. It is unclear what causes preeclampsia, and is characterised by placental dysfunction, leading to poor placental perfusion, maternal hypertension, proteinuria, thrombocytopenia, or neurological disturbances. In this study, we used whole-transcriptome, digital spatial profiling of placental tissues to analyse the expression of genes at the cellular level between placentae from pregnant participants who contracted SARS-CoV-2 in the third trimester of their pregnancy and those prior to the start of the pandemic. Our focused analysis of the trophoblast and villous core stromal cell populations revealed tissue-specific pathways enriched in the SARS-CoV-2 placentae that align with a pre-eclampsia signature. Most notably, we found enrichment of pathways involved in vascular tension, blood pressure, inflammation, and oxidative stress. This study illustrates how spatially resolved transcriptomic analysis of placental tissue can aid in understanding the underlying pathogenic mechanisms of SARS-CoV-2 in pregnancy that are thought to induce “preeclampsia-like syndrome”. Moreover, our study highlights the benefits of using digital spatial profiling to map the crosstalk between trophoblast and villous core stromal cells linked to pathways involved in “preeclampsia-like syndrome” presenting in pregnant people with SARS-CoV-2.

Abstract Stroke is ranked as the fifth leading cause of death and the leading cause of adult disability. The progression of neuronal damage after stroke is recognized to be a complex integration of glia, neurons, and the surrounding extracellular matrix, therefore potential treatments must target the detrimental effects created by these interactions. In this study, we examined the spatial cellular and neuroinflammatory mechanisms occurring early after ischemic stroke utilizing Nanostring Digital Spatial Profiling (DSP) technology. Male C57bl/6 mice were subjected to photothrombotic middle cerebral artery occlusion (MCAO) and sacrificed at three-days post-ischemia. Spatial distinction of the ipsilateral hemisphere was studied according to the regions of interest: the ischemic core, peri-infarct tissues, and peri-infarct normal tissue (PiNT) in comparison to the contralateral hemisphere. We demonstrated that the ipsilateral hemisphere initiates distinct spatial regulatory proteomic profiles with DSP technology that can be identified consistently with the immunohistochemical markers, FJB, GFAP, and Iba-1. The core border profile demonstrated an induction of neuronal death, apoptosis, autophagy, immunoreactivity, and early degenerative proteins. Most notably, the core border resulted in a decrease of the neuronal proteins Map2 and NeuN, an increase in the autophagy proteins BAG3 and CTSD, an increase in the microglial and peripheral immune invasion proteins Iba1, CD45, CD11b, and CD39, and an increase in the neurodegenerative proteins BACE1, APP, αβ 1-42, ApoE, and hyperphosphorylated tau protein S-199. The peri-infarct region demonstrated increased astrocytic immunoreactivity, apoptotic, and neurodegenerative proteomic profile, with an increase in BAG3, GFAP, and hyperphosphorylated tau protein S-199. The PiNT region displayed minimal changes compared to the contralateral cortex with only an increase in GFAP. Overall, our data highlight the importance of identifying ischemic mechanisms in a spatial manner to understand the complex, dynamic interactions throughout ischemic progression and repair as well to introduce potential targets for successful therapeutic interventions.