Memory T cells induced by previous pathogens can shape susceptibility to, and the clinical severity of, subsequent infections1. Little is known about the presence in humans of pre-existing memory T cells that have the potential to recognize severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Here we studied T cell responses against the structural (nucleocapsid (N) protein) and non-structural (NSP7 and NSP13 of ORF1) regions of SARS-CoV-2 in individuals convalescing from coronavirus disease 2019 (COVID-19) (n = 36). In all of these individuals, we found CD4 and CD8 T cells that recognized multiple regions of the N protein. Next, we showed that patients (n = 23) who recovered from SARS (the disease associated with SARS-CoV infection) possess long-lasting memory T cells that are reactive to the N protein of SARS-CoV 17 years after the outbreak of SARS in 2003; these T cells displayed robust cross-reactivity to the N protein of SARS-CoV-2. We also detected SARS-CoV-2-specific T cells in individuals with no history of SARS, COVID-19 or contact with individuals who had SARS and/or COVID-19 (n = 37). SARS-CoV-2-specific T cells in uninfected donors exhibited a different pattern of immunodominance, and frequently targeted NSP7 and NSP13 as well as the N protein. Epitope characterization of NSP7-specific T cells showed the recognition of protein fragments that are conserved among animal betacoronaviruses but have low homology to 'common cold' human-associated coronaviruses. Thus, infection with betacoronaviruses induces multi-specific and long-lasting T cell immunity against the structural N protein. Understanding how pre-existing N- and ORF1-specific T cells that are present in the general population affect the susceptibility to and pathogenesis of SARS-CoV-2 infection is important for the management of the current COVID-19 pandemic. SARS-CoV-2-reactive T cells were found in individuals who had recovered from SARS or COVID-19 and in unexposed donors, although with different patterns of immunoreactivity.

Virus-specific humoral and cellular immunity act synergistically to protect the host from viral infection. We interrogate the dynamic changes of virological and immunological parameters in 12 patients with symptomatic acute SARS-CoV-2 infection from disease onset to convalescence or death. We quantify SARS-CoV-2 viral RNA in the respiratory tract in parallel with antibodies and circulating T cells specific for various structural (nucleoprotein [NP], membrane [M], ORF3a, and spike) and non-structural (ORF7/8, NSP7, and NSP13) proteins. Although rapid induction and quantity of humoral responses associate with an increase in disease severity, early induction of interferon (IFN)-γ-secreting SARS-CoV-2-specific T cells is present in patients with mild disease and accelerated viral clearance. These findings provide support for the prognostic value of early functional SARS-CoV-2-specific T cells with important implications in vaccine design and immune monitoring.

Severe acute respiratory syndrome (SARS) is a highly contagious infectious disease which first emerged in late 2002, caused by a then novel human coronavirus, SARS coronavirus (SARS-CoV). The virus is believed to have originated from bats and transmitted to human through intermediate animals such as civet cats. The re-emergence of SARS-CoV remains a valid concern due to the continual persistence of zoonotic SARS-CoVs and SARS-like CoVs (SL-CoVs) in bat reservoirs. In this study, the screening for the presence of SARS-specific T cells in a cohort of three SARS-recovered individuals at 9 and 11 years post-infection was carried out, and all memory T cell responses detected target the SARS-CoV structural proteins. Two CD8+ T cell responses targeting the SARS-CoV membrane (M) and nucleocapsid (N) proteins were characterized by determining their HLA restriction and minimal T cell epitope regions. Furthermore, these responses were found to persist up to 11 years post-infection. An absence of cross-reactivity of these CD8+ T cell responses against the newly-emerged Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) was also demonstrated. The knowledge of the persistence of SARS-specific celullar immunity targeting the viral structural proteins in SARS-recovered individuals is important in the design and development of SARS vaccines, which are currently unavailable.

Abstract Individuals with potential exposure to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) do not necessarily develop PCR or antibody positivity, suggesting that some individuals may clear subclinical infection before seroconversion. T cells can contribute to the rapid clearance of SARS-CoV-2 and other coronavirus infections 1–3 . Here we hypothesize that pre-existing memory T cell responses, with cross-protective potential against SARS-CoV-2 (refs. 4–11 ), would expand in vivo to support rapid viral control, aborting infection. We measured SARS-CoV-2-reactive T cells, including those against the early transcribed replication–transcription complex (RTC) 12,13 , in intensively monitored healthcare workers (HCWs) who tested repeatedly negative according to PCR, antibody binding and neutralization assays (seronegative HCWs (SN-HCWs)). SN-HCWs had stronger, more multispecific memory T cells compared with a cohort of unexposed individuals from before the pandemic (prepandemic cohort), and these cells were more frequently directed against the RTC than the structural-protein-dominated responses observed after detectable infection (matched concurrent cohort). SN-HCWs with the strongest RTC-specific T cells had an increase in IFI27 , a robust early innate signature of SARS-CoV-2 (ref. 14 ), suggesting abortive infection. RNA polymerase within RTC was the largest region of high sequence conservation across human seasonal coronaviruses (HCoV) and SARS-CoV-2 clades. RNA polymerase was preferentially targeted (among the regions tested) by T cells from prepandemic cohorts and SN-HCWs. RTC-epitope-specific T cells that cross-recognized HCoV variants were identified in SN-HCWs. Enriched pre-existing RNA-polymerase-specific T cells expanded in vivo to preferentially accumulate in the memory response after putative abortive compared to overt SARS-CoV-2 infection. Our data highlight RTC-specific T cells as targets for vaccines against endemic and emerging Coronaviridae .

Abstract Human mucosal-associated invariant T (MAIT) cells are a T cell population characterized by the expression of a semi-invariant TCR capable of recognizing bacterial products in the context of MR1. MAIT cells are enriched in the human liver, which is constantly exposed to bacterial products from the intestine. Whether this specific parenchymal localization influences their function remains unknown. We analyzed MAIT cells resident in the vascular bed of livers and showed that they represented the majority of T cells expressing NK markers and the dominant IL-17A+ T cell subset in the human liver sinusoids. In comparison with MAIT cells purified from peripheral blood, intrasinusoidal MAIT cells expressed markers of T cell activation; however, TCR-mediated cytokine production was equally suppressed in both circulating and intrasinusoidal MAIT cells. MAIT cells also expressed high levels of IL-7R, and we showed that IL-7, a cytokine produced by hepatocytes during inflammation, regulated TCR-mediated activation of MAIT cells, licensing them to dramatically increase Th1 cytokines and IL-17A production. Our quantitative and functional data indicate that MAIT cells are a specialized cell population highly adapted to exert their immune functions in the vascular network of the liver.

The efficacy of virus-specific T cells in clearing pathogens involves a fine balance between antiviral and inflammatory features. SARS-CoV-2–specific T cells in individuals who clear SARS-CoV-2 without symptoms could reveal nonpathological yet protective characteristics. We longitudinally studied SARS-CoV-2–specific T cells in a cohort of asymptomatic (n = 85) and symptomatic (n = 75) COVID-19 patients after seroconversion. We quantified T cells reactive to structural proteins (M, NP, and Spike) using ELISpot and cytokine secretion in whole blood. Frequencies of SARS-CoV-2–specific T cells were similar between asymptomatic and symptomatic individuals, but the former showed an increased IFN-γ and IL-2 production. This was associated with a proportional secretion of IL-10 and proinflammatory cytokines (IL-6, TNF-α, and IL-1β) only in asymptomatic infection, while a disproportionate secretion of inflammatory cytokines was triggered by SARS-CoV-2–specific T cell activation in symptomatic individuals. Thus, asymptomatic SARS-CoV-2–infected individuals are not characterized by weak antiviral immunity; on the contrary, they mount a highly functional virus-specific cellular immune response.

The inflammatory response to SARS-coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection is thought to underpin COVID-19 pathogenesis. We conducted daily transcriptomic profiling of three COVID-19 cases and found that the early immune response in COVID-19 patients is highly dynamic. Patient throat swabs were tested daily for SARS-CoV-2, with the virus persisting for 3 to 4 weeks in all three patients. Cytokine analyses of whole blood revealed increased cytokine expression in the single most severe case. However, most inflammatory gene expression peaked after respiratory function nadir, except expression in the IL1 pathway. Parallel analyses of CD4 and CD8 expression suggested that the pro-inflammatory response may be intertwined with T cell activation that could exacerbate disease or prolong the infection. Collectively, these findings hint at the possibility that IL1 and related pro-inflammatory pathways may be prognostic and serve as therapeutic targets for COVID-19. This work may also guide future studies to illuminate COVID-19 pathogenesis and develop host-directed therapies.

Background & AimsChronic hepatitis B (CHB) infection acquired perinatally or in early childhood has been associated with a prolonged phase of immune tolerance from viral exposure into early adulthood. The immune-tolerant phase of the disease is characterized by high levels of hepatitis B virus (HBV) DNA and normal liver biochemistry, with minimal or no fibrosis. We investigated whether the age of patients with CHB affects their antiviral immunity and whether children and young adults have a veritable state of immunologic tolerance.MethodsWe isolated T cells from different age groups of patients with CHB and used flow cytometric methods to measure production of effector and inflammatory cytokines (interferon, tumor necrosis factor, interleukin [IL]-17A, IL-22, and IL-8), T-helper (Th)2 cytokines (IL-10, IL-4), Th1 cytokines (IL-2 and IL-21), and the CC chemokine CCL3 (MIP-1). We also measured markers of T-cell exhaustion or inhibition (PD-1, LAG-3, TIM3, LAIR-1, and CTLA-4) and HBV-specific T cells.ResultsYoung patients with CHB have a Th1-cell cytokine profile and a partial profile of T-cell exhaustion. Direct quantification of the HBV-specific T-cell response showed that young patients with CHB have more HBV-specific T cells with the ability to proliferate and produce cytokines than adult patients with CHB.ConclusionsHBV infection in younger patients is not associated with an immune profile of T-cell tolerance. On the contrary, children and young adults with chronic HBV infection have an HBV-specific immune profile that is less compromised than that observed in older patients. Chronic hepatitis B (CHB) infection acquired perinatally or in early childhood has been associated with a prolonged phase of immune tolerance from viral exposure into early adulthood. The immune-tolerant phase of the disease is characterized by high levels of hepatitis B virus (HBV) DNA and normal liver biochemistry, with minimal or no fibrosis. We investigated whether the age of patients with CHB affects their antiviral immunity and whether children and young adults have a veritable state of immunologic tolerance. We isolated T cells from different age groups of patients with CHB and used flow cytometric methods to measure production of effector and inflammatory cytokines (interferon, tumor necrosis factor, interleukin [IL]-17A, IL-22, and IL-8), T-helper (Th)2 cytokines (IL-10, IL-4), Th1 cytokines (IL-2 and IL-21), and the CC chemokine CCL3 (MIP-1). We also measured markers of T-cell exhaustion or inhibition (PD-1, LAG-3, TIM3, LAIR-1, and CTLA-4) and HBV-specific T cells. Young patients with CHB have a Th1-cell cytokine profile and a partial profile of T-cell exhaustion. Direct quantification of the HBV-specific T-cell response showed that young patients with CHB have more HBV-specific T cells with the ability to proliferate and produce cytokines than adult patients with CHB. HBV infection in younger patients is not associated with an immune profile of T-cell tolerance. On the contrary, children and young adults with chronic HBV infection have an HBV-specific immune profile that is less compromised than that observed in older patients.

Summary Virus-specific humoral and cellular immunity act synergistically to protect the host from viral infection. We interrogated the dynamic changes of virological and immunological parameters in 12 patients with symptomatic acute SARS-CoV-2 infection from disease onset to convalescence or death. We quantified SARS-CoV-2 viral RNA in the respiratory tract in parallel with antibodies and circulating T cells specific for various structural (NP, M, ORF3a and spike) and non-structural proteins (ORF7/8, NSP7 and NSP13). We observed that while rapid induction and quantity of humoral responses were associated with increased disease severity, an early induction of SARS-CoV-2 specific T cells was present in patients with mild disease and accelerated viral clearance. These findings provide further support for a protective role of SARS-CoV-2 specific T cells over antibodies during SARS-CoV-2 infection with important implications in vaccine design and immune-monitoring.

Abstract Background Antibodies and T cells cooperate to control virus infections. The definition of the correlates of protection necessary to manage the COVID-19 pandemic, require both immune parameters but the complexity of traditional tests limits virus-specific T cell measurements. Methods We test the sensitivity and performance of a simple and rapid SARS-CoV-2 Spike-specific T cell test based on stimulation of whole blood with peptides covering the SARS-CoV-2 Spike protein followed by cytokine (IFN-γ, IL-2) measurement in different cohorts including BNT162b2 vaccinated (n=112; 201 samples), convalescent asymptomatic (n=62; 62 samples) and symptomatic (n=68; 115 samples) COVID-19 patients and SARS-CoV-1 convalescent individuals (n=12; 12 samples). Results The sensitivity of the rapid cytokine whole blood test equates traditional methods of T cell analysis (ELISPOT, Activation Induced Markers). Utilizing this test we observed that Spike-specific T cells in vaccinated preferentially target the S2 region of Spike and that their mean magnitude is similar between them and SARS-CoV-2 convalescents at 3 months after vaccine or virus priming respectively. However, a wide heterogeneity of Spike-specific T cell magnitude characterizes the individual responses irrespective of the time of analysis. No correlation between neutralizing antibody levels and Spike-specific T cell magnitude were found. Conclusions Rapid measurement of cytokine production in whole blood after peptide activation revealed a wide dynamic range of Spike-specific T cell response after vaccination that cannot be predicted from neutralizing antibody quantities. Both Spike-specific humoral and cellular immunity should be tested after vaccination to define the correlates of protection necessary to evaluate current vaccine strategies.