Abstract Neutralizing antibodies (NAbs) can prevent and treat infections caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). However, continuously emerging variants, such as Omicron, have significantly reduced the potency of most known NAbs. The selection of NAbs with broad neutralizing activities and the identification of conserved critical epitopes are still urgently needed. Here, we identified an extremely potent antibody (55A8) by single B-cell sorting from convalescent SARS-CoV-2-infected patients that recognized the receptor-binding domain (RBD) in the SARS-CoV-2 spike (S) protein. 55A8 could bind to wild-type SARS-CoV-2, Omicron BA.1 and Omicron BA.2 simultaneously with 58G6, a NAb previously identified by our group. Importantly, an antibody cocktail containing 55A8 and 58G6 (2-cocktail) showed synergetic neutralizing activity with a half-maximal inhibitory concentration (IC 50 ) in the picomolar range in vitro and prophylactic efficacy in hamsters challenged with Omicron (BA.1) through intranasal delivery at an extraordinarily low dosage (25 μg of each antibody daily) at 3 days post-infection. Structural analysis by cryo-electron microscopy (cryo-EM) revealed that 55A8 is a Class III NAb that recognizes a highly conserved epitope. It could block angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) binding to the RBD in the S protein trimer via steric hindrance. The epitopes in the RBD recognized by 55A8 and 58G6 were found to be different and complementary, which could explain the synergetic mechanism of these two NAbs. Our findings not only provide a potential antibody cocktail for clinical use against infection with current SARS-CoV-2 strains and future variants but also identify critical epitope information for the development of better antiviral agents.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has caused more than 40,000 deaths worldwide. Approximately 14% of patients with COVID-19 experienced severe disease and 5% were critically ill. Studies have shown that dysregulation of the COVID-19 patients' immune system may lead to inflammatory storm and cause severe illness and even death. Tocilizumab treatment targeting interleukin 6 receptor has shown inspiring clinical results of severe COVID-19 patients. However, the immune network with Tocilizumab treatment at single cell resolution has not been uncovered. Here, we profiled the single-cell transcriptomes of 13,289 peripheral blood mononuclear cells isolated at three longitudinal stages from two severe COVID-19 patients treated with Tocilizumab. We identified a severe stage-specific monocyte subpopulation and these cells centric immune cell interaction network connected by the inflammatory cytokines and their receptors. The over-activated inflammatory immune response was attenuated after Tocilizumab treatment, yet immune cells including plasma B cells and CD8+ T cells still exhibited an intense humoral and cell-mediated anti-virus immune response in recovered COVID-19 patients. These results provided critical insights into the immunopathogenesis of severe COVID-19 and revealed fundamentals of effectiveness in Tocilizumab treatment.### Competing Interest Statement