Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a mild to moderate respiratory tract infection, however, a subset of patients progress to severe disease and respiratory failure. The mechanism of protective immunity in mild forms and the pathogenesis of severe COVID-19 associated with increased neutrophil counts and dysregulated immune responses remain unclear. In a dual-center, two-cohort study, we combined single-cell RNA-sequencing and single-cell proteomics of whole-blood and peripheral-blood mononuclear cells to determine changes in immune cell composition and activation in mild versus severe COVID-19 (242 samples from 109 individuals) over time. HLA-DRhiCD11chi inflammatory monocytes with an interferon-stimulated gene signature were elevated in mild COVID-19. Severe COVID-19 was marked by occurrence of neutrophil precursors, as evidence of emergency myelopoiesis, dysfunctional mature neutrophils, and HLA-DRlo monocytes. Our study provides detailed insights into the systemic immune response to SARS-CoV-2 infection and reveals profound alterations in the myeloid cell compartment associated with severe COVID-19.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the rapidly unfolding coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1,2. Clinical manifestations of COVID-19 vary, ranging from asymptomatic infection to respiratory failure. The mechanisms that determine such variable outcomes remain unresolved. Here we investigated CD4+ T cells that are reactive against the spike glycoprotein of SARS-CoV-2 in the peripheral blood of patients with COVID-19 and SARS-CoV-2-unexposed healthy donors. We detected spike-reactive CD4+ T cells not only in 83% of patients with COVID-19 but also in 35% of healthy donors. Spike-reactive CD4+ T cells in healthy donors were primarily active against C-terminal epitopes in the spike protein, which show a higher homology to spike glycoproteins of human endemic coronaviruses, compared with N-terminal epitopes. Spike-protein-reactive T cell lines generated from SARS-CoV-2-naive healthy donors responded similarly to the C-terminal region of the spike proteins of the human endemic coronaviruses 229E and OC43, as well as that of SARS-CoV-2. This results indicate that spike-protein cross-reactive T cells are present, which were probably generated during previous encounters with endemic coronaviruses. The effect of pre-existing SARS-CoV-2 cross-reactive T cells on clinical outcomes remains to be determined in larger cohorts. However, the presence of spike-protein cross-reactive T cells in a considerable fraction of the general population may affect the dynamics of the current pandemic, and has important implications for the design and analysis of upcoming trials investigating COVID-19 vaccines. A study of patients with COVID-19 and healthy donors found CD4+ T cells that react to the spike protein of SARS-CoV-2 and human endemic coronaviruses; however, the effect of pre-existing SARS-CoV-2 cross-reactive T cells on clinical outcomes remains to be determined.

To investigate the immune response and mechanisms associated with severe coronavirus disease 2019 (COVID-19), we performed single-cell RNA sequencing on nasopharyngeal and bronchial samples from 19 clinically well-characterized patients with moderate or critical disease and from five healthy controls. We identified airway epithelial cell types and states vulnerable to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection. In patients with COVID-19, epithelial cells showed an average three-fold increase in expression of the SARS-CoV-2 entry receptor ACE2, which correlated with interferon signals by immune cells. Compared to moderate cases, critical cases exhibited stronger interactions between epithelial and immune cells, as indicated by ligand–receptor expression profiles, and activated immune cells, including inflammatory macrophages expressing CCL2, CCL3, CCL20, CXCL1, CXCL3, CXCL10, IL8, IL1B and TNF. The transcriptional differences in critical cases compared to moderate cases likely contribute to clinical observations of heightened inflammatory tissue damage, lung injury and respiratory failure. Our data suggest that pharmacologic inhibition of the CCR1 and/or CCR5 pathways might suppress immune hyperactivation in critical COVID-19. Single-cell analysis of COVID-19 patient samples identifies activated immune pathways that correlate with severe disease.

The COVID-19 pandemic is an unprecedented global challenge, and point-of-care diagnostic classifiers are urgently required. Here, we present a platform for ultra-high-throughput serum and plasma proteomics that builds on ISO13485 standardization to facilitate simple implementation in regulated clinical laboratories. Our low-cost workflow handles up to 180 samples per day, enables high precision quantification, and reduces batch effects for large-scale and longitudinal studies. We use our platform on samples collected from a cohort of early hospitalized cases of the SARS-CoV-2 pandemic and identify 27 potential biomarkers that are differentially expressed depending on the WHO severity grade of COVID-19. They include complement factors, the coagulation system, inflammation modulators, and pro-inflammatory factors upstream and downstream of interleukin 6. All protocols and software for implementing our approach are freely available. In total, this work supports the development of routine proteomic assays to aid clinical decision making and generate hypotheses about potential COVID-19 therapeutic targets.

ABSTRACT The capsular polysaccharide of Streptococcus pneumoniae represents an important virulence factor and protects against phagocytosis. In this study the amount of capsular polysaccharide present on the bacterial surface during the infection process was illustrated by electron microscopic studies. After infection of A549 cells (type II pneumocytes) and HEp-2 epithelial cells a modified fixation method was used that allowed visualization of the state of capsule expression. This modified fixation procedure did not require the use of capsule-specific antibodies. Visualization of pneumococci in intimate contact and invading cells demonstrated that pneumococci were devoid of capsular polysaccharide. Pneumococci not in contact with the cells did not show alterations in capsular polysaccharide. After infection of the cells, invasive pneumococci of different strains and serotypes were recovered. Single colonies of these recovered pneumococci exhibited an up-to-10 5 -fold-enhanced capacity to adhere and an up-to-10 4 -fold-enhanced capacity to invade epithelial cells. Electron microscopic studies using a lysine-ruthenium red (LRR) fixation procedure or cryo-field emission scanning electron microscopy revealed a reduction in capsular material, as determined in detail for a serotype 3 pneumococcal strain. The amount of polysaccharide in the serotype 3 capsule was also determined after intranasal infection of mice. This study illustrates for the first time the phenotypic variation of the polysaccharide capsule in the initial phase of pneumococcal infections. The modified LRR fixation allowed monitoring of the state of capsule expression of pathogens during the infectious process.

COVID-19-induced "acute respiratory distress syndrome" (ARDS) is associated with prolonged respiratory failure and high mortality, but the mechanistic basis of lung injury remains incompletely understood. Here, we analyze pulmonary immune responses and lung pathology in two cohorts of patients with COVID-19 ARDS using functional single-cell genomics, immunohistology, and electron microscopy. We describe an accumulation of CD163-expressing monocyte-derived macrophages that acquired a profibrotic transcriptional phenotype during COVID-19 ARDS. Gene set enrichment and computational data integration revealed a significant similarity between COVID-19-associated macrophages and profibrotic macrophage populations identified in idiopathic pulmonary fibrosis. COVID-19 ARDS was associated with clinical, radiographic, histopathological, and ultrastructural hallmarks of pulmonary fibrosis. Exposure of human monocytes to SARS-CoV-2, but not influenza A virus or viral RNA analogs, was sufficient to induce a similar profibrotic phenotype in vitro. In conclusion, we demonstrate that SARS-CoV-2 triggers profibrotic macrophage responses and pronounced fibroproliferative ARDS.

The emergence of SARS-CoV-2 led to pandemic spread of coronavirus disease 2019 (COVID-19), manifesting with respiratory symptoms and multi-organ dysfunction. Detailed characterization of virus-neutralizing antibodies and target epitopes is needed to understand COVID-19 pathophysiology and guide immunization strategies. Among 598 human monoclonal antibodies (mAbs) from 10 COVID-19 patients, we identified 40 strongly neutralizing mAbs. The most potent mAb, CV07-209, neutralized authentic SARS-CoV-2 with an IC

The functional relevance of preexisting cross-immunity to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a subject of intense debate. Here, we show that human endemic coronavirus (HCoV)–reactive and SARS-CoV-2–cross-reactive CD4+ T cells are ubiquitous but decrease with age. We identified a universal immunodominant coronavirus-specific spike peptide (S816-830) and demonstrate that preexisting spike- and S816-830–reactive T cells were recruited into immune responses to SARS-CoV-2 infection and their frequency correlated with anti–SARS-CoV-2-S1-IgG antibodies. Spike–cross-reactive T cells were also activated after primary BNT162b2 COVID-19 messenger RNA vaccination and displayed kinetics similar to those of secondary immune responses. Our results highlight the functional contribution of preexisting spike–cross-reactive T cells in SARS-CoV-2 infection and vaccination. Cross-reactive immunity may account for the unexpectedly rapid induction of immunity after primary SARS-CoV-2 immunization and the high rate of asymptomatic or mild COVID-19 disease courses.

Detailed knowledge of the molecular biology of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is crucial for understanding of viral replication, host responses, and disease progression. Here, we report gene expression profiles of three SARS-CoV- and SARS-CoV-2-infected human cell lines. SARS-CoV-2 elicited an approximately two-fold higher stimulation of the innate immune response compared to SARS-CoV in the human epithelial cell line Calu-3, including induction of miRNA-155. Single-cell RNA sequencing of infected cells showed that genes induced by virus infections were broadly upregulated, whereas interferon beta/lambda genes, a pro-inflammatory cytokines such as IL-6, were expressed only in small subsets of infected cells. Temporal analysis suggested that transcriptional activities of interferon regulatory factors precede those of nuclear factor κB. Lastly, we identified heat shock protein 90 (HSP90) as a protein relevant for the infection. Inhibition of the HSP90 activity resulted in a reduction of viral replication and pro-inflammatory cytokine expression in primary human airway epithelial cells.

Scientists worldwide struggle to identify suitable animal models to study SARS-CoV-2 infections. Interspecies-related differences, such as host specificity, divergent immune responses, or the unavailability of species-specific reagents hamper the research. Human-based models, such as micro-engineered multi-organs-on-chip, may hold the solution.