Diet profoundly influences physiology. Whereas over-nutrition elevates risk for disease via its influence on immunity and metabolism, caloric restriction and fasting appear to be salutogenic. Despite multiple correlations observed between diet and health, the underlying biology remains unclear. Here, we identified a fasting-induced switch in leukocyte migration that prolongs monocyte lifespan and alters susceptibility to disease in mice. We show that fasting during the active phase induced the rapid return of monocytes from the blood to the bone marrow. Monocyte re-entry was orchestrated by hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis-dependent release of corticosterone, which augmented the CXCR4 chemokine receptor. Although the marrow is a safe haven for monocytes during nutrient scarcity, re-feeding prompted mobilization culminating in monocytosis of chronologically older and transcriptionally distinct monocytes. These shifts altered response to infection. Our study shows that diet-in particular, a diet's temporal dynamic balance-modulates monocyte lifespan with consequences for adaptation to external stressors.

Though it has been 2 years since the start of the Coronavirus Disease 19 (COVID-19) pandemic, COVID-19 continues to be a worldwide health crisis. Despite the development of preventive vaccines, very little progress has been made to identify curative therapies to treat COVID-19 and other inflammatory diseases which remain a major unmet need in medicine. Our study sought to identify drivers of disease severity and death to develop tailored immunotherapy strategies to halt disease progression. Here we assembled the Mount Sinai COVID-19 Biobank which was comprised of ~600 hospitalized patients followed longitudinally during the peak of the pandemic. Moderate disease and survival were associated with a stronger antigen (Ag) presentation and effector T cell signature, while severe disease and death were associated with an altered Ag presentation signature, increased numbers of circulating inflammatory, immature myeloid cells, and extrafollicular activated B cells associated with autoantibody formation. Strikingly, we found that in severe COVID-19 patients, lung tissue resident alveolar macrophages (AM) were not only severely depleted, but also had an altered Ag presentation signature, and were replaced by inflammatory monocytes and monocyte-derived macrophages (MoMΦ). Notably, the size of the AM pool correlated with recovery or death, while AM loss and functionality were restored in patients that recovered. These data therefore suggest that local and systemic myeloid cell dysregulation is a driver of COVID-19 severity and that modulation of AM numbers and functionality in the lung may be a viable therapeutic strategy for the treatment of critical lung inflammatory illnesses.

Abstract High throughput single cell transcriptomics (scRNA-seq) has been successfully applied to characterize immune cell heterogeneity across a diverse range of settings; however, analysis of human granulocytes remains a significant challenge due to their low gene expression transcript detection. Consequently, granulocytes are typically either absent or highly under-represented and inaccurately enumerated in most human scRNA-seq datasets. Here, we apply multi-modal CITE-seq profiling to characterize granulocytes in human whole blood and bone marrow, and we show that these populations can be accurately detected and analyzed using the antibody-based modality, and that their frequencies and phenotype align well with antibody-based characterization of the same samples using CyTOF. These analyses also clearly highlight extremely low gene transcript detection across the entire granulocyte lineage including the earliest neutrophil progenitor populations when using the 10X Genomics platform. By contrast, when performing parallel analyses of the same samples using the BD Rhapsody platform, we recovered a much higher proportion of granulocyte gene transcripts, enabling true multi-modal characterization of human granulocyte heterogeneity.

Ulcerative colitis (UC) is an idiopathic chronic inflammatory disease of the colon with sharply rising global prevalence. Dysfunctional epithelial compartment (EC) dynamics are implicated in UC pathogenesis although EC-specific studies are sparse. Applying orthogonal high-dimensional EC profiling to a Primary Cohort (PC; n=222), we detail major epithelial and immune cell perturbations in active UC. Prominently, reduced frequencies of mature BEST4+OTOP2+ absorptive and BEST2+WFDC2+ secretory epithelial enterocytes were associated with the replacement of homeostatic, resident TRDC+KLRD1+HOPX+ γδ+ T cells with RORA+CCL20+S100A4+ TH17 cells and the influx of inflammatory myeloid cells. The EC transcriptome (exemplified by S100A8, HIF1A, TREM1, CXCR1) correlated with clinical, endoscopic, and histological severity of UC in an independent validation cohort (n=649). Furthermore, therapeutic relevance of the observed cellular and transcriptomic changes was investigated in 3 additional published UC cohorts (n=23, 48 and 204 respectively) to reveal that non-response to anti-Tumor Necrosis Factor (anti-TNF) therapy was associated with EC related myeloid cell perturbations. Altogether, these data provide high resolution mapping of the EC to facilitate therapeutic decision-making and personalization of therapy in patients with UC.

ABSTRACT Here, we leveraged a large neoadjuvant PD-1 blockade trial in patients with hepatocellular carcinoma (HCC) to search for correlates of response to immune checkpoint blockade (ICB) within T cell-rich tumors. We show that ICB response correlated with the clonal expansion of intratumoral CXCL13 + CH25H + IL-21 + PD-1 + CD4 T helper cells (CXCL13 + Th) and Granzyme K + PD-1 + effector-like CD8 T cells, whereas terminally exhausted CD39 hi TOX hi PD-1 hi CD8 T cells dominated in non-responders. Strikingly, most T cell receptor (TCR) clones that expanded post-treatment were found in pre-treatment biopsies. Notably, PD-1 + TCF-1 + progenitor-like CD8 T cells were present in tumors of responders and non-responders and shared clones mainly with effector-like cells in responders or terminally differentiated cells in non-responders, suggesting that local CD8 T cell differentiation occurs upon ICB. We found that these progenitor CD8 T cells interact with CXCL13 + Th cells within cellular triads around dendritic cells enriched in maturation and regulatory molecules, or “mregDC”. Receptor-ligand analysis revealed unique interactions within these triads that may promote the differentiation of progenitor CD8 T cells into effector-like cells upon ICB. These results suggest that discrete intratumoral niches that include mregDC and CXCL13 + Th cells control the differentiation of tumor-specific progenitor CD8 T cell clones in patients treated with ICB.

Multiple Myeloma (MM) remains incurable despite advances in treatment options. Although tumor subtypes and specific DNA abnormalities are linked to worse prognosis, the impact of immune dysfunction on disease emergence and/or treatment sensitivity remains unclear. We established a harmonized consortium to generate an Immune Atlas of MM aimed at informing disease etiology, risk stratification, and potential therapeutic strategies. We generated a transcriptome profile of 1,149,344 single cells from the bone marrow of 263 newly diagnosed patients enrolled in the CoMMpass study and characterized immune and hematopoietic cell populations. Associating cell abundances and gene expression with disease progression revealed the presence of a proinflammatory immune senescence-associated secretory phenotype in rapidly progressing patients. Furthermore, signaling analyses suggested active intercellular communication involving APRIL-BCMA, potentially promoting tumor growth and survival. Finally, we demonstrate that integrating immune cell levels with genetic information can significantly improve patient stratification.

Gastrointestinal (GI) B cells and plasma cells (PCs), critical to mucosal homeostasis, play an important role in the host response to HIV-1 infection. Here, high resolution mapping of human B cells and PCs from colon and ileum during both viremic and suppressed HIV-1 infection identified a significant reduction in germinal center (GC) B cells and Follicular Dendritic Cells (FDCs) during HIV-1 viremia. Further, IgA+ PCs, the major cellular output of intestinal GCs were significantly reduced during viremic HIV-1 infection. PC-associated transcriptional perturbations, including type I interferon signaling persisted in antiretroviral therapy (ART) treated individuals, suggesting ongoing disruption of the intestinal immune milieu during ART. GI humoral immune perturbations associated with changes in intestinal microbiome composition and systemic inflammation. Herein, we highlight a key immune defect in the GI mucosa due to HIV-1 viremia, with major implications.