Background The disease burden due to meningitis in low and middle-income countries remains significant and failure to determine an etiology impedes appropriate treatment for patients and evidence-based policy decisions for populations. Broad-range pathogen surveillance using metagenomic next-generation sequencing (mNGS) of RNA isolated from cerebral spinal fluid (CSF) provides an unbiased assessment for possible infectious etiologies. In this study, our objective was to use mNGS to identify etiologies of pediatric meningitis in Bangladesh. Methods We conducted a retrospective case-control mNGS study on CSF from patients with known neurologic infections (n=36), idiopathic meningitis (n=25), without infection (n=30) and six environmental samples collected between 2012-2018. Using an open-access, cloud-based bioinformatics pipeline (IDseq) and machine learning, we identified potential pathogens which were confirmed through qPCR and Sanger sequencing. These cases were followed-up through phone/home-visits. The CSF samples were collected from children with WHO-defined meningeal signs during prospective meningitis surveillance at the largest pediatric referral hospital in Bangladesh. Results The 91 participants (42% female) ranged in age from 0-160 months (median: 9 months). In samples with known infectious causes of meningitis and without infections (n=66), there was 83% concordance between mNGS and conventional testing. In idiopathic cases (n=25), mNGS identified a potential etiology in 40% (n=10), including bacterial and viral pathogens. There were three instances of neuroinvasive Chikungunya virus (CHIKV). The CHIKV genomes were >99% identical to each other and to a Bangladeshi strain only previously recognized to cause systemic illness in 2017. CHIKV qPCR of all remaining stored CSF samples from children who presented with idiopathic meningitis in 2017 at the same hospital (n=472) revealed 17 additional CHIKV meningitis cases. Orthogonal molecular confirmation of each mNGS-identified infection, case-based clinical data, and follow-up of patients substantiated the key findings. Conclusions Using mNGS, we obtained a microbiological diagnosis for 40% of idiopathic meningitis cases and identified a previous unappreciated pediatric CHIKV meningitis outbreak. Case-control CSF mNGS surveys can complement conventional diagnostic methods to identify etiologies of meningitis and facilitate informed policy decisions.

Background Since 2014, the United States has experienced a biennial spike in pediatric acute flaccid myelitis (AFM). Epidemiologic evidence suggests non-polio enteroviruses (EVs) are a potential etiology, yet EV RNA is rarely detected in cerebrospinal fluid (CSF) and only inconsistently identified from the respiratory tract, serum, or stool.Methods We interrogated CSF from children with AFM (n=42) and pediatric controls with other neurologic diseases (OND) (n=58). Samples were incubated with T7 bacteriophage expressing 481,966 sixty-two amino acid peptides with a fourteen amino acid overlap tiled across all known vertebrate virus and arbovirus genomes, an adaption of the VirScan method. Antibody-bound phage were deep sequenced to quantify enriched peptides with normalized counts expressed as reads per hundred thousand (rpK). EV antibody findings were confirmed with ELISA using whole viral protein 1 (VP1) from contemporary enterovirus (EV) A71 and D68 strains. Separately, metagenomic next-generation sequencing (mNGS) of CSF RNA, both unbiased and with targeted enrichment for EVs, was performed.Results The most significantly enriched viral family by VirScan of CSF in AFM versus OND controls was Picornaviridae (mean rpK 11,266 versus mean rpK 950, p-adjusted < 0.001, Wilcoxon signed-rank test with Bonferroni adjustment). Enriched Picornaviridae peptides belonged almost entirely to the genus Enterovirus. The mean EV VP1 ELISA signal in AFM (mean OD 0.51) was significantly higher than OND controls (mean OD 0.08, p-value < 0.001, Mann-Whitney test). mNGS did not detect additional enterovirus RNA in CSF.Conclusion Despite the rare detection of EV RNA in the CNS of patients with AFM, a pan-viral serologic assay identified high levels of CSF EV antibodies in AFM CSF compared to CSF from OND controls. These results provide further evidence for a causal role of non-polio enteroviruses in AFM.

B-cells are key contributors to chronic autoimmune pathology in multiple sclerosis (MS). Clonally related B-cells exist in the cerebrospinal fluid (CSF), meninges, and central nervous system (CNS) parenchyma of MS patients. Longitudinally stable CSF oligoclonal band (OCB) antibody patterns suggest some local CNS B-cell persistence; however, the longitudinal B-cell dynamics within and between the CSF and blood remain unknown. We sought to address this by performing immunoglobulin heavy chain variable region repertoire sequencing on B-cells from longitudinally collected blood and CSF samples of MS patients (n=10). All patients were untreated at the time of the initial sampling; the majority (n=7) were treated with immune modulating therapies 1.2 (+/-0.3 SD) years later during the second sampling. We found clonal persistence of B-cells in the CSF of five patients; these B-cells were frequently immunoglobulin (Ig) class-switched and CD27+. We identified specific blood B-cell subsets that appear to provide input into CNS repertoires over time. We demonstrate complex patterns of clonal B-cell persistence in CSF and blood, even in patients on high-efficacy immune modulating therapy. Our findings support the concept that peripheral B-cell activation and CNS-compartmentalized immune mechanisms are in part therapy-resistant.

In 2016, Catalonia experienced a pediatric brainstem encephalitis outbreak caused by enterovirus A71 (EV-A71). Conventional testing identified EV in peripheral body sites, but EV was rarely identified in cerebrospinal fluid (CSF). RNA was extracted from CSF (n=20), plasma (n=9), stool (n=15) and nasopharyngeal samples (n=16) from 10 children with brainstem encephalitis or encephalomyelitis and 10 contemporaneous pediatric controls with presumed viral meningitis or encephalitis. Unbiased complementary DNA libraries were sequenced, and microbial pathogens were identified using a custom bioinformatics pipeline. Full-length virus genomes were assembled for phylogenetic analyses. Metagenomic next-generation sequencing (mNGS) was concordant with qRT-PCR for all samples positive by PCR (n=25). In virus-negative samples (n=35), mNGS detected virus in 28.6% (n=10), including 5 CSF samples. mNGS co-detected EV-A71 and another EV in 5 patients. Overall, mNGS increased the proportion of EV-positive samples from 42% (25/60) to 57% (34/60) (McNemar's test; p-value = 0.0077). For CSF, mNGS doubled the number of pathogen-positive samples (McNemar's test; p-value = 0.074). Using phylogenetic analysis, the outbreak EV-A71 clustered with a neuroinvasive German EV-A71 isolate. Brainstem encephalitis specific, non-synonymous EV-A71 single nucleotide variants were not identified. mNGS demonstrated 100% concordance with clinical qRT-PCR of EV-related brainstem encephalitis and significantly increased the detection of enteroviruses. Our findings increase the probability that neurologic complications observed were virus-induced rather than para-infectious. A comprehensive genomic analysis confirmed that the EV-A71 outbreak strain was closely related to a neuroinvasive German EV-A71 isolate. There were no clear-cut viral genomic differences that discriminated between patients with differing neurologic phenotypes.

ABSTRACT Autoimmunity is characterized by loss of tolerance to tissue-specific as well as systemic antigens, resulting in complex autoantibody landscapes. Here, we introduce and extensively validate the performance characteristics of a murine proteome-wide library for phage display immunoprecipitation and sequencing (PhIP-seq), to profile mouse autoantibodies. This system and library were validated using seven genetic mouse models across a spectrum of autoreactivity. Mice deficient in antibody production ( Rag2 -/- and μMT) were used to model non-specific peptide enrichments, while cross-reactivity was evaluated using anti-ovalbumin B cell receptor (BCR)-restricted OB1 mice as a proof of principle. The PhIP-seq approach was then utilized to interrogate three distinct autoimmune disease models. First, serum from Lyn -/- IgD +/- mice with lupus-like disease was used to identify nuclear and apoptotic bleb reactivities, lending support to the hypothesis that apoptosis is a shared origin of these antigens. Second, serum from non-obese diabetic (NOD) mice, a polygenic model of pancreas-specific autoimmunity, enriched peptides derived from both insulin and predicted pancreatic proteins. Lastly, Aire -/- mouse sera were used to identify numerous auto-antigens, many of which were also observed in previous studies of humans with autoimmune polyendocrinopathy syndrome type 1 (APS1) carrying recessive mutations in AIRE. Among these were peptides derived from Perilipin-1, a validated autoimmune biomarker of generalized acquired lipodystrophy in humans. Autoreactivity to Perilipin-1 correlated with lymphocyte infiltration in adipose tissue and underscores the approach in revealing previously unknown specificities. These experiments support the use of murine proteome-wide PhIP-seq for antigenic profiling and autoantibody discovery, which may be employed to study a range of immune perturbations in mouse models of autoimmunity.

Background: Febrile illness is a major burden in African children, and non-malarial causes of fever are uncertain. We built and employed IDseq, a cloud-based, open access, bioinformatics platform and service to identify microbes from metagenomic next-generation sequencing of tissue samples. In this pilot study, we evaluated blood, nasopharyngeal, and stool specimens from 94 children (aged 2-54 months) with febrile illness admitted to Tororo District Hospital, Uganda. Results: The most common pathogens identified were Plasmodium falciparum (51.1% of samples) and parvovirus B19 (4.4%) from blood; human rhinoviruses A and C (40%), respiratory syncytial virus (10%), and human herpesvirus 5 (10%) from nasopharyngeal swabs; and rotavirus A (50% of those with diarrhea) from stool. Among other potential pathogens, we identified one novel orthobunyavirus, tentatively named Nyangole virus, from the blood of a child diagnosed with malaria and pneumonia, and Bwamba orthobunyavirus in the nasopharynx of a child with rash and sepsis. We also identified two novel human rhinovirus C species. Conclusions: This exploratory pilot study demonstrates the utility of mNGS and the IDseq platform for defining the molecular landscape of febrile infectious diseases in resource limited areas. These methods, supported by a robust data analysis and sharing platform, offer a new tool for the surveillance, diagnosis, and ultimately treatment and prevention of infectious diseases.

CD8+ T cells are the dominant lymphocyte population in multiple sclerosis (MS) lesions where they are highly clonally expanded. The clonal identity, function, and antigen specificity of CD8+ T cells in MS are not well understood. Here we report a comprehensive single-cell RNA-seq and T cell receptor (TCR)-seq analysis of the cerebrospinal fluid (CSF) and blood from a cohort of untreated MS patients and control participants. A small subset of highly expanded and activated CSF-enriched CD8+ T cells that were abundant in people with MS and displayed high cytotoxicity and tissue-homing transcriptional profiles. Using a combination of unbiased and targeted antigen discovery approaches, several MS-derived CD8+ T cell clonotypes recognizing Epstein-Barr virus (EBV) antigens and novel mimotopes were identified. These findings shed insight into the functions of CD8+ T cells in MS and may serve as potential disease biomarkers and therapeutic targets.