COVID-19-associated morbidity and mortality have been attributed to a pathologic host response. Two divergent hypotheses have been proposed: hyperinflammatory cytokine storm; and failure of host protective immunity that results in unrestrained viral dissemination and organ injury. A key explanation for the inability to address this controversy has been the lack of diagnostic tools to evaluate immune function in COVID-19 infections. ELISpot, a highly sensitive, functional immunoassay, was employed in 27 patients with COVID-19, 51 patients with sepsis, 18 critically ill nonseptic (CINS) patients, and 27 healthy control volunteers to evaluate adaptive and innate immune status by quantitating T cell IFN-ɣ and monocyte TFN-α production. Circulating T cell subsets were profoundly reduced in COVID-19 patients. Additionally, stimulated blood mononuclear cells produced less than 40%-50% of the IFN-ɣ and TNF-α observed in septic and CINS patients, consistent with markedly impaired immune effector cell function. Approximately 25% of COVID-19 patients had increased IL-6 levels that were not associated with elevations in other canonical proinflammatory cytokines. Collectively, these findings support the hypothesis that COVID-19 suppresses host functional adaptive and innate immunity. Importantly, IL-7 administered ex vivo restored T cell IFN-ɣ production in COVID-19 patients. Thus, ELISpot may functionally characterize host immunity in COVID-19 and inform prospective therapies.

The inability to evaluate host immunity in a rapid quantitative manner in patients with sepsis has severely hampered development of novel immune therapies. The ELISpot assay is a functional bioassay that measures the number of cytokine-secreting cells and the relative amount of cytokine produced at the single-cell level. A key advantage of ELISpot is its excellent dynamic range enabling a more precise quantifiable assessment of host immunity. Herein, we tested the hypothesis on whether the ELISpot assay can detect dynamic changes in both innate and adaptive immunity as they often occur during sepsis. We also tested whether ELISpot could detect the effect of immune drug therapies to modulate innate and adaptive immunity.Mice were made septic using sublethal cecal ligation and puncture (CLP). Blood and spleens were harvested serially and ex vivo IFN-γ and TNF-α production were compared by ELISpot and ELISA. The capability of ELISpot to detect changes in innate and adaptive immunity due to in vivo immune therapy with dexamethasone, IL-7, and arginine was also evaluated.ELISpot confirmed a decreased innate and adaptive immunity responsiveness during sepsis progression. More importantly, ELISpot was also able to detect changes in adaptive and innate immunity in response to immune-modulatory reagents, for example dexamethasone, arginine, and IL-7 in a readily quantifiable manner, as predicted by the reagents known mechanisms of action. ELISpot and ELISA results tended to parallel one another although some differences were noted.ELISpot offers a unique capability to assess the functional status of both adaptive and innate immunity over time. The results presented herein demonstrate that ELISpot can also be used to detect and follow the in vivo effects of drugs to ameliorate sepsis-induced immune dysfunction. This capability would be a major advance in guiding new immune therapies in sepsis.

ABSTRACT Background Sepsis remains a leading cause of death worldwide with no proven immunomodulatory therapies. Stratifying Patient Immune Endotypes in Sepsis (‘SPIES’) is a prospective, multicenter observational study testing the utility of ELISpot as a functional bioassay specifically measuring cytokine-producing cells after stimulation to identify the immunosuppressed endotype, predict clinical outcomes in septic patients, and test potential immune stimulants for clinical development. Most ELISpot protocols call for the isolation of PBMC prior to their inclusion in the assay. In contrast, we developed a diluted whole blood (DWB) ELISpot protocol that has been validated across multiple laboratories. Methods Heparinized whole blood was collected from healthy donors and septic patients and tested under different stimulation conditions to evaluate the impact of blood dilution, stimulant concentration, blood storage, and length of stimulation on ex vivo IFNγ and TNFα production as measured by ELISpot. Results We demonstrate a dynamic range of whole blood dilutions that give a robust ex vivo cytokine response to stimuli. Additionally, a wide range of stimulant concentrations can be utilized to induce cytokine production. Further modifications demonstrate anticoagulated whole blood can be stored up to 24 hours at room temperature without losing significant functionality. Finally, we show ex vivo stimulation can be as brief as 4 hours allowing for a substantial decrease in processing time. Conclusions The data demonstrate the feasibility of using ELISpot to measure the functional capacity of cells within DWB under a variety of stimulation conditions to inform clinicians on the extent of immune dysregulation in septic patients.