Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a novel, viral-induced respiratory disease that in ∼10-15% of patients progresses to acute respiratory distress syndrome (ARDS) triggered by a cytokine storm. In this Perspective, autopsy results and literature are presented supporting the hypothesis that a little known yet powerful function of neutrophils-the ability to form neutrophil extracellular traps (NETs)-may contribute to organ damage and mortality in COVID-19. We show lung infiltration of neutrophils in an autopsy specimen from a patient who succumbed to COVID-19. We discuss prior reports linking aberrant NET formation to pulmonary diseases, thrombosis, mucous secretions in the airways, and cytokine production. If our hypothesis is correct, targeting NETs directly and/or indirectly with existing drugs may reduce the clinical severity of COVID-19.

There is emerging evidence that platelets are major contributors to inflammatory processes through intimate associations with innate immune cells. Here, we report that activated platelets induce the formation of neutrophil extracellular traps (NETs) in transfusion-related acute lung injury (TRALI), which is the leading cause of death after transfusion therapy. NETs are composed of decondensed chromatin decorated with granular proteins that function to trap extracellular pathogens; their formation requires the activation of neutrophils and release of their DNA in a process that may or may not result in neutrophil death. In a mouse model of TRALI that is neutrophil and platelet dependent, NETs appeared in the lung microvasculature and NET components increased in the plasma. We detected NETs in the lungs and plasma of human TRALI and in the plasma of patients with acute lung injury. In the experimental TRALI model, targeting platelet activation with either aspirin or a glycoprotein IIb/IIIa inhibitor decreased NET formation and lung injury. We then directly targeted NET components with a histone blocking antibody and DNase1, both of which protected mice from TRALI. These data suggest that NETs contribute to lung endothelial injury and that targeting NET formation may be a promising new direction for the treatment of acute lung injury.

Direct imaging of the lung microcirculation in mice indicates that it is a major site of mature platelet production from megakaryocytes. Platelets, which are essential for generating clots to stop bleeding, are produced to a large extent in the bone marrow, but indirect evidence points to a pulmonary contribution to their genesis. Emma Lefrançais et al. imaged microcirculation in the lungs of mice and report that the lung serves as a reservoir for haematopoietic progenitors and platelet-releasing megakaryocytes that can be recruited to compensate for bone marrow deficiencies. They estimate that the lung is responsible for around 50% of total platelet production in mice, a finding that positions it as an organ of notable haematopoietic potential. Platelets are critical for haemostasis, thrombosis, and inflammatory responses1,2, but the events that lead to mature platelet production remain incompletely understood3. The bone marrow has been proposed to be a major site of platelet production, although there is indirect evidence that the lungs might also contribute to platelet biogenesis4,5,6,7. Here, by directly imaging the lung microcirculation in mice8, we show that a large number of megakaryocytes circulate through the lungs, where they dynamically release platelets. Megakaryocytes that release platelets in the lungs originate from extrapulmonary sites such as the bone marrow; we observed large megakaryocytes migrating out of the bone marrow space. The contribution of the lungs to platelet biogenesis is substantial, accounting for approximately 50% of total platelet production or 10 million platelets per hour. Furthermore, we identified populations of mature and immature megakaryocytes along with haematopoietic progenitors in the extravascular spaces of the lungs. Under conditions of thrombocytopenia and relative stem cell deficiency in the bone marrow9, these progenitors can migrate out of the lungs, repopulate the bone marrow, completely reconstitute blood platelet counts, and contribute to multiple haematopoietic lineages. These results identify the lungs as a primary site of terminal platelet production and an organ with considerable haematopoietic potential.

Broadly, tissue regeneration is achieved in two ways: by proliferation of common differentiated cells and/or by deployment of specialized stem/progenitor cells. Which of these pathways applies is both organ- and injury-specific. Current models in the lung posit that epithelial repair can be attributed to cells expressing mature lineage markers. By contrast, here we define the regenerative role of previously uncharacterized, rare lineage-negative epithelial stem/progenitor (LNEP) cells present within normal distal lung. Quiescent LNEPs activate a ΔNp63 (a p63 splice variant) and cytokeratin 5 remodelling program after influenza or bleomycin injury in mice. Activated cells proliferate and migrate widely to occupy heavily injured areas depleted of mature lineages, at which point they differentiate towards mature epithelium. Lineage tracing revealed scant contribution of pre-existing mature epithelial cells in such repair, whereas orthotopic transplantation of LNEPs, isolated by a definitive surface profile identified through single-cell sequencing, directly demonstrated the proliferative capacity and multipotency of this population. LNEPs require Notch signalling to activate the ΔNp63 and cytokeratin 5 program, and subsequent Notch blockade promotes an alveolar cell fate. Persistent Notch signalling after injury led to parenchymal 'micro-honeycombing' (alveolar cysts), indicative of failed regeneration. Lungs from patients with fibrosis show analogous honeycomb cysts with evidence of hyperactive Notch signalling. Our findings indicate that distinct stem/progenitor cell pools repopulate injured tissue depending on the extent of the injury, and the outcomes of regeneration or fibrosis may depend in part on the dynamics of LNEP Notch signalling.

Abstract Transfusion-related acute lung injury (TRALI) is the leading cause of transfusion-related mortality. To determine TRALI incidence by prospective, active surveillance and to identify risk factors by a case-control study, 2 academic medical centers enrolled 89 cases and 164 transfused controls. Recipient risk factors identified by multivariate analysis were higher IL-8 levels, liver surgery, chronic alcohol abuse, shock, higher peak airway pressure while being mechanically ventilated, current smoking, and positive fluid balance. Transfusion risk factors were receipt of plasma or whole blood from female donors (odds ratio = 4.5, 95% confidence interval [CI], 1.85-11.2, P = .001), volume of HLA class II antibody with normalized background ratio more than 27.5 (OR = 1.92/100 mL, 95% CI, 1.08-3.4, P = .03), and volume of anti–human neutrophil antigen positive by granulocyte immunofluoresence test (OR = 1.71/100 mL, 95% CI, 1.18-2.5, P = .004). Little or no risk was associated with older red blood cell units, noncognate or weak cognate class II antibody, or class I antibody. Reduced transfusion of plasma from female donors was concurrent with reduced TRALI incidence: 2.57 (95% CI, 1.72-3.86) in 2006 versus 0.81 (95% CI, 0.44-1.49) in 2009 per 10 000 transfused units (P = .002). The identified risk factors provide potential targets for reducing residual TRALI.

Transfusion-related acute lung injury (TRALI) is the leading cause of transfusion-associated mortality in the US. Previously, we established an immune-mediated TRALI mouse model, wherein mice with cognate antigen were challenged with MHC class I mAb. In this study, when mice housed in a rodent, specific pathogen–free barrier room were challenged with MHC I mAb, there was significant protection from TRALI compared with nonbarrier mice. Priming mice with LPS restored lung injury with mAb challenge. Using TLR4-deficient bone marrow chimeras, the priming phenotype was restricted to animals with WT hematopoietic cells, and depletion of either neutrophils or platelets was protective. Both neutrophils and platelets were sequestered in the lungs of mice with TRALI, and retention of platelets was neutrophil dependent. Interestingly, treatment with aspirin prevented lung injury and mortality, but blocking the P selectin or CD11b/CD18 pathways did not. These data suggest a 2-step mechanism of TRALI: priming of hematopoietic cells, followed by vascular deposition of activated neutrophils and platelets that then mediate the severe lung injury. Furthermore, our data offer an explanation for the increased incidence of TRALI in patients with immune priming conditions, and we suggest what we believe to be a novel therapeutic approach.

Tracing the fate of circulating tumour cells by intravital two-photon lung imaging shows that tumours produce microparticles as they arrive and these migrate along the lung vasculature and are mostly taken up by interstitial myeloid cells, in a process that contributes to metastatic seeding; a minor subset of microparticles is engulfed by conventional dendritic cells, which are thought to contribute to the initiation of an anti-tumour immune response in lung-draining lymph nodes. The interaction between a tumour and the patient's immune system during the first minutes and hours of lung metastasis is a critical point in the evolution of a cancer. This study traces the fate of circulating tumour cells by intravital imaging and shows that tumour-derived microparticles migrate along the lung vasculature. Most are taken up by interstitial myeloid cells, a process which contributes to metastatic seeding. A minor subset of particles is engulfed by conventional dendritic cells and thought to contribute to the initiation of an anti-tumour immune response in draining lymph nodes. Lung metastasis is the lethal determinant in many cancers1,2 and a number of lines of evidence point to monocytes and macrophages having key roles in its development3,4,5. Yet little is known about the immediate fate of incoming tumour cells as they colonize this tissue, and even less known about how they make first contact with the immune system. Primary tumours liberate circulating tumour cells (CTCs) into the blood and we have developed a stable intravital two-photon lung imaging model in mice6 for direct observation of the arrival of CTCs and subsequent host interaction. Here we show dynamic generation of tumour microparticles in shear flow in the capillaries within minutes of CTC entry. Rather than dispersing under flow, many of these microparticles remain attached to the lung vasculature or independently migrate along the inner walls of vessels. Using fluorescent lineage reporters and flow cytometry, we observed ‘waves’ of distinct myeloid cell subsets that load differentially and sequentially with this CTC-derived material. Many of these tumour-ingesting myeloid cells collectively accumulated in the lung interstitium along with the successful metastatic cells and, as previously understood, promote the development of successful metastases from surviving tumour cells3. Although the numbers of these cells rise globally in the lung with metastatic exposure and ingesting myeloid cells undergo phenotypic changes associated with microparticle ingestion, a consistently sparse population of resident conventional dendritic cells, among the last cells to interact with CTCs, confer anti-metastatic protection. This work reveals that CTC fragmentation generates immune-interacting intermediates, and defines a competitive relationship between phagocyte populations for tumour loading during metastatic cell seeding.

Neutrophils dominate the early immune response in pathogen-induced acute lung injury, but efforts to harness their responses have not led to therapeutic advancements. Neutrophil extracellular traps (NETs) have been proposed as an innate defense mechanism responsible for pathogen clearance, but there are concerns that NETs may induce collateral damage to host tissues. Here, we detected NETs in abundance in mouse models of severe bacterial pneumonia/acute lung injury and in human subjects with acute respiratory distress syndrome (ARDS) from pneumonia or sepsis. Decreasing NETs reduced lung injury and improved survival after DNase I treatment or with partial protein arginine deiminase 4 deficiency (PAD4+/–). Complete PAD4 deficiency (PAD4–/–) reduced NETs and lung injury but was counterbalanced by increased bacterial load and inflammation. Importantly, we discovered that the lipoxin pathway could be a potent modulator of NET formation, and that mice deficient in the lipoxin receptor (Fpr2–/–) produced excess NETs leading to increased lung injury and mortality. Lastly, we observed in humans that increased plasma NETs were associated with ARDS severity and mortality, and lower plasma DNase I levels were associated with the development of sepsis-induced ARDS. We conclude that a critical balance of NETs is necessary to prevent lung injury and to maintain microbial control, which has important therapeutic implications.

Fast, two-photon intravital imaging of a mechanically stabilized and physiologically intact preparation of the mouse lung is reported. It is used to monitor immune cells in the lung under normal and injured conditions. Real-time imaging of cellular and subcellular dynamics in vascularized organs requires image resolution and image registration to be simultaneously optimized without perturbing normal physiology. This problem is particularly pronounced in the lung, in which cells may transit at speeds >1 mm s−1 and in which normal respiration results in large-scale tissue movements that prevent image registration. Here we report video-rate, two-photon imaging of a physiologically intact preparation of the mouse lung that is stabilizing and nondisruptive. Using our method, we obtained evidence for differential trapping of T cells and neutrophils in mouse pulmonary capillaries, and observed neutrophil mobilization and dynamic vascular leak in response to stretch and inflammatory models of lung injury in mice. The system permits physiological measurement of motility rates of >1 mm s−1, observation of detailed cellular morphology and could be applied in the future to other organs and tissues while maintaining intact physiology.

While SARS-CoV-2 infection has pleiotropic and systemic effects in some patients, many others experience milder symptoms. We sought a holistic understanding of the severe/mild distinction in COVID-19 pathology, and its origins. We performed a whole-blood preserving single-cell analysis protocol to integrate contributions from all major cell types including neutrophils, monocytes, platelets, lymphocytes and the contents of serum. Patients with mild COVID-19 disease display a coordinated pattern of interferon-stimulated gene (ISG) expression across every cell population and these cells are systemically absent in patients with severe disease. Severe COVID-19 patients also paradoxically produce very high anti-SARS-CoV-2 antibody titers and have lower viral load as compared to mild disease. Examination of the serum from severe patients demonstrates that they uniquely produce antibodies with multiple patterns of specificity against interferon-stimulated cells and that those antibodies functionally block the production of the mild disease-associated ISG-expressing cells. Overzealous and auto-directed antibody responses pit the immune system against itself in many COVID-19 patients and this defines targets for immunotherapies to allow immune systems to provide viral defense.In severe COVID-19 patients, the immune system fails to generate cells that define mild disease; antibodies in their serum actively prevents the successful production of those cells.