Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Despite the epidemics of chronic obstructive pulmonary disease (COPD), the cellular and molecular mechanisms of this disease are far from being understood. Here, we characterize and classify the cellular composition within the alveolar space and peripheral blood of COPD patients and control donors using a clinically applicable single-cell RNA-seq technology corroborated by advanced computational approaches for: machine learning-based cell-type classification, identification of differentially expressed genes, prediction of metabolic changes, and modeling of cellular trajectories within a patient cohort. These high-resolution approaches revealed: massive transcriptional plasticity of macrophages in the alveolar space with increased levels of invading and proliferating cells, loss of MHC expression, reduced cellular motility, altered lipid metabolism, and a metabolic shift reminiscent of mitochondrial dysfunction in COPD patients. Collectively, single-cell omics of multi-tissue samples was used to build the first cellular and molecular framework for COPD pathophysiology as a prerequisite to develop molecular biomarkers and causal therapies against this deadly disease.

Abstract Lung transplantation (LTx) is the only definite treatment option of patients suffering from end- stage lung disease. Long-term outcome is hampered by chronic allograft dysfunction resulting from poorly defined immune mechanisms. In this study of 97 lung recipients, we demonstrate dynamic changes of T, B and NK cell subsets early after lung transplantation with a selective decrease in memory CD4 + and CD8 + T cells accompanied by a relative increase in NK cells. Simultaneously, donor-derived T and NK cells were detected in recipient blood (n=44) immediately after LTx, persisting for three weeks. Donor T and NK cells displayed a CD69 + but CD103 - CD49a - CD25 - phenotype, which was shared by T and NK cells in lung perfusion solutions. In order to uncover the origin of these donor T and NK cells, the immune compartment of human lung explant tissue, i.e. trachea and parenchyma, was analyzed and it revealed three major subsets: classical circulating CD69 - CD103 - CD49a - T and NK cells, CD69 + CD103 + CD49a + tissue-resident memory (TRM) T and NK cells and CD69 + CD103 - CD49a - TRM-like T and NK cells. Single-cell RNA sequencing confirmed the presence of TRM-like subsets with unique features, which reflected the phenotypes of donor T and NK cells and created a transient chimerism in recipient blood. Higher frequencies of donor T cells within the first three weeks showed a tendency for protection from chronic lung allograft dysfunction (CLAD) two years after transplantation although the correlation analyses did not reach statistical significance. To the best of our knowledge, we show for the first time that a transient chimerism is established within the first weeks after lung transplantation by donor TRM- like T and NK cells, which may contribute to protection from chronic lung allograft dysfunction (CLAD) development. Single Sentence Summary Donor TRM-like T and NK cells cause a transient chimerism in lung recipients and potentially contribute to protection from CLAD .