We present an integrated analysis of the clinical measurements, immune cells, and plasma multi-omics of 139 COVID-19 patients representing all levels of disease severity, from serial blood draws collected during the first week of infection following diagnosis. We identify a major shift between mild and moderate disease, at which point elevated inflammatory signaling is accompanied by the loss of specific classes of metabolites and metabolic processes. Within this stressed plasma environment at moderate disease, multiple unusual immune cell phenotypes emerge and amplify with increasing disease severity. We condensed over 120,000 immune features into a single axis to capture how different immune cell classes coordinate in response to SARS-CoV-2. This immune-response axis independently aligns with the major plasma composition changes, with clinical metrics of blood clotting, and with the sharp transition between mild and moderate disease. This study suggests that moderate disease may provide the most effective setting for therapeutic intervention.

How potently CAR T cells with CD28 or 4-1BB costimulatory domains stimulate intracellular signaling correlates with treatment efficacy.

Relapse after allogeneic hematopoietic cell transplantation (HCT) is the leading cause of death in patients with acute myeloid leukemia (AML) entering HCT with poor-risk features1–3. When HCT does produce prolonged relapse-free survival, it commonly reflects graft-versus-leukemia effects mediated by donor T cells reactive with antigens on leukemic cells4. As graft T cells have not been selected for leukemia specificity and frequently recognize proteins expressed by many normal host tissues, graft-versus-leukemia effects are often accompanied by morbidity and mortality from graft-versus-host disease5. Thus, AML relapse risk might be more effectively reduced with T cells expressing receptors (TCRs) that target selected AML antigens6. We therefore isolated a high-affinity Wilms’ Tumor Antigen 1-specific TCR (TCRC4) from HLA-A2+ normal donor repertoires, inserted TCRC4 into Epstein–Bar virus-specific donor CD8+ T cells (TTCR-C4) to minimize graft-versus-host disease risk and enhance transferred T cell survival7,8, and infused these cells prophylactically post-HCT into 12 patients ( NCT01640301 ). Relapse-free survival was 100% at a median of 44 months following infusion, while a concurrent comparative group of 88 patients with similar risk AML had 54% relapse-free survival (P = 0.002). TTCR-C4 maintained TCRC4 expression, persisted long-term and were polyfunctional. This strategy appears promising for preventing AML recurrence in individuals at increased risk of post-HCT relapse. Donor-derived, EBV-specific CD8+ T cells engineered to express a high-affinity WT1-specific TCR established persistent T cell responses that safely prevented post-HCT relapse in patients with high-risk AML.

Abstract Understanding mechanisms of late/acquired cancer immunotherapy resistance is critical to improve outcomes; cellular immunotherapy trials offer a means to probe complex tumor–immune interfaces through defined T cell/antigen interactions. We treated two patients with metastatic Merkel cell carcinoma with autologous Merkel cell polyomavirus specific CD8+ T cells and immune-checkpoint inhibitors. In both cases, dramatic remissions were associated with dense infiltration of activated CD8+s into the regressing tumors. However, late relapses developed at 22 and 18 months, respectively. Here we report single cell RNA sequencing identified dynamic transcriptional suppression of the specific HLA genes presenting the targeted viral epitope in the resistant tumor as a consequence of intense CD8-mediated immunologic pressure; this is distinguished from genetic HLA-loss by its reversibility with drugs. Transcriptional suppression of Class I loci may underlie resistance to other immunotherapies, including checkpoint inhibitors, and have implications for the design of improved immunotherapy treatments.

Chimeric antigen receptor (CAR)-modified T cell therapy is effective in treating lymphomas, leukemias, and multiple myeloma in which the tumor cells express high amounts of target antigen. However, achieving durable remission for these hematological malignancies and extending CAR T cell therapy to patients with solid tumors will require receptors that can recognize and eliminate tumor cells with a low density of target antigen. Although CARs were designed to mimic T cell receptor (TCR) signaling, TCRs are at least 100-fold more sensitive to antigen. To design a CAR with improved antigen sensitivity, we directly compared TCR and CAR signaling in primary human T cells. Global phosphoproteomic analysis revealed that key T cell signaling proteins-such as CD3δ, CD3ε, and CD3γ, which comprise a portion of the T cell co-receptor, as well as the TCR adaptor protein LAT-were either not phosphorylated or were only weakly phosphorylated by CAR stimulation. Modifying a commonplace 4-1BB/CD3ζ CAR sequence to better engage CD3ε and LAT using embedded CD3ε or GRB2 domains resulted in enhanced T cell activation in vitro in settings of a low density of antigen, and improved efficacy in in vivo models of lymphoma, leukemia, and breast cancer. These CARs represent examples of alterations in receptor design that were guided by in-depth interrogation of T cell signaling.

Host immune responses play central roles in controlling SARS-CoV2 infection, yet remain incompletely characterized and understood. Here, we present a comprehensive immune response map spanning 454 proteins and 847 metabolites in plasma integrated with single-cell multi-omic assays of PBMCs in which whole transcriptome, 192 surface proteins, and T and B cell receptor sequence were co-analyzed within the context of clinical measures from 50 COVID19 patient samples. Our study reveals novel cellular subpopulations, such as proliferative exhausted CD8 + and CD4 + T cells, and cytotoxic CD4 + T cells, that may be features of severe COVID-19 infection. We condensed over 1 million immune features into a single immune response axis that independently aligns with many clinical features and is also strongly associated with disease severity. Our study represents an important resource towards understanding the heterogeneous immune responses of COVID-19 patients and may provide key information for informing therapeutic development.

Abstract A recent clinical trial demonstrated that Bacille Calmette-Guérin (BCG) revaccination of adolescents reduced the risk of sustained infection with Mycobacterium tuberculosis ( M.tb ). In a companion phase 1b trial, HVTN 602/Aeras A-042, we characterize in-depth the cellular responses to BCG revaccination or to a H4:IC31 vaccine boost to identify T cell subsets that could be responsible for the protection observed. High-dimensional clustering analysis of cells profiled using a 26-color flow cytometric panel show marked increases in five effector memory CD4 + T cell subpopulations (T EM ) after BCG revaccination, two of which are highly polyfunctional. CITE-Seq single-cell analysis shows that the activated subsets include an abundant cluster of Th1 cells with migratory potential. Additionally, a small cluster of Th17 T EM cells induced by BCG revaccination expresses high levels of CD103; these may represent recirculating tissue-resident memory cells that could provide pulmonary immune protection. Together, these results identify unique populations of CD4 + T cells with potential to be immune correlates of protection conferred by BCG revaccination.

A bstract Despite recent therapeutic progress, advanced melanoma remains lethal for many patients. The composition of the immune tumor microenvironment (TME) has decisive impacts on therapy response and disease outcome. High dimensional analyses of patient samples can reveal the composition and heterogeneity of the immune TME. In particular, macrophages are known for their cancer-supportive role, but the underlying mechanisms are incompletely understood, and experimental in vivo systems are needed to test the functional properties of these cells. We characterized a humanized mouse model, reconstituted with a human immune system and a human melanoma, in which: (1) human macrophages support metastatic spread of the tumor; and (2) tumor-infiltrating macrophages have a specific transcriptional signature that faithfully represents the transcriptome of macrophages from patient melanoma samples and is associated with shorter survival. This model complements patient sample analyses, enabling the elucidation of fundamental principles in melanoma biology, and the development and evaluation of candidate therapies.

Abstract Mechanisms by which HIV causes susceptibility to respiratory pathogens remain incompletely understood. We obtained whole blood and bronchoalveolar lavage (BAL) from people with latent TB infection in the presence or absence of antiretroviral-naïve HIV co-infection. Transcriptomic and flow cytometric analyses demonstrated HIV-associated cell proliferation plus type I interferon activity in blood and effector memory CD8 T-cells in BAL. Both compartments displayed reduced induction of CD8 T-cell-derived IL-17A in people with HIV, associated with elevated T-cell regulatory molecule expression. The data suggest that dysfunctional CD8 T-cell responses in uncontrolled HIV contribute to susceptibility to secondary bacterial infections, including tuberculosis.

High throughput single-cell RNA sequencing (sc-RNAseq) has become a frequently used tool to assess immune cell function and heterogeneity. Recently, the combined measurement of RNA and protein expression by sequencing was developed, which is commonly known as CITE-Seq. Acquisition of protein expression data along with transcriptome data resolves some of the limitations inherent to only assessing transcript, but also nearly doubles the sequencing read depth required per single cell. Furthermore, there is still a paucity of analysis tools to visualize combined transcript-protein datasets. Here, we describe a novel targeted transcriptomics approach that combines analysis of over 400 genes with simultaneous measurement of over 40 proteins on more than 25,000 cells. This targeted approach requires only about 1/10 of the read depth compared to a whole transcriptome approach while retaining high sensitivity for low abundance transcripts. To analyze these multi-omic transcript-protein datasets, we adapted One-SENSE for intuitive visualization of the relationship of proteins and transcripts on a single-cell level.