Rationale: Rhinoviruses are the major cause of asthma exacerbations; however, its underlying mechanisms are poorly understood. We hypothesized that the epithelial cell–derived cytokine IL-33 plays a central role in exacerbation pathogenesis through augmentation of type 2 inflammation.Objectives: To assess whether rhinovirus induces a type 2 inflammatory response in asthma in vivo and to define a role for IL-33 in this pathway.Methods: We used a human experimental model of rhinovirus infection and novel airway sampling techniques to measure IL-4, IL-5, IL-13, and IL-33 levels in the asthmatic and healthy airways during a rhinovirus infection. Additionally, we cultured human T cells and type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) with the supernatants of rhinovirus-infected bronchial epithelial cells (BECs) to assess type 2 cytokine production in the presence or absence of IL-33 receptor blockade.Measurements and Main Results: IL-4, IL-5, IL-13, and IL-33 are all induced by rhinovirus in the asthmatic airway in vivo and relate to exacerbation severity. Further, induction of IL-33 correlates with viral load and IL-5 and IL-13 levels. Rhinovirus infection of human primary BECs induced IL-33, and culture of human T cells and ILC2s with supernatants of rhinovirus-infected BECs strongly induced type 2 cytokines. This induction was entirely dependent on IL-33.Conclusions: IL-33 and type 2 cytokines are induced during a rhinovirus-induced asthma exacerbation in vivo. Virus-induced IL-33 and IL-33–responsive T cells and ILC2s are key mechanistic links between viral infection and exacerbation of asthma. IL-33 inhibition is a novel therapeutic approach for asthma exacerbations.

Rationale: Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a progressive lung disease of unknown cause that leads to respiratory failure and death within 5 years of diagnosis. Overt respiratory infection and immunosuppression carry a high morbidity and mortality, and polymorphisms in genes related to epithelial integrity and host defense predispose to IPF.Objectives: To investigate the role of bacteria in the pathogenesis and progression of IPF.Methods: We prospectively enrolled patients diagnosed with IPF according to international criteria together with healthy smokers, nonsmokers, and subjects with moderate chronic obstructive pulmonary disease as control subjects. Subjects underwent bronchoalveolar lavage (BAL), from which genomic DNA was isolated. The V3–V5 region of the bacterial 16S rRNA gene was amplified, allowing quantification of bacterial load and identification of communities by 16S rRNA quantitative polymerase chain reaction and pyrosequencing.Measurements and Main Results: Sixty-five patients with IPF had double the burden of bacteria in BAL fluid compared with 44 control subjects. Baseline bacterial burden predicted the rate of decline in lung volume and risk of death and associated independently with the rs35705950 polymorphism of the MUC5B mucin gene, a proven host susceptibility factor for IPF. Sequencing yielded 912,883 high-quality reads from all subjects. We identified Haemophilus, Streptococcus, Neisseria, and Veillonella spp. to be more abundant in cases than control subjects. Regression analyses indicated that these specific operational taxonomic units as well as bacterial burden associated independently with IPF.Conclusions: IPF is characterized by an increased bacterial burden in BAL that predicts decline in lung function and death. Trials of antimicrobial therapy are needed to determine if microbial burden is pathogenic in the disease.

Acute exacerbations are the major cause of asthma morbidity, mortality, and health-care costs and are difficult to treat and prevent. The majority of asthma exacerbations are associated with rhinovirus (RV) infection, but evidence supporting a causal relationship is weak and mechanisms are poorly understood. We hypothesized that in asthmatic, but not normal, subjects RV infection would induce clinical, physiologic, and pathologic lower airway responses typical of an asthma exacerbation and that these changes would be related to virus replication and impaired T helper 1 (Th1)/IL-10 or augmented Th2 immune responses. We investigated physiologic, virologic, and immunopathologic responses to experimental RV infection in blood, induced sputum, and bronchial lavage in 10 asthmatic and 15 normal volunteers. RV infection induced significantly greater lower respiratory symptoms and lung function impairment and increases in bronchial hyperreactivity and eosinophilic lower airway inflammation in asthmatic compared with normal subjects. In asthmatic, but not normal, subjects virus load was significantly related to lower respiratory symptoms, bronchial hyperreactivity, and reductions in blood total and CD8 + lymphocytes; lung function impairment was significantly related to neutrophilic and eosinophilic lower airway inflammation. The same virologic and clinical outcomes were strongly related to deficient IFN-γ and IL-10 responses and to augmented IL-4, IL-5, and IL-13 responses. This study demonstrates increased RV-induced clinical illness severity in asthmatic compared with normal subjects, provides evidence of strong relationships between virus load, lower airway virus-induced inflammation and asthma exacerbation severity, and indicates augmented Th2 or impaired Th1 or IL-10 immunity are likely important mechanisms.

Respiratory virus infections are associated with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) exacerbations, but a causative relationship has not been proven. Studies of naturally occurring exacerbations are difficult and the mechanisms linking virus infection to exacerbations are poorly understood. We hypothesized that experimental rhinovirus infection in subjects with COPD would reproduce the features of naturally occurring COPD exacerbations and is a valid model of COPD exacerbations.To evaluate experimental rhinovirus infection as a model of COPD exacerbation and to investigate the mechanisms of virus-induced exacerbations.We used experimental rhinovirus infection in 13 subjects with COPD and 13 nonobstructed control subjects to investigate clinical, physiologic, pathologic, and antiviral responses and relationships between virus load and these outcomes.Clinical data; inflammatory mediators in blood, sputum, and bronchoalveolar lavage; and viral load in nasal lavage, sputum, and bronchoalveolar lavage were measured at baseline and after infection with rhinovirus 16. After rhinovirus infection subjects with COPD developed lower respiratory symptoms, airflow obstruction, and systemic and airway inflammation that were greater and more prolonged compared with the control group. Neutrophil markers in sputum related to clinical outcomes and virus load correlated with inflammatory markers. Virus load was higher and IFN production by bronchoalveolar lavage cells was impaired in the subjects with COPD.We have developed a new model of COPD exacerbation that strongly supports a causal relationship between rhinovirus infection and COPD exacerbations. Impaired IFN production and neutrophilic inflammation may be important mechanisms in virus-induced COPD exacerbations.

Rhinovirus infection is followed by significantly increased frequencies of positive, potentially pathogenic sputum cultures in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). However, it remains unclear whether these represent de novo infections or an increased load of organisms from the complex microbial communities (microbiome) in the lower airways.To investigate the effect of rhinovirus infection on the airway bacterial microbiome.Subjects with COPD (n = 14) and healthy control subjects with normal lung function (n = 17) were infected with rhinovirus. Induced sputum was collected at baseline before rhinovirus inoculation and again on Days 5, 15, and 42 after rhinovirus infection and DNA was extracted. The V3-V5 region of the bacterial 16S ribosomal RNA gene was amplified and pyrosequenced, resulting in 370,849 high-quality reads from 112 of the possible 124 time points.At 15 days after rhinovirus infection, there was a sixfold increase in 16S copy number (P = 0.007) and a 16% rise in numbers of proteobacterial sequences, most notably in potentially pathogenic Haemophilus influenzae (P = 2.7 × 10(-20)), from a preexisting community. These changes occurred only in the sputum microbiome of subjects with COPD and were still evident 42 days after infection. This was in contrast to the temporal stability demonstrated in the microbiome of healthy smokers and nonsmokers.After rhinovirus infection, there is a rise in bacterial burden and a significant outgrowth of Haemophilus influenzae from the existing microbiota of subjects with COPD. This is not observed in healthy individuals. Our findings suggest that rhinovirus infection in COPD alters the respiratory microbiome and may precipitate secondary bacterial infections.

Abstract In animal models, resident memory CD8+ T (Trm) cells assist in respiratory virus elimination but their importance in man has not been determined. Here, using experimental human respiratory syncytial virus (RSV) infection, we investigate systemic and local virus-specific CD8+ T-cell responses in adult volunteers. Having defined the immunodominance hierarchy, we analyse phenotype and function longitudinally in blood and by serial bronchoscopy. Despite rapid clinical recovery, we note surprisingly extensive lower airway inflammation with persistent viral antigen and cellular infiltrates. Pulmonary virus-specific CD8+ T cells display a CD69+CD103+ Trm phenotype and accumulate to strikingly high frequencies into convalescence without continued proliferation. While these have a more highly differentiated phenotype, they express fewer cytotoxicity markers than in blood. Nevertheless, their abundance before infection correlates with reduced symptoms and viral load, implying that CD8+ Trm cells in the human lung can confer protection against severe respiratory viral disease when humoral immunity is overcome.

Rationale: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) exacerbations are associated with virus (mostly rhinovirus) and bacterial infections, but it is not known whether rhinovirus infections precipitate secondary bacterial infections.Objectives: To investigate relationships between rhinovirus infection and bacterial infection and the role of antimicrobial peptides in COPD exacerbations.Methods: We infected subjects with moderate COPD and smokers and nonsmokers with normal lung function with rhinovirus. Induced sputum was collected before and repeatedly after rhinovirus infection and virus and bacterial loads measured with quantitative polymerase chain reaction and culture. The antimicrobial peptides secretory leukoprotease inhibitor (SLPI), elafin, pentraxin, LL-37, α-defensins and β-defensin-2, and the protease neutrophil elastase were measured in sputum supernatants.Measurements and Main Results: After rhinovirus infection, secondary bacterial infection was detected in 60% of subjects with COPD, 9.5% of smokers, and 10% of nonsmokers (P < 0.001). Sputum virus load peaked on Days 5–9 and bacterial load on Day 15. Sputum neutrophil elastase was significantly increased and SLPI and elafin significantly reduced after rhinovirus infection exclusively in subjects with COPD with secondary bacterial infections, and SLPI and elafin levels correlated inversely with bacterial load.Conclusions: Rhinovirus infections are frequently followed by secondary bacterial infections in COPD and cleavage of the antimicrobial peptides SLPI and elafin by virus-induced neutrophil elastase may precipitate these secondary bacterial infections. Therapy targeting neutrophil elastase or enhancing innate immunity may be useful novel therapies for prevention of secondary bacterial infections in virus-induced COPD exacerbations.

Abstract Background Rhinoviruses are the predominant cause of respiratory viral infections and are strongly associated with asthma exacerbations. While humoral immunity plays an important role during virus infections, cellular aspects of this response are less well understood. Here, we investigated the antiviral response of circulating B cells upon experimental rhinovirus infection in healthy individuals and asthma patients. Methods We purified B cells from experimentally infected healthy individuals and patients with asthma and subjected them to total RNA‐sequencing. Rhinovirus‐derived RNA was measured in isolated B cells using a highly sensitive PCR. B cells were stimulated with rhinovirus in vitro to further study gene expression, expression of antiviral proteins and B‐cell differentiation in response rhinovirus stimulation. Protein expression of pro‐inflammatory cytokines in response to rhinovirus was assessed using a proximity extension assay. Results B cells isolated from experimentally infected subjects exhibited an antiviral gene profile linked to IFN‐alpha, carried viral RNA in vivo and were transiently infected by rhinovirus in vitro . B cells rapidly differentiated into plasmablasts upon rhinovirus stimulation. While B cells lacked expression of interferons in response to rhinovirus exposure, co‐stimulation with rhinovirus and IFN‐alpha upregulated pro‐inflammatory cytokine expression suggesting a potential new function of B cells during virus infections. Asthma patients showed extensive upregulation and dysregulation of antiviral gene expression. Conclusion These findings add to the understanding of systemic effects of rhinovirus infections on B‐cell responses in the periphery, show potential dysregulation in patients with asthma and might also have implications during infection with other respiratory viruses.