Epidemiological data suggest that early life exposures are key determinants of immune-mediated disease later in life. Young children are also particularly susceptible to infections, warranting more analyses of immune system development early in life. Such analyses mostly have been performed in mouse models or human cord blood samples, but these cannot account for the complex environmental exposures influencing human newborns after birth. Here, we performed longitudinal analyses in 100 newborn children, sampled up to 4 times during their first 3 months of life. From 100 μL of blood, we analyze the development of 58 immune cell populations by mass cytometry and 267 plasma proteins by immunoassays, uncovering drastic changes not predictable from cord blood measurements but following a stereotypic pattern. Preterm and term children differ at birth but converge onto a shared trajectory, seemingly driven by microbial interactions and hampered by early gut bacterial dysbiosis.

A blood cell protein-expression atlas Genome-wide analyses are increasingly providing resources for advances in basic and applied biomedical science. Uhlen et al. performed a global expression analysis of human blood cell types and integrated this data with data across all major human tissues and organs in the human protein atlas. This comprehensive compendium allows for classification of all human protein-coding genes with regard to their tissue- and cell-type distribution. Science , this issue p. eaax9198

Summary

 Immune-microbe interactions early in life influence the risk of allergies, asthma, and other inflammatory diseases. Breastfeeding guides healthier immune-microbe relationships by providing nutrients to specialized microbes that in turn benefit the host's immune system. Such bacteria have co-evolved with humans but are now increasingly rare in modern societies. Here we show that a lack of bifidobacteria, and in particular depletion of genes required for human milk oligosaccharide (HMO) utilization from the metagenome, is associated with systemic inflammation and immune dysregulation early in life. In breastfed infants given Bifidobacterium infantis EVC001, which expresses all HMO-utilization genes, intestinal T helper 2 (Th2) and Th17 cytokines were silenced and interferon β (IFNβ) was induced. Fecal water from EVC001-supplemented infants contains abundant indolelactate and B. infantis-derived indole-3-lactic acid (ILA) upregulated immunoregulatory galectin-1 in Th2 and Th17 cells during polarization, providing a functional link between beneficial microbes and immunoregulation during the first months of life.

SUMMARY Immune-microbe interactions early in life influence an individual’s risk of developing allergies, asthma and some autoimmune disorders. Breastfeeding helps guide the development of healthy immune-microbe relationships, in part by providing nutrients to specialized microbes that in turn benefit the host and its developing immune system. Such bacteria having co-evolved with humans are associated with reduced risks of immune mediated diseases but are increasingly rare in modern societies. Here we map an immunological sequence of events, triggered by microbial colonization that distinguish children with different gut bacterial composition. Lack of bifidobacterial species is associated with elevated markers of intestinal inflammation and immune dysregulation and in a randomized trial of breastfed infants, the infant-adapted Bifidobacterium infantis EVC001 silenced intestinal Th2 and Th17 immune responses, while inducing IFNβ, and its metabolites skew T-cell polarization in vitro , from Th2 towards Th1, suggesting a healthier immune imprinting during the first critical months of life. HIGHLIGHTS An ordered sequence of immune changes after birth, driven by microbial interactions Low gut Bifidobacterium abundance is associated with markers of intestinal inflammation Feeding B. infantis EVC001 silenced intestinal Th2 and Th17 but upregulates IFNβ B. infantis EVC001 metabolites and/or enteric cytokines skew naïve T-cell polarization towards Th1 and away from Th2

Abstract Infectious, inflammatory and autoimmune conditions present differently in males and females. SARS-CoV-2 infection in naive males is associated with increased risk of death, whereas females are at increased risk of long COVID 1 , similar to observations in other infections 2 . Females respond more strongly to vaccines, and adverse reactions are more frequent 3 , like most autoimmune diseases 4 . Immunological sex differences stem from genetic, hormonal and behavioural factors 5 but their relative importance is only partially understood 6–8 . In individuals assigned female sex at birth and undergoing gender-affirming testosterone therapy (trans men), hormone concentrations change markedly but the immunological consequences are poorly understood. Here we performed longitudinal systems-level analyses in 23 trans men and found that testosterone modulates a cross-regulated axis between type-I interferon and tumour necrosis factor. This is mediated by functional attenuation of type-I interferon responses in both plasmacytoid dendritic cells and monocytes. Conversely, testosterone potentiates monocyte responses leading to increased tumour necrosis factor, interleukin-6 and interleukin-15 production and downstream activation of nuclear factor kappa B-regulated genes and potentiation of interferon-γ responses, primarily in natural killer cells. These findings in trans men are corroborated by sex-divergent responses in public datasets and illustrate the dynamic regulation of human immunity by sex hormones, with implications for the health of individuals undergoing hormone therapy and our understanding of sex-divergent immune responses in cisgender individuals.

Abstract Cell membranes undergo biophysical remodelling as an adaptation to the surroundings and to perform specific biological functions. However, the extent and relevance of such changes in human immune systems remain unknown, largely due to the lack of high throughput and multidimensional methodologies. Here, we describe a cytometry-based method with single-cell resolution which fills this technological gap by combining biophysical profiling with conventional biomarker analysis. This platform allows to reveal notable cell type-dependent remodelling of membrane fluidity during immune stimulations and in diseases. Using immune cells exposed to tumour microenvironment as well as from long COVID and chronic lymphocyte leukaemia patients, we demonstrate that membrane fluidity is orthogonal to surface marker expression. Moreover, this biophysical parameter identifies new functional and pathological states of immune cells previously undetected via surface marker profiling alone. Our findings will contribute to a more precise definition of immune cell states based on their biophysical properties and will pave the way for a better understanding of the functional heterogeneity of immune cells.

Abstract Single-cell methods such as flow cytometry, Mass cytometry and single-cell mRNA sequencing collect high-dimensional data on thousands to millions of individual cells. An important aim during the analysis of such data is to classify cells into known categories and cell types. One commonly used approach towards this is clustering of cells with similar features followed by manual annotation of clusters in relation to known biology. A second approach, commonly used for cytometry data relies on manual sorting or “gating” of cells, often based on pairwise combinations of measurements used in a stepwise and very tedious process of cell annotation. Both of these approaches require manual inspection and annotation of every new dataset generated, a process that is not only time consuming but also subjective and surely influential for the conclusions drawn. The manual annotation is also difficult to reproduce by other researchers with a different perception of features that signify their cells of interest. Here we propose an alternative strategy based on machine learning of known phenotypes from manually curated, high-dimensional data and thereby enabling rapid classification of subsequent datasets in a more reproducible manner. This simple approach increases both throughput, reproducibility and simplicity of cell classification in single-cell biology.

Single-cell RNA-seq has become routine for discovering cell types and revealing cellular diversity, but currently no high-throughput platform has been used successfully on archived human brain samples. We present STRT-seq-2i, an addressable 9600-microwell array platform, combining sampling by limiting dilution or FACS, with imaging and high throughput at competitive cost. We applied the platform to fresh single mouse cortical cells and to frozen post-mortem human cortical nuclei, matching the performance of a previous lower-throughput platform.

Myalgic encephalomyelitis, ME, previously also known as chronic fatigue syndrome (CFS) is a heterogeneous, debilitating syndrome of unknown etiology responsible for long-lasting disability in millions of patients worldwide. The most well-known symptom of ME is post-exertional malaise, but many patients also experience autonomic dysregulation, cranial nerve dysfunction and signs of immune system activation. Many patients also report a sudden onset of disease following an infection. The brainstem is a suspected focal point in ME pathogenesis and patients with structural impairment to the brainstem often show ME-like symptoms. The brainstem is also where the vagus nerve originates, a critical neuro-immune interface and mediator of the inflammatory reflex which regulate systemic inflammation. Here we report the results of a randomized, placebo-controlled trial using intranasal mechanical stimulation (INMEST) targeting the vagus nuclei, and higher centers in the brain of ME-patients and induce a sustainable, ∼30% reduction in overall symptom scores after eight weeks of treatment. By performing longitudinal, systems-level monitoring of the blood immune system in these patients, we uncover chronic immune activation in ME, as well as immunological correlates of improvement that center around the IL-17 axis, gut-homing immune cells and reduced inflammation. The mechanisms of symptom relief remains to be determined, but transcriptional analyses suggest an upregulation of disease tolerance mechanisms. We wish for these results to bring some hope to patients suffering from ME and inspire researchers to help test our new hypothesis that ME is a condition caused by a failure of inducing disease tolerance upon infection and persistent immune activation.

Comprehensive profiling of the human immune system in patients with cancer, autoimmune disease and during infections are providing valuable information that help us understand disease states and discriminate productive from inefficient immune responses and identify possible targets for immune modulation. Recent technical advances now allow for all immune cell populations and hundreds of plasma proteins to be detected using small volume blood samples. To democratize such systems-immunological analyses, further simplified blood sampling and preservation will be important. Here we describe that blood obtained via a nearly painless self-sampling device of 100 microliter of capillary blood that is preserved and frozen, can simplify systems-level immunomonitoring studies.