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.

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

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.

The human immune system varies extensively between individuals, but variation within individuals over time has not been well characterized. Systems-level analyses allow for simultaneous quantification of many interacting immune system components, and the inference of global regulatory principles. Here we present a longitudinal, systems-level analysis in 99 healthy adults, 50 to 65 years of age and sampled every 3rd month during one year. We describe the structure of inter-individual variation and characterize extreme phenotypes along a principal curve. From coordinated measurement fluctuations, we infer relationships between 115 immune cell populations and 750 plasma proteins constituting the blood immune system. While most individuals have stable immune systems, the degree of longitudinal variability is an individual feature. The most variable individuals, in the absence of overt infections, exhibited markers of poor metabolic health suggestive of a functional link between metabolic and immunologic homeostatic regulation.

Thymic involution and proliferation of naive T cells both contribute to shaping the naive T cell repertoire as humans age, but a clear understanding of the roles of each throughout a human lifespan has been difficult to determine. By measuring nuclear bomb test-derived 14C in genomic DNA we determined the turnover rates of CD4+ and CD8+ naive T cell populations and defined their dynamics in healthy individuals ranging from 20-65 years of age. We demonstrate that naive T cell generation decreases with age, and that this could be explained by a combination of declining cell loss, peripheral division and thymic production during adulthood. We investigated putative mechanisms underlying age-related changes in homeostatic regulation of naive T cell turnover using mass cytometry to profile candidate signaling pathways involved in T cell activation and proliferation in CD4+ naive T cells relative to CD31 expression, a marker of thymic proximity. We show that basal NF-kB phosphorylation inversely correlated with CD31 expression and thus is decreased in peripherally expanded naive T cell clones. Functionally we found that NF-kB signaling was essential for naive T cell proliferation to the homeostatic growth factor IL-7, and reduced NF-kB phosphorylation in CD4+CD31- naive T cells is linked to reduced homeostatic proliferation potential. Our results reveal an age-related decline in naive T cell turnover as a putative regulator of naive T cell diversity and identify a molecular pathway that restricts proliferation of peripherally expanded naive T cell clones that accumulate with age.