ABSTRACT It is not understood how immune inflammation influences the pathogenesis of severe acute respiratory syndrome (SARS). One area of strong controversy is the role of interferon (IFN) responses in the natural history of SARS. The fact that the majority of SARS patients recover after relatively moderate illness suggests that the prevailing notion of deficient type I IFN-mediated immunity, with hypercytokinemia driving a poor clinical course, is oversimplified. We used proteomic and genomic technology to systematically analyze host innate and adaptive immune responses of 40 clinically well-described patients with SARS during discrete phases of illness from the onset of symptoms to discharge or a fatal outcome. A novel signature of high IFN-α, IFN-γ, and IFN-stimulated chemokine levels, plus robust antiviral IFN-stimulated gene (ISG) expression, accompanied early SARS sequelae. As acute illness progressed, SARS patients entered a crisis phase linked to oxygen saturation profiles. The majority of SARS patients resolved IFN responses at crisis and expressed adaptive immune genes. In contrast, patients with poor outcomes showed deviated ISG and immunoglobulin gene expression levels, persistent chemokine levels, and deficient anti-SARS spike antibody production. We contend that unregulated IFN responses during acute-phase SARS may culminate in a malfunction of the switch from innate immunity to adaptive immunity. The potential for the use of the gene signatures we describe in this study to better assess the immunopathology and clinical management of severe viral infections, such as SARS and avian influenza (H5N1), is therefore worth careful examination.

Progressive immune-associated injury is a hallmark of severe acute respiratory syndrome (SARS). Viral evasion of innate immunity, hypercytokinemia and systemic immunopathology in the SARS coronavirus (SARS CoV) infected host have been suggested as possible mechanisms for the cause of severe pathology and morbidity in SARS patients. The molecular and cellular basis for how SARS CoV impacts the host immune system resulting in severe SARS, however, has not been elucidated. The variable clinical course of SARS may be the result of complex programs of host responses against the infectious agent. Therefore, the systematic analysis of innate and adaptive immune responses to SARS CoV is imperative in building as complete an immunological model as possible of host immunity and inflammatory responses during illness. Here we review recent advances in SARS immunopathogenesis research and present a summary of our findings regarding host responses in SARS patients. We contend that dysregulated type I and II interferon (IFN) responses during SARS may culminate in a failure of the switch from hyper-innate immunity to protective adaptive immune responses in the human host.

Human host immune response following infection with the new variant of A/H1N1 pandemic influenza virus (nvH1N1) is poorly understood. We utilize here systemic cytokine and antibody levels in evaluating differences in early immune response in both mild and severe patients infected with nvH1N1.We profiled 29 cytokines and chemokines and evaluated the haemagglutination inhibition activity as quantitative and qualitative measurements of host immune responses in serum obtained during the first five days after symptoms onset, in two cohorts of nvH1N1 infected patients. Severe patients required hospitalization (n = 20), due to respiratory insufficiency (10 of them were admitted to the intensive care unit), while mild patients had exclusively flu-like symptoms (n = 15). A group of healthy donors was included as control (n = 15). Differences in levels of mediators between groups were assessed by using the non parametric U-Mann Whitney test. Association between variables was determined by calculating the Spearman correlation coefficient. Viral load was performed in serum by using real-time PCR targeting the neuraminidase gene.Increased levels of innate-immunity mediators (IP-10, MCP-1, MIP-1beta), and the absence of anti-nvH1N1 antibodies, characterized the early response to nvH1N1 infection in both hospitalized and mild patients. High systemic levels of type-II interferon (IFN-gamma) and also of a group of mediators involved in the development of T-helper 17 (IL-8, IL-9, IL-17, IL-6) and T-helper 1 (TNF-alpha, IL-15, IL-12p70) responses were exclusively found in hospitalized patients. IL-15, IL-12p70, IL-6 constituted a hallmark of critical illness in our study. A significant inverse association was found between IL-6, IL-8 and PaO2 in critical patients.While infection with the nvH1N1 induces a typical innate response in both mild and severe patients, severe disease with respiratory involvement is characterized by early secretion of Th17 and Th1 cytokines usually associated with cell mediated immunity but also commonly linked to the pathogenesis of autoimmune/inflammatory diseases. The exact role of Th1 and Th17 mediators in the evolution of nvH1N1 mild and severe disease merits further investigation as to the detrimental or beneficial role these cytokines play in severe illness.

Objectives: To find and validate generalizable sepsis subtypes using data-driven clustering. Design: We used advanced informatics techniques to pool data from 14 bacterial sepsis transcriptomic datasets from eight different countries ( n = 700). Setting: Retrospective analysis. Subjects: Persons admitted to the hospital with bacterial sepsis. Interventions: None. Measurements and Main Results: A unified clustering analysis across 14 discovery datasets revealed three subtypes, which, based on functional analysis, we termed “Inflammopathic, Adaptive, and Coagulopathic.” We then validated these subtypes in nine independent datasets from five different countries ( n = 600). In both discovery and validation data, the Adaptive subtype is associated with a lower clinical severity and lower mortality rate, and the Coagulopathic subtype is associated with higher mortality and clinical coagulopathy. Further, these clusters are statistically associated with clusters derived by others in independent single sepsis cohorts. Conclusions: The three sepsis subtypes may represent a unifying framework for understanding the molecular heterogeneity of the sepsis syndrome. Further study could potentially enable a precision medicine approach of matching novel immunomodulatory therapies with septic patients most likely to benefit.

Abstract Background COVID-19 can course with respiratory and extrapulmonary disease. SARS-CoV-2 RNA is detected in respiratory samples but also in blood, stool and urine. Severe COVID-19 is characterized by a dysregulated host response to this virus. We studied whether viral RNAemia or viral RNA load in plasma is associated with severe COVID-19 and also to this dysregulated response. Methods A total of 250 patients with COVID-19 were recruited (50 outpatients, 100 hospitalized ward patients and 100 critically ill). Viral RNA detection and quantification in plasma was performed using droplet digital PCR, targeting the N1 and N2 regions of the SARS-CoV-2 nucleoprotein gene. The association between SARS-CoV-2 RNAemia and viral RNA load in plasma with severity was evaluated by multivariate logistic regression. Correlations between viral RNA load and biomarkers evidencing dysregulation of host response were evaluated by calculating the Spearman correlation coefficients. Results The frequency of viral RNAemia was higher in the critically ill patients (78%) compared to ward patients (27%) and outpatients (2%) ( p < 0.001). Critical patients had higher viral RNA loads in plasma than non-critically ill patients, with non-survivors showing the highest values. When outpatients and ward patients were compared, viral RNAemia did not show significant associations in the multivariate analysis. In contrast, when ward patients were compared with ICU patients, both viral RNAemia and viral RNA load in plasma were associated with critical illness (OR [CI 95%], p ): RNAemia (3.92 [1.183–12.968], 0.025), viral RNA load (N1) (1.962 [1.244–3.096], 0.004); viral RNA load (N2) (2.229 [1.382–3.595], 0.001). Viral RNA load in plasma correlated with higher levels of chemokines (CXCL10, CCL2), biomarkers indicative of a systemic inflammatory response (IL-6, CRP, ferritin), activation of NK cells (IL-15), endothelial dysfunction (VCAM-1, angiopoietin-2, ICAM-1), coagulation activation (D-Dimer and INR), tissue damage (LDH, GPT), neutrophil response (neutrophils counts, myeloperoxidase, GM-CSF) and immunodepression (PD-L1, IL-10, lymphopenia and monocytopenia). Conclusions SARS-CoV-2 RNAemia and viral RNA load in plasma are associated with critical illness in COVID-19. Viral RNA load in plasma correlates with key signatures of dysregulated host responses, suggesting a major role of uncontrolled viral replication in the pathogenesis of this disease.

Abstract Aim To use genus/species-specific genes droplet digital PCR (ddPCR) assays to detect/quantify bacterial DNA from Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , Staphylococcus aureus and Enterococcus spp in blood samples. Methods and Results Bacterial DNA from clinical strains (4<n<12) was extracted, quantified and diluted (10-0.0001ng/μL) and ddPCR assays were performed in triplicate. These ddPCR assays showed low replication variability, low detection limit (1–0.1pg/μL) and high genus/species specificity. ddPCR assays were also used to quantify bacterial DNA obtained from spiked blood (1×104-1CFU/mL) of each bacterial genus/species. Comparison between ddPCR assays and bacterial culture was performed by Pearson correlation. There was an almost perfect correlation (r≥0.997, p≤0.001) between the number of CFU/mL from bacterial culture and the number of gene copies/mL detected by ddPCR. The time from sample preparation to results was determined to be 3.5-4h. Conclusions The results demonstrated the quantification capacity and specificity of the ddPCR assays to detect/quantify four of the most important bloodstream infection (BSI) bacterial pathogens directly from blood. Significance and Impact This pilot study results reinforce the potential of ddPCR for the diagnosis and/or severity stratification of BSI. Applied to patients’ blood samples it can improve diagnosis and diminish sample-to-results time, improving patient care.

Background: the role of neutrophil and lymphocyte counts as predictors of prognosis in Community Acquired Pneumonia (CAP) has not been appropriately studied. Methods: this was a retrospective study to evaluate by multivariate regression analysis, the association between neutrophil and lymphocyte counts with mortality at 30-days post discharge in two large cohorts of hospitalized patients with CAP and no prior immunosupression: a multicentric with 1550 patients recruited at 14 hospitals in Spain and a unicentric with 2840 patients recruited at the Hospital Clinic-Barcelona. Findings: The unicentric cohort accounted with a higher proportion of critically ill patients: 586 (20.6%) vs 131 (8.5%) and non survivors 245 (8.6%) vs 74 (4.8%). Lymphopenia (< 1000 lymphocytes/mm3) was present in the 52.8% of the patients in both cohorts. A sub-group of lymphopenic patients, those with lymphocyte counts below decil 3 (677 lymphocytes/mm3 in the multicentric cohort and 651 lymphocytes/mm3 in the unicentric one), showed > 2-fold increase in the risk of mortality, independently of the CURB-65 score, critical illness and receiving an appropriated antibiotic treatment: (OR [CI95%], p) (2.18 [1.21-3.92], 0.009) and (2.33 [1.61-3.33], <0.001) respectively. Neutrophil counts were not associated with mortality risk. Interpretation: Lymphopenia is present in a half of the patients with CAP needing of hospitalization, in absence of antecendents of immunosupression. Lymphopenic CAP with lymphocyte counts < 664 lymphocytes/mm3 constitutes a particular immunological phenotype of the disease which is associated to an increased risk of mortality.

Background: pre-evaluation of endogenous immunoglobulin levels is a potential strategy to improve the results of intravenous immunoglobulins in sepsis, but more work has to be done to identify those patients who could benefit the most from this treatment. The objective of this study was to evaluate the impact of endogenous immunoglobulins on the mortality risk in sepsis depending on disease severity. Methods: this was a retrospective observational study including 278 patients admitted to the ICU with sepsis fulfilling the SEPSIS-3 criteria, coming from the Spanish GRECIA and ABISS-EDUSEPSIS cohorts. Patients were distributed into two groups depending on their Sequential Organ Failure Assessment score al ICU admission (SOFA < 8, n = 122 and SOFA > 8, n = 156) and the association between immunoglobulin levels at ICU admission with mortality was studied in each group by Kaplan Meier and multivariate logistic regression analysis. Results: ICU / hospital mortality in the SOFA < 8 group was 14.8% / 23.0%, compared to 30.1% / 35.3% in the SOFA > 8 group. In the group with SOFA < 8, the simultaneous presence of total IgG < 407 mg/dl, IgM < 43 mg/dl and IgA < 219 mg/dl was associated to a reduction in the survival mean time of 6.6 days in the first 28 days, and was a robust predictor of mortality risk either during the acute and the post-acute phase of the disease (OR for ICU mortality: 13.79; OR for hospital mortality: 7.98). This predictive ability remained in the absence of prior immunosupression (OR for ICU mortality: 17.53; OR for hospital mortality: 5.63). Total IgG < 407 mg/dl or IgG1 < 332 mg/dl was also an independent predictor of ICU mortality in this group. In contrast, in the SOFA > 8 group, we found no immunoglobulin thresholds associated to neither ICU nor to hospital mortality. Conclusions: endogenous immunoglobulin levels may have a different impact on the mortality risk of sepsis patients based on their severity. In patients with moderate organ failure, the simultaneous presence of low levels of IgG, IgA and IgM was a consistent predictor of both acute and post-acute mortality.

Improved risk stratification and prognosis in sepsis is a critical unmet need. Clinical severity scores and available assays such as blood lactate reflect global illness severity with suboptimal performance, and do not specifically reveal the underlying dysregulation of sepsis. Here three scientific groups were invited to independently generate prognostic models for 30-day mortality using 12 discovery cohorts (N=650) containing transcriptomic data collected from primarily community-onset sepsis patients. Predictive performance was validated in 5 cohorts of community-onset sepsis patients (N=189) in which the models showed summary AUROCs ranging from 0.765-0.89. Similar performance was observed in 4 cohorts of hospital-acquired sepsis (N=282). Combining the new gene-expression-based prognostic models with prior clinical severity scores led to significant improvement in prediction of 30-day mortality (p<0.01). These models provide an opportunity to develop molecular bedside tests that may improve risk stratification and mortality prediction in patients with sepsis, improving both resource allocation and prognostic enrichment in clinical trials.