Emerging data indicate that SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells targeting different viral proteins are detectable in up to 70% of convalescent individuals1–5. However, very little information is currently available about the abundance, phenotype, functional capacity and fate of pre-existing and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell responses during the natural course of SARS-CoV-2 infection. Here, we define a set of optimal and dominant SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell epitopes. We also perform a high-resolution ex vivo analysis of pre-existing and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells, applying peptide-loaded major histocompatibility complex class I (pMHCI) tetramer technology. We observe rapid induction, prolonged contraction and emergence of heterogeneous and functionally competent cross-reactive and induced memory CD8+ T cell responses in cross-sectionally analyzed individuals with mild disease following SARS-CoV-2 infection and three individuals longitudinally assessed for their T cells pre- and post-SARS-CoV-2 infection. SARS-CoV-2-specific memory CD8+ T cells exhibited functional characteristics comparable to influenza-specific CD8+ T cells and were detectable in SARS-CoV-2 convalescent individuals who were seronegative for anti-SARS-CoV-2 antibodies targeting spike (S) and nucleoprotein (N). These results define cross-reactive and induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T cell responses as potentially important determinants of immune protection in mild SARS-CoV-2 infection. Functionally competent memory CD8+ T cells specific for different viral epitopes are induced by SARS-CoV-2 infection and can be detected in the absence of virus-specific antibodies.

COVID-19 can cause severe neurological symptoms, but the underlying pathophysiological mechanisms are unclear. Here, we interrogated the brain stems and olfactory bulbs in postmortem patients who had COVID-19 using imaging mass cytometry to understand the local immune response at a spatially resolved, high-dimensional, single-cell level and compared their immune map to non-COVID respiratory failure, multiple sclerosis, and control patients. We observed substantial immune activation in the central nervous system with pronounced neuropathology (astrocytosis, axonal damage, and blood-brain-barrier leakage) and detected viral antigen in ACE2-receptor-positive cells enriched in the vascular compartment. Microglial nodules and the perivascular compartment represented COVID-19-specific, microanatomic-immune niches with context-specific cellular interactions enriched for activated CD8+ T cells. Altered brain T-cell-microglial interactions were linked to clinical measures of systemic inflammation and disturbed hemostasis. This study identifies profound neuroinflammation with activation of innate and adaptive immune cells as correlates of COVID-19 neuropathology, with implications for potential therapeutic strategies.

Summary

 Glioblastomas are malignant tumors of the central nervous system hallmarked by subclonal diversity and dynamic adaptation amid developmental hierarchies. The source of dynamic reorganization within the spatial context of these tumors remains elusive. Here, we characterized glioblastomas by spatially resolved transcriptomics, metabolomics, and proteomics. By deciphering regionally shared transcriptional programs across patients, we infer that glioblastoma is organized by spatial segregation of lineage states and adapts to inflammatory and/or metabolic stimuli, reminiscent of the reactive transformation in mature astrocytes. Integration of metabolic imaging and imaging mass cytometry uncovered locoregional tumor-host interdependence, resulting in spatially exclusive adaptive transcriptional programs. Inferring copy-number alterations emphasizes a spatially cohesive organization of subclones associated with reactive transcriptional programs, confirming that environmental stress gives rise to selection pressure. A model of glioblastoma stem cells implanted into human and rodent neocortical tissue mimicking various environments confirmed that transcriptional states originate from dynamic adaptation to various environments.

Abstract CD8+ T cells are critical for the elimination and long-lasting protection of many viral infections, but their role in the current SARS-CoV-2 pandemic is unclear. Emerging data indicates that SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells are detectable in the majority of individuals recovering from SARS-CoV-2 infection. However, optimal virus-specific epitopes, the role of pre-existing heterologous immunity as well as their kinetics and differentiation program during disease control have not been defined in detail. Here, we show that both pre-existing and newly induced SARS-CoV-2-specific CD8+ T-cell responses are potentially important determinants of immune protection in mild SARS-CoV-2 infection. In particular, our results can be summarized as follows: First, immunodominant SARS-CoV-2-specific CD8+ T-cell epitopes are targeted in the majority of individuals with convalescent SARS-CoV-2 infection. Second, MHC class I tetramer analyses revealed the emergence of phenotypically diverse and functionally competent pre-existing and newly induced SARS-CoV-2-specific memory CD8+ T cells that showed similar characteristics compared to influenza-specific CD8+ T cells. Third, SARS-CoV-2-specific CD8+ T-cell responses are more robustly detectable than antibodies against the SARS-CoV-2-spike protein. This was confirmed in a longitudinal analysis of acute-resolving infection that demonstrated rapid induction of the SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells within a week followed by a prolonged contraction phase that outlasted the waning humoral immune response indicating that CD8+ T-cell responses might serve as a more precise correlate of antiviral immunity than antibody measurements after convalescence. Collectively, these data provide new insights into the fine specificity, heterogeneity, and dynamics of SARS-CoV-2-specific memory CD8+ T cells, potentially informing the rational development of a protective vaccine against SARS-CoV-2.

Abstract Glioblastomas are highly malignant tumors of the central nervous system. Evidence suggests that these tumors display large intra- and inter-patient heterogeneity hallmarked by subclonal diversity and dynamic adaptation amid developmental hierarchies 1–3 . However, the source for dynamic reorganization of cellular states within their spatial context remains elusive. Here, we in-depth characterized glioblastomas by spatially resolved transcriptomics, metabolomics and proteomics. By deciphering exclusive and shared transcriptional programs across patients, we inferred that glioblastomas develop along defined neural lineages and adapt to inflammatory or metabolic stimuli reminiscent of reactive transformation in mature astrocytes. Metabolic profiling and imaging mass cytometry supported the assumption that tumor heterogeneity is dictated by microenvironmental alterations. Analysis of copy number variation (CNV) revealed a spatially cohesive organization of subclones associated with reactive transcriptional programs, confirming that environmental stress gives rise to selection pressure. Deconvolution of age-dependent transcriptional programs in malignant and non-malignant specimens identified the aging environment as the major driver of inflammatory transformation in GBM, suggesting that tumor cells adopt transcriptional programs similar to inflammatory transformation in astrocytes. Glioblastoma stem cells implanted into human neocortical slices of varying age levels, independently confirmed that the ageing environment dynamically shapes the intratumoral heterogeneity towards reactive transcriptional programs. Our findings provide insights into the spatial architecture of glioblastoma, suggesting that both locally inherent tumor as well as global alterations of the tumor microenvironment shape its transcriptional heterogeneity. Global age-related inflammation in the human brain is driving distinct transcriptional transformation in glioblastomas, which requires an adjustment of the currently prevailing glioma models.