Profiling coronaviruses Among the coronaviruses that infect humans, four cause mild common colds, whereas three others, including the currently circulating severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), result in severe infections. Shrock et al. used a technology known as VirScan to probe the antibody repertoires of hundreds of coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients and pre–COVID-19 era controls. They identified hundreds of antibody targets, including several antibody epitopes shared by the mild and severe coronaviruses and many specific to SARS-CoV-2. A machine-learning model accurately classified patients infected with SARS-CoV-2 and guided the design of an assay for rapid SARS-CoV-2 antibody detection. The study also looked at how the antibody response and viral exposure history differ in patients with diverging outcomes, which could inform the production of improved vaccine and antibody therapies. Science , this issue p. eabd4250

Abstract Purpose: Detection of persistent circulating tumor DNA (ctDNA) after curative-intent surgery can identify patients with minimal residual disease (MRD) who will ultimately recur. Most ctDNA MRD assays require tumor sequencing to identify tumor-derived mutations to facilitate ctDNA detection, requiring tumor and blood. We evaluated a plasma-only ctDNA assay integrating genomic and epigenomic cancer signatures to enable tumor-uninformed MRD detection. Experimental Design: A total of 252 prospective serial plasma specimens from 103 patients with colorectal cancer undergoing curative-intent surgery were analyzed and correlated with recurrence. Results: Of 103 patients, 84 [stage I (9.5%), II (23.8%), III (47.6%), IV (19%)] had evaluable plasma drawn after completion of definitive therapy, defined as surgery only (n = 39) or completion of adjuvant therapy (n = 45). In “landmark” plasma drawn 1-month (median, 31.5 days) after definitive therapy and >1 year follow-up, 15 patients had detectable ctDNA, and all 15 recurred [positive predictive value (PPV), 100%; HR, 11.28 (P < 0.0001)]. Of 49 patients without detectable ctDNA at the landmark timepoint, 12 (24.5%) recurred. Landmark recurrence sensitivity and specificity were 55.6% and 100%. Incorporating serial longitudinal and surveillance (drawn within 4 months of recurrence) samples, sensitivity improved to 69% and 91%. Integrating epigenomic signatures increased sensitivity by 25%–36% versus genomic alterations alone. Notably, standard serum carcinoembryonic antigen levels did not predict recurrence [HR, 1.84 (P = 0.18); PPV = 53.9%]. Conclusions: Plasma-only MRD detection demonstrated favorable sensitivity and specificity for recurrence, comparable with tumor-informed approaches. Integrating analysis of epigenomic and genomic alterations enhanced sensitivity. These findings support the potential clinical utility of plasma-only ctDNA MRD detection. See related commentary by Bent and Kopetz, p. 5449

Mechanisms underlying severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) disease remain poorly understood. We analyze several thousand plasma proteins longitudinally in 306 COVID-19 patients and 78 symptomatic controls, uncovering immune and non-immune proteins linked to COVID-19. Deconvolution of our plasma proteome data using published scRNA-seq datasets reveals contributions from circulating immune and tissue cells. Sixteen percent of patients display reduced inflammation yet comparably poor outcomes. Comparison of patients who died to severely ill survivors identifies dynamic immune-cell-derived and tissue-associated proteins associated with survival, including exocrine pancreatic proteases. Using derived tissue-specific and cell-type-specific intracellular death signatures, cellular angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) expression, and our data, we infer whether organ damage resulted from direct or indirect effects of infection. We propose a model in which interactions among myeloid, epithelial, and T cells drive tissue damage. These datasets provide important insights and a rich resource for analysis of mechanisms of severe COVID-19 disease.

COVID-19 has caused over 1 million deaths globally, yet the cellular mechanisms underlying severe disease remain poorly understood. By analyzing several thousand plasma proteins in 306 COVID-19 patients and 78 symptomatic controls over serial timepoints using two complementary approaches, we uncover COVID-19 host immune and non-immune proteins not previously linked to this disease. Integration of plasma proteomics with nine published scRNAseq datasets shows that SARS-CoV-2 infection upregulates monocyte/macrophage, plasmablast, and T cell effector proteins. By comparing patients who died to severely ill patients who survived, we identify dynamic immunomodulatory and tissue-associated proteins associated with survival, providing insights into which host responses are beneficial and which are detrimental to survival. We identify intracellular death signatures from specific tissues and cell types, and by associating these with angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) expression, we map tissue damage associated with severe disease and propose which damage results from direct viral infection rather than from indirect effects of illness. We find that disease severity in lung tissue is driven by myeloid cell phenotypes and cell-cell interactions with lung epithelial cells and T cells. Based on these results, we propose a model of immune and epithelial cell interactions that drive cell-type specific and tissue-specific damage in severe COVID-19.

Multiple studies have identified an association between neutrophils and COVID-19 disease severity; however, the mechanistic basis of this association remains incompletely understood. Here we collected 781 longitudinal blood samples from 306 hospitalized COVID-19 + patients, 78 COVID-19 âˆ' acute respiratory distress syndrome patients, and 8 healthy controls, and performed bulk RNA-sequencing of enriched neutrophils, plasma proteomics, cfDNA measurements and high throughput antibody profiling assays to investigate the relationship between neutrophil states and disease severity or death. We identified dynamic switches between six distinct neutrophil subtypes using non-negative matrix factorization (NMF) clustering. At days 3 and 7 post-hospitalization, patients with severe disease had an enrichment of a granulocytic myeloid derived suppressor cell-like state gene expression signature, while non-severe patients with resolved disease were enriched for a progenitor-like immature neutrophil state signature. Severe disease was associated with gene sets related to neutrophil degranulation, neutrophil extracellular trap (NET) signatures, distinct metabolic signatures, and enhanced neutrophil activation and generation of reactive oxygen species (ROS). We found that the majority of patients had a transient interferon-stimulated gene signature upon presentation to the emergency department (ED) defined here as Day 0, regardless of disease severity, which persisted only in patients who subsequently died. Humoral responses were identified as potential drivers of neutrophil effector functions, as enhanced antibody-dependent neutrophil phagocytosis and reduced NETosis was associated with elevated SARS-CoV-2-specific IgG1-to-IgA1 ratios in plasma of severe patients who survived. In vitro experiments confirmed that while patient-derived IgG antibodies mostly drove neutrophil phagocytosis and ROS production in healthy donor neutrophils, patient-derived IgA antibodies induced a predominant NETosis response. Overall, our study demonstrates neutrophil dysregulation in severe COVID-19 and a potential role for IgA-dominant responses in driving neutrophil effector functions in severe disease and mortality.

Abstract Objectives Studies in axial spondyloarthritis (axSpA) have yielded conflicting results regarding the identity of the major IL-17A-producing lymphocyte populations. The goal of this study was to comprehensively assess the production of IL-17A and related cytokines by peripheral blood lymphocytes in axSpA. Methods Peripheral blood mononuclear cells were isolated from patients with axSpA and healthy controls matched for age, sex and HLA-B27 status. Unstimulated cells and cells activated with PMA/Ionomycin were analyzed by 25-parameter fluorescent flow cytometry. Data were analyzed by hierarchical gating, UMAP and SPICE. Results Except for a reduced frequency of mucosal-associated invariant T (MAIT) cells and natural killer (NK) cells, there were no other significant differences in abundance of major lymphocyte populations in axSpA patients compared with controls. Increased IL-17A production in axSpA was observed in total non-B lymphocytes and in MAIT cells. The fraction of MAIT cells expressing the tissue residency markers CD69 and CD103 was increased in axSpA. CD103 positive MAIT cells were enriched for IL-17A producers. axSpA patients demonstrated an expansion of MAIT cell subsets producing IL-17A, IL-17F, GM-CSF and TNF. This expansion was only observed in HLA-B27+ patients. Conclusions We document an expansion of polyfunctional IL-17A+ MAIT cells in the peripheral blood of HLA-B27+ patients with axSpA. These results are consistent with the implied role of intestinal dysbiosis or inflammation in axSpA pathogenesis. Key messages What is already known about this subject? Various IL-17A-producing lymphocyte populations have been implicated in the pathogenesis of axSpA. What does this study add? Polyfunctional MAIT cells capable of producing IL-17A, IL-17F, GM-CSF and TNF are expanded in the peripheral blood of HLA-B27+ patients with axSpA. How might this impact on clinical practice or future developments? Overproduction of IL-17A by MAIT cells is the most consistent finding of peripheral blood lymphocyte studies in axSpA. Our data support the pathogenetic link between intestinal and axial inflammation in axSpA.