Abstract Severe lung damage in COVID-19 involves complex interactions between diverse populations of immune and stromal cells. In this study, we used a spatial transcriptomics approach to delineate the cells, pathways and genes present across the spectrum of histopathological damage in COVID-19 lung tissue. We applied correlation network-based approaches to deconvolve gene expression data from areas of interest within well preserved post-mortem lung samples from three patients. Despite substantial inter-patient heterogeneity we discovered evidence for a common immune cell signaling circuit in areas of severe tissue that involves crosstalk between cytotoxic lymphocytes and pro-inflammatory macrophages. Expression of IFNG by cytotoxic lymphocytes was associated with induction of chemokines including CXCL9, CXCL10 and CXCL11 which are known to promote the recruitment of CXCR3+ immune cells. The tumour necrosis factor (TNF) superfamily members BAFF ( TNFSF13B ) and TRAIL ( TNFSF10 ) were found to be consistently upregulated in the areas with severe tissue damage. We used published spatial and single cell SARS-CoV-2 datasets to confirm our findings in the lung tissue from additional cohorts of COVID-19 patients. The resulting model of severe COVID-19 immune-mediated tissue pathology may inform future therapeutic strategies. One Sentence Summary Spatial analysis identifies IFNγ response signatures as focal to severe alveolar damage in COVID-19 pneumonitis.

Abstract Rationale People with pre-existing lung diseases like chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are more likely to get very sick from SARS-CoV-2 disease 2019 (COVID-19), but an interrogation of the immune response to COVID-19 infection, spatial throughout the lung structure is lacking in patients with COPD. Objectives To profile the immune microenvironment of lung parenchyma, airways, and vessels of never- and ever-smokers with or without COPD, whom all died of COVID-19, using spatial transcriptomic and proteomic profiling. Findings The parenchyma, airways, and vessels of COPD patients, compared to control lungs had: 1) significant enrichment for lung resident CD45RO + memory T cells; 2) downregulation of genes associated with T cell antigen-priming and memory T cell differentiation; 3) higher expression of proteins associated with SARS-CoV-2 entry and major receptor ubiquitously across the ROIs and in particular the lung parenchyma, despite similar SARS-CoV-2 structural gene expression levels. Conclusions The lung parenchyma, airways, and vessels of COPD patients have increased T-lymphocytes with a blunted memory T cell response and a more invasive SARS-CoV-2 infection pattern, and may underlie the higher death toll observed with COVID-19.