SOMAscan is an aptamer-based proteomics assay capable of measuring 1,305 human protein analytes in serum, plasma, and other biological matrices with high sensitivity and specificity. In this work, we present a comprehensive meta-analysis of performance based on multiple serum and plasma runs using the current 1.3 k assay, as well as the previous 1.1 k version. We discuss normalization procedures and examine different strategies to minimize intra- and interplate nuisance effects. We implement a meta-analysis based on calibrator samples to characterize the coefficient of variation and signal-over-background intensity of each protein analyte. By incorporating coefficient of variation estimates into a theoretical model of statistical variability, we also provide a framework to enable rigorous statistical tests of significance in intervention studies and clinical trials, as well as quality control within and across laboratories. Furthermore, we investigate the stability of healthy subject baselines and determine the set of analytes that exhibit biologically stable baselines after technical variability is factored in. This work is accompanied by an interactive web-based tool, an initiative with the potential to become the cornerstone of a regularly updated, high quality repository with data sharing, reproducibility, and reusability as ultimate goals.

Summary Ebola virus (EBOV) causes epidemics with high case fatality rates, yet remains understudied due to the challenge of experimentation in high-containment and outbreak settings. To better understand EBOV infection in vivo , we used single-cell transcriptomics and CyTOF-based single-cell protein quantification to characterize peripheral immune cell activity during EBOV infection in rhesus monkeys. We obtained 100,000 transcriptomes and 15,000,000 protein profiles, providing insight into pathogenesis. We find that immature, proliferative monocyte-lineage cells with reduced antigen presentation capacity replace conventional circulating monocyte subsets within days of infection, while lymphocytes upregulate apoptosis genes and decline in abundance. By quantifying viral RNA abundance in individual cells, we identify molecular determinants of tropism and examine temporal dynamics in viral and host gene expression. Within infected cells, we observe that EBOV down-regulates STAT1 mRNA and interferon signaling, and up-regulates putative pro-viral genes (e.g., DYNLL1 and HSPA5 ), nominating cellular pathways the virus manipulates for its replication. Overall, this study sheds light on EBOV tropism, replication dynamics, and elicited immune response, and provides a framework for characterizing interactions between hosts and emerging viruses in a maximum containment setting.

Abstract Pediatric COVID-19 (pCOVID-19) is rarely severe, however a minority of SARS-CoV-2-infected children may develop MIS-C, a multisystem inflammatory syndrome with significant morbidity. In this longitudinal multi-institutional study, we used multi-omics to identify novel time- and treatment-related immunopathological signatures in children with COVID-19 (n=105) and MIS-C (n=76). pCOVID-19 was characterized by enhanced type I IFN responses, and MIS-C by type II IFN- and NF-κB dependent responses, matrisome activation, and increased levels of Spike protein. Reduced levels of IL-33 in pCOVID-19, and of CCL22 in MIS-C suggested suppression of Th2 responses. Expansion of TRBV11-2 T-cell clonotypes in MIS-C was associated with inflammation and signatures of T-cell activation, and was reversed by glucocorticoids. The association of MIS-C with the combination of HLA A*02, B*35, C*04 alleles suggests genetic susceptibility. MIS-C B cells showed higher mutation load. Use of IVIG was identified as a confounding factor in the interpretation of autoantibody levels.

Abstract Cellular stimulation via factors such as cytokines followed by multiparameter single-cell measurements is a powerful approach to interrogate cellular functions. However, transforming such high-dimensional data into biological insights presents unique challenges, particularly given the extensive response heterogeneity among single cells, such as the presence of bimodal responding versus non-responding subpopulations upon stimulation. Here we present an unsupervised h igh- d imensional approach for analyzing stim ulation responses at the single cell level ( HDStIM) and apply it to evaluate how pediatric development may shape peripheral immune cell signaling states and responsiveness to stimulations in 42 subjects (age: 2 - 16). We show that in comparison to the conventional approach of assessing one marker at a time by averaging across single cells, HDStIM can effectively learn, in an unsupervised fashion, the multi-parameter signature of responding versus non-responding cells to accurately quantify responses within cell populations. HDStIM reveals that the extent of pre-stimulation/baseline activation of interferon-related and TCR signaling molecules in myeloid and T cells, respectively, increases during puberty. This suggests that puberty is marked by a heightened “tonic” activation state in these cells, perhaps to strengthen defense against pathogens during this period of human development.

Mass cytometry is a powerful tool for high dimensional single cell characterization. Since the introduction of the first commercial CyTOF mass cytometer by DVS Sciences in 2009, mass cytometry technology has matured and become more widely utilized, with sequential platform upgrades designed to address specific limitations and to expand the capabilities of the platform. The 3rd generation Fluidigm Helios mass cytometer introduced a number of upgrades over the previous CyTOF2. One of these new features is a modified narrow bore sample injector that generates smaller ion clouds, which is expected to improve sensitivity and throughput. However, following rigorous testing we find that the narrow-bore sample injector may have unintended negative consequences on data quality and result in lower median signal intensities and higher coefficients of variation in antibody expression. We describe an alternative Helios acquisition protocol using a wider bore injector, which largely mitigates these data quality issues. We directly compare these two protocols in a multi-site study of 10 Helios instruments across 7 institutions and show that the modified protocol improves data quality and reduces inter-instrument variability. These findings highlight and address an important source of technical variability in mass cytometry experiments that is of particular relevance in the setting of multi-center studies.

To gain insight into how an adjuvant impacts vaccination responses, we use systems immunology to study human H5N1 influenza vaccination with or without the adjuvant AS03, longitudinally assessing 14 time points including multiple time points within the first day after prime and boost. We develop an unsupervised computational framework to discover high-dimensional response patterns, which uncover adjuvant- and immunogenicity-associated early response dynamics, including some that differ post prime versus boost. With or without adjuvant, some vaccine-induced transcriptional patterns persist to at least 100 days after initial vaccination. Single-cell profiling of surface proteins, transcriptomes, and chromatin accessibility implicates transcription factors in the erythroblast-transformation-specific (ETS) family as shaping these long-lasting signatures, primarily in classical monocytes but also in CD8