Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a mild to moderate respiratory tract infection, however, a subset of patients progress to severe disease and respiratory failure. The mechanism of protective immunity in mild forms and the pathogenesis of severe COVID-19 associated with increased neutrophil counts and dysregulated immune responses remain unclear. In a dual-center, two-cohort study, we combined single-cell RNA-sequencing and single-cell proteomics of whole-blood and peripheral-blood mononuclear cells to determine changes in immune cell composition and activation in mild versus severe COVID-19 (242 samples from 109 individuals) over time. HLA-DRhiCD11chi inflammatory monocytes with an interferon-stimulated gene signature were elevated in mild COVID-19. Severe COVID-19 was marked by occurrence of neutrophil precursors, as evidence of emergency myelopoiesis, dysfunctional mature neutrophils, and HLA-DRlo monocytes. Our study provides detailed insights into the systemic immune response to SARS-CoV-2 infection and reveals profound alterations in the myeloid cell compartment associated with severe COVID-19.

Abstract Cell-intrinsic responses mounted in vivo in PBMCs during mild and severe COVID-19 differ quantitatively and qualitatively. Whether they are triggered by signals emitted by productively infected cells of the respiratory tract or are, at least partially, resulting from physical interaction with virus particles, remains unclear. Here, we analyzed susceptibility and expression profiles of PBMCs from healthy donors upon ex vivo exposure to SARS-CoV and SARS-CoV-2. In line with the absence of detectable ACE2 receptor expression, human PBMCs were refractory to productive infection. Bulk and single cell RNA-sequencing revealed JAK/STAT-dependent induction of interferon-stimulated genes, but not pro-inflammatory cytokines. This SARS-CoV-2-specific response was most pronounced in monocytes. SARS-CoV-2-RNA-positive monocytes displayed a lower ISG signature as compared to bystander cells of the identical culture. This suggests a preferential invasion of cells with a low ISG base-line profile or delivery of a SARS-CoV-2-specific sensing antagonist upon efficient particle internalization. Together, non-productive physical interaction of PBMCs with SARS-CoV-2-but not SARS-CoV particles stimulates JAK/STAT-dependent, monocyte-accentuated innate immune responses that resemble those detected in vivo in patients with mild COVID-19.

MPOX virus (MPXV), formerly known as monkeypox virus, led to a rapidly evolving pandemic starting May 2022, with over 90,000 cases reported beyond the African continent. This pandemic outbreak was driven by the MPXV variant Clade IIb. In addition, Clade I viruses circulating in the Democratic Republic of Congo (DRC) are drawing increased attention as cases constantly rise and Clade Ib, first identified in 2023, is now co-circulating with Clade Ia and seems to exhibit enhanced human-to-human transmissibility. While most infected individuals display a self-limiting disease with singular pox-like lesions, some endure systemic viral spread leading to whole-body rash with risks for necrosis, organ loss, and death. Intra-host dissemination and cellular tropism of MPXV are largely unexplored in humans. To establish a potential susceptibility of circulating immune cells to MPXV, we exposed human PBMCs from healthy donors ex vivo to a currently circulating MPXV clade IIb virus isolate in absence and presence of IFN-α2a. qPCR of DNA extracted from cell lysates, but less from supernatants, revealed increasing MPXV DNA quantities that peaked at five to six days post-exposure, suggesting susceptibility of PBMCs to infection. IFN-α2a pretreatment markedly reduced the quantity of MPXV DNA, suggesting that infection is sensitive to type I IFNs. Plaque assays from supernatants showed that infection gave rise to de novo production of infectious MPXV. In virus-inclusive scRNA-sequencing, monocytes, cycling NK cells and regulatory CD4+ T-cells scored positive for viral RNA, suggesting that these are the MPXV-susceptible cell types within the human PBMC population. Analysis of differentially expressed genes displayed a pronounced downregulation of expression pathways driving innate immunity in MPXV-infected cells, a well-established feature of poxviral infection. Pretreatment of PBMCs with current antivirals Cidofovir and Tecovirimat resulted in reduced amounts of viral antigen production and of released infectivity, suggesting suitability of the human PBMC infection model as a platform for evaluation of current and future antivirals and justifying trials to investigate Cidofovir and Tecovirimat as drugs reducing intra-patient viral spread. Together, our data suggest that human PBMCs are productively infected by MPXV which is accompanied by significant modulation of the cellular milieu. Our results have the potential to illuminate aspects of intra-host propagation of MPXV that may involve a lymphohematogenous route for replication and/or intra-host dissemination.