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.

Epidemiological studies have shown that female smokers are at higher risk of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Female patients have worse symptoms and health status and increased risk of exacerbations. We determined the differences in the transcriptome of the airway epithelium between males and females at baseline and in response to smoking. We processed public gene expression data of human airway epithelium into a discovery cohort of 211 subjects (never smokers n=68; current smokers n=143) and two replication cohorts of 104 subjects (21 never, 52 current, and 31 former smokers) and 238 subjects (99 current and 139 former smokers. We analyzed gene differential expression with smoking status, sex, and smoking-by-sex interaction and used network approaches for modules' level analyses. We identified and replicated two differentially expressed modules between the sexes in response to smoking with genes located throughout the autosomes and not restricted to sex chromosomes. The two modules were enriched in autophagy (up-regulated in female smokers) and response to virus and type 1 interferon signaling pathways which were down-regulated in female smokers compared to males. The results offer insights into the molecular mechanisms of the sexually dimorphic COPD risk and presentation potentially enabling a precision medicine approach to COPD.