Hypoferremia is a common response to systemic infections or generalized inflammatory disorders. In mouse models, the development of hypoferremia during inflammation requires hepcidin, an iron regulatory peptide hormone produced in the liver, but the inflammatory signals that regulate hepcidin are largely unknown. Our studies in human liver cell cultures, mice, and human volunteers indicate that IL-6 is the necessary and sufficient cytokine for the induction of hepcidin during inflammation and that the IL-6–hepcidin axis is responsible for the hypoferremia of inflammation.

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.

The purpose of the present study was to test the hypothesis that a transient increase in plasma IL-6 induces an anti-inflammatory environment in humans. Therefore, young healthy volunteers received a low dose of recombinant human (rh)IL-6 or saline for 3 h. Plasma IL-6 levels during rhIL-6 infusion were ∼140 pg/ml, corresponding to the levels obtained during strenuous exercise. The infusion of rhIL-6 did not induce enhanced levels of the proinflammatory cytokine TNF-α but enhanced the plasma levels of the two anti-inflammatory cytokines IL-1 receptor agonist (IL-1ra) and IL-10 compared with saline infusion. In addition, C-reactive protein increased 3 h post-rhIL-6 infusion and was further elevated 16 h later compared with saline infusion. rhIL-6 induced increased levels of plasma cortisol and, consequently, an increase in circulating neutrophils and a decrease in the lymphocyte number without effects on plasma epinephrine, body temperature, mean arterial pressure, or heart rate. In conclusion, this study demonstrates that physiological concentrations of IL-6 induce an anti-inflammatory rather than an inflammatory response in humans and that IL-6, independently of TNF-α, enhances the levels not only of IL-1ra but also of IL-10. Furthermore, IL-6 induces an increase in cortisol and, consequently, in neutrocytosis and late lymphopenia to the same magnitude and with the same kinetics as during exercise, suggesting that muscle-derived IL-6 has a central role in exercise-induced leukocyte trafficking.

Although IL-6 is a key modulator of immune function, it also plays a role in regulating substrate metabolism. To determine whether IL-6 affects lipid metabolism, 18 healthy men were infused for 3 h with saline (Con; n = 6) or a high dose (High-rhIL6; n = 6) or a low dose (Low-rhIL6; n = 6) of recombinant human IL-6 (rhIL-6). The IL-6 concentration during Con, Low-rhIL6, and High-rhIL6 was at a steady state after 30 min of infusion at approximately 4, 140, and 320 pg/ml, respectively. Either dose of rhIL-6 was associated with a similar increase in fatty acid (FA) concentration and endogenous FA rate of appearance (Ra) from 90 min after the start of the infusion. The FA concentration and FA Ra continued to increase until the cessation of rhIL-6 infusion, reaching levels approximately 50% greater than Con values. The elevated levels reached at the end of rhIL-6 infusion persisted at least 3 h postinfusion. Triacylglycerol concentrations were unchanged during rhIL-6 infusion, whereas whole body fat oxidation increased after the second hour of rhIL-6 infusion. Of note, during Low-rhIL6, the induced elevation in FA concentration and FA Ra occurred in the absence of any change in adrenaline, insulin, or glucagon, and no adverse side effects were observed. In conclusion, the data identify IL-6 as a potent modulator of fat metabolism in humans, increasing fat oxidation and FA reesterification without causing hypertriacylglyceridemia.

The COVID-19 pandemic is an unprecedented global challenge, and point-of-care diagnostic classifiers are urgently required. Here, we present a platform for ultra-high-throughput serum and plasma proteomics that builds on ISO13485 standardization to facilitate simple implementation in regulated clinical laboratories. Our low-cost workflow handles up to 180 samples per day, enables high precision quantification, and reduces batch effects for large-scale and longitudinal studies. We use our platform on samples collected from a cohort of early hospitalized cases of the SARS-CoV-2 pandemic and identify 27 potential biomarkers that are differentially expressed depending on the WHO severity grade of COVID-19. They include complement factors, the coagulation system, inflammation modulators, and pro-inflammatory factors upstream and downstream of interleukin 6. All protocols and software for implementing our approach are freely available. In total, this work supports the development of routine proteomic assays to aid clinical decision making and generate hypotheses about potential COVID-19 therapeutic targets.

In humans, the plasma interleukin 6 (IL-6) concentration increases dramatically during low-intensity exercise. Measurements across the working limb indicate that skeletal muscle is the source of IL-6 production. To determine whether energy availability influences the regulation of IL-6 expression during prolonged exercise, six male subjects completed two trials consisting of 180 min of two-legged dynamic knee extensor with either normal or low (~60% of control) pre-exercise muscle glycogen levels. Increases in plasma IL-6 during exercise were significantly higher (P<0.05) in the low-glycogen (16-fold) trial verses the control (10-fold) trial. Transcriptional activation of the IL-6 gene in skeletal muscle was also higher in the low-glycogen trial; it increased by about 40-fold after 90 min of exercise and about 60-fold after 180 min of exercise. Muscle IL-6 mRNA followed a similar but delayed pattern, increasing by more than 100-fold in the low-glycogen trial and by about 30-fold in the control trial. These data demonstrate that exercise activates transcription of the IL-6 gene in working skeletal muscle, a response that is dramatically enhanced when glycogen levels are low. These findings also support the hypothesis that IL-6 may be produced by contracting myofibers when glycogen levels become critically low as a means of signaling the liver to increase glucose production.

COVID-19-induced "acute respiratory distress syndrome" (ARDS) is associated with prolonged respiratory failure and high mortality, but the mechanistic basis of lung injury remains incompletely understood. Here, we analyze pulmonary immune responses and lung pathology in two cohorts of patients with COVID-19 ARDS using functional single-cell genomics, immunohistology, and electron microscopy. We describe an accumulation of CD163-expressing monocyte-derived macrophages that acquired a profibrotic transcriptional phenotype during COVID-19 ARDS. Gene set enrichment and computational data integration revealed a significant similarity between COVID-19-associated macrophages and profibrotic macrophage populations identified in idiopathic pulmonary fibrosis. COVID-19 ARDS was associated with clinical, radiographic, histopathological, and ultrastructural hallmarks of pulmonary fibrosis. Exposure of human monocytes to SARS-CoV-2, but not influenza A virus or viral RNA analogs, was sufficient to induce a similar profibrotic phenotype in vitro. In conclusion, we demonstrate that SARS-CoV-2 triggers profibrotic macrophage responses and pronounced fibroproliferative ARDS.

SummaryBackgroundHeterologous vaccine regimens have been widely discussed as a way to mitigate intermittent supply shortages and to improve immunogenicity and safety of COVID-19 vaccines. We aimed to assess the reactogenicity and immunogenicity of heterologous immunisations with ChAdOx1 nCov-19 (AstraZeneca, Cambridge, UK) and BNT162b2 (Pfizer-BioNtech, Mainz, Germany) compared with homologous BNT162b2 and ChAdOx1 nCov-19 immunisation.MethodsThis is an interim analysis of a prospective observational cohort study enrolling health-care workers in Berlin (Germany) who received either homologous ChAdOx1 nCov-19 or heterologous ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 vaccination with a 10–12-week vaccine interval or homologous BNT162b2 vaccination with a 3-week vaccine interval. We assessed reactogenicity after the first and second vaccination by use of electronic questionnaires on days 1, 3, 5, and 7. Immunogenicity was measured by the presence of SARS-CoV-2-specific antibodies (full spike-IgG, S1-IgG, and RBD-IgG), by an RBD–ACE2 binding inhibition assay (surrogate SARS-CoV-2 virus neutralisation test), a pseudovirus neutralisation assay against two variants of concerns (alpha [B.1.1.7] and beta [B.1.351]), and anti-S1-IgG avidity. T-cell reactivity was measured by IFN-γ release assay.FindingsBetween Dec 27, 2020, and June 14, 2021, 380 participants were enrolled in the study, with 174 receiving homologous BNT162b2 vaccination, 38 receiving homologous ChAdOx1 nCov-19 vaccination, and 104 receiving ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 vaccination. Systemic symptoms were reported by 103 (65%, 95% CI 57·1–71·8) of 159 recipients of homologous BNT162b2, 14 (39%, 24·8–55·1) of 36 recipients of homologous ChAdOx1 nCov-19, and 51 (49%, 39·6–58·5) of 104 recipients of ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 after the booster immunisation. Median anti-RBD IgG levels 3 weeks after boost immunisation were 5·4 signal to cutoff ratio (S/co; IQR 4·8–5·9) in recipients of homologous BNT162b2, 4·9 S/co (4·3–5·6) in recipients of homologous ChAdOx1 nCov-19, and 5·6 S/co (5·1–6·1) in recipients of ChAdOx1 nCov-19– BNT162b2. Geometric mean of 50% inhibitory dose against alpha and beta variants were highest in recipients of ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 (956·6, 95% CI 835·6–1095, against alpha and 417·1, 349·3–498·2, against beta) compared with those in recipients of homologous ChAdOx1 nCov-19 (212·5, 131·2–344·4, against alpha and 48·5, 28·4–82·8, against beta; both p<0·0001) or homologous BNT162b2 (369·2, 310·7–438·6, against alpha and 72·4, 60·5–86·5, against beta; both p<0·0001). SARS-CoV-2 S1 T-cell reactivity 3 weeks after boost immunisation was highest in recipients of ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 (median IFN-γ concentration 4762 mIU/mL, IQR 2723–8403) compared with that in recipients of homologous ChAdOx1 nCov-19 (1061 mIU/mL, 599–2274, p<0·0001) and homologous BNT162b2 (2026 mIU/mL, 1459–4621, p=0·0008) vaccination.InterpretationThe heterologous ChAdOx1 nCov-19–BNT162b2 immunisation with 10–12-week interval, recommended in Germany, is well tolerated and improves immunogenicity compared with homologous ChAdOx1 nCov-19 vaccination with 10–12-week interval and BNT162b2 vaccination with 3-week interval. Heterologous prime-boost immunisation strategies for COVID-19 might be generally applicable.FundingForschungsnetzwerk der Universitätsmedizin zu COVID-19, the German Ministry of Education and Research, Zalando SE.

Abstract The clinical course of COVID-19 is variable and often unpredictable. To test the hypothesis that disease progression and inflammatory responses associate with alterations in the microbiome and metabolome, we analyzed metagenome, metabolome, cytokine, and transcriptome profiles of repeated samples from hospitalized COVID-19 patients and uninfected controls, and leveraged clinical information and post-hoc confounder analysis. Severe COVID-19 was associated with a depletion of beneficial intestinal microbes, whereas oropharyngeal microbiota disturbance was mainly linked to antibiotic use. COVID-19 severity was also associated with enhanced plasma concentrations of kynurenine and reduced levels of several other tryptophan metabolites, lysophosphatidylcholines, and secondary bile acids. Moreover, reduced concentrations of various tryptophan metabolites were associated with depletion of Faecalibacterium , and tryptophan decrease and kynurenine increase were linked to enhanced production of inflammatory cytokines. Collectively, our study identifies correlated microbiome and metabolome alterations as a potential contributor to inflammatory dysregulation in severe COVID-19.

Abstract The clinical course of the 2019 coronavirus disease (COVID-19) is variable and to a substantial degree still unpredictable, especially in persons who have neither been vaccinated nor recovered from previous infection. We hypothesized that disease progression and inflammatory responses were associated with alterations in the microbiome and metabolome. To test this, we integrated metagenome, metabolome, cytokine, and transcriptome profiles of longitudinally collected samples from hospitalized COVID-19 patients at the beginning of the pandemic (before vaccines or variants of concern) and non-infected controls, and leveraged detailed clinical information and post-hoc confounder analysis to identify robust within- and cross-omics associations. Severe COVID-19 was directly associated with a depletion of potentially beneficial intestinal microbes mainly belonging to Clostridiales, whereas oropharyngeal microbiota disturbance appeared to be mainly driven by antibiotic use. COVID-19 severity was also associated with enhanced plasma concentrations of kynurenine, and reduced levels of various other tryptophan metabolites, lysophosphatidylcholines, and secondary bile acids. Decreased abundance of Clostridiales potentially mediated the observed reduction in 5-hydroxytryptophan levels. Moreover, altered plasma levels of various tryptophan metabolites and lower abundances of Clostridiales explained significant increases in the production of IL-6, IFNγ and/or TNFα. Collectively, our study identifies correlated microbiome and metabolome alterations as a potential contributor to inflammatory dysregulation in severe COVID-19. Graphical Abstract