Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent for coronavirus 2019 (COVID-19) pneumonia. Little is known about the kinetics, tissue distribution, cross-reactivity, and neutralization antibody response in patients with COVID-19. Two groups of patients with RT-PCR–confirmed COVID-19 were enrolled in this study: 12 severely ill patients in intensive care units who needed mechanical ventilation and 11 mildly ill patients in isolation wards. Serial clinical samples were collected for laboratory detection. Results showed that most of the severely ill patients had viral shedding in a variety of tissues for 20–40 days after onset of disease (8/12, 66.7%), while the majority of mildly ill patients had viral shedding restricted to the respiratory tract and had no detectable virus RNA 10 days after onset (9/11, 81.8%). Mildly ill patients showed significantly lower IgM response compared with that of the severe group. IgG responses were detected in most patients in both the severe and mild groups at 9 days after onset, and remained at a high level throughout the study. Antibodies cross-reactive to SARS-CoV and SARS-CoV-2 were detected in patients with COVID-19 but not in patients with MERS. High levels of neutralizing antibodies were induced after about 10 days after onset in both severely and mildly ill patients which were higher in the severe group. SARS-CoV-2 pseudotype neutralization test and focus reduction neutralization test with authentic virus showed consistent results. Sera from patients with COVID-19 inhibited SARS-CoV-2 entry. Sera from convalescent patients with SARS or Middle East respiratory syndrome (MERS) did not. Anti–SARS-CoV-2 S and N IgG levels exhibited a moderate correlation with neutralization titers in patients' plasma. This study improves our understanding of immune response in humans after SARS-CoV-2 infection.

Abstract The emergence of the novel human coronavirus, SARS-CoV-2, causes a global COVID-19 (coronavirus disease 2019) pandemic. Here, we have characterized and compared viral populations of SARS-CoV-2 among COVID-19 patients within and across households. Our work showed an active viral replication activity in the human respiratory tract and the co-existence of genetically distinct viruses within the same host. The inter-host comparison among viral populations further revealed a narrow transmission bottleneck between patients from the same households, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Author summary In this study, we compared SARS-CoV-2 populations of 13 Chinese COVID-19 patients. Those viral populations contained a considerable proportion of viral sub-genomic messenger RNAs (sgmRNA), reflecting an active viral replication activity in the respiratory tract tissues. The comparison of 66 identified intra-host variants further showed a low viral genetic distance between intra-household patients and a narrow transmission bottleneck size. Despite the co-existence of genetically distinct viruses within the same host, most intra-host minor variants were not shared between transmission pairs, suggesting a dominated role of stochastic dynamics in both inter-host and intra-host evolutions. Furthermore, the narrow bottleneck and active viral activity in the respiratory tract show that the passage of a small number of virions can cause infection. Our data have therefore delivered a key genomic resource for the SARS-CoV-2 transmission research and enhanced our understanding of the evolutionary dynamics of SARS-CoV-2.