The simultaneous measurement of multiple modalities represents an exciting frontier for single-cell genomics and necessitates computational methods that can define cellular states based on multimodal data. Here, we introduce "weighted-nearest neighbor" analysis, an unsupervised framework to learn the relative utility of each data type in each cell, enabling an integrative analysis of multiple modalities. We apply our procedure to a CITE-seq dataset of 211,000 human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) with panels extending to 228 antibodies to construct a multimodal reference atlas of the circulating immune system. Multimodal analysis substantially improves our ability to resolve cell states, allowing us to identify and validate previously unreported lymphoid subpopulations. Moreover, we demonstrate how to leverage this reference to rapidly map new datasets and to interpret immune responses to vaccination and coronavirus disease 2019 (COVID-19). Our approach represents a broadly applicable strategy to analyze single-cell multimodal datasets and to look beyond the transcriptome toward a unified and multimodal definition of cellular identity.

There is an urgent need to better understand the pathophysiology of Coronavirus disease 2019 (COVID-19), the global pandemic caused by SARS-CoV-2, which has infected more than three million people worldwide1. Approximately 20% of patients with COVID-19 develop severe disease and 5% of patients require intensive care2. Severe disease has been associated with changes in peripheral immune activity, including increased levels of pro-inflammatory cytokines3,4 that may be produced by a subset of inflammatory monocytes5,6, lymphopenia7,8 and T cell exhaustion9,10. To elucidate pathways in peripheral immune cells that might lead to immunopathology or protective immunity in severe COVID-19, we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to profile peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from seven patients hospitalized for COVID-19, four of whom had acute respiratory distress syndrome, and six healthy controls. We identify reconfiguration of peripheral immune cell phenotype in COVID-19, including a heterogeneous interferon-stimulated gene signature, HLA class II downregulation and a developing neutrophil population that appears closely related to plasmablasts appearing in patients with acute respiratory failure requiring mechanical ventilation. Importantly, we found that peripheral monocytes and lymphocytes do not express substantial amounts of pro-inflammatory cytokines. Collectively, we provide a cell atlas of the peripheral immune response to severe COVID-19. Single-cell transcriptomic analysis identifies changes in peripheral immune cells in seven hospitalized patients with COVID-19, including HLA class II downregulation, a heterogeneous interferon-stimulated gene signature and low pro-inflammatory cytokine gene expression in monocytes and lymphocytes.

Background No effective pharmacotherapy for acute respiratory distress syndrome (ARDS) exists, and mortality remains high. Preclinical studies support the efficacy of mesenchymal stem (stromal) cells (MSCs) in the treatment of lung injury. We aimed to test the safety of a single dose of allogeneic bone marrow-derived MSCs in patients with moderate-to-severe ARDS. Methods The STem cells for ARDS Treatment (START) trial was a multicentre, open-label, dose-escalation, phase 1 clinical trial. Patients were enrolled in the intensive care units at University of California, San Francisco, CA, USA, Stanford University, Stanford, CA, USA, and Massachusetts General Hospital, Boston, MA, USA, between July 8, 2013, and Jan 13, 2014. Patients were included if they had moderate-to-severe ARDS as defined by the acute onset of the need for positive pressure ventilation by an endotracheal or tracheal tube, a PaO2:FiO2 less than 200 mm Hg with at least 8 cm H2O positive end-expiratory airway pressure (PEEP), and bilateral infiltrates consistent with pulmonary oedema on frontal chest radiograph. The first three patients were treated with low dose MSCs (1 million cells/kg predicted bodyweight [PBW]), the next three patients received intermediate dose MSCs (5 million cells/kg PBW), and the final three patients received high dose MSCs (10 million cells/kg PBW). Primary outcomes included the incidence of prespecified infusion-associated events and serious adverse events. The trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT01775774. Findings No prespecified infusion-associated events or treatment-related adverse events were reported in any of the nine patients. Serious adverse events were subsequently noted in three patients during the weeks after the infusion: one patient died on study day 9, one patient died on study day 31, and one patient was discovered to have multiple embolic infarcts of the spleen, kidneys, and brain that were age-indeterminate, but thought to have occurred before the MSC infusion based on MRI results. None of these severe adverse events were thought to be MSC-related. Interpretation A single intravenous infusion of allogeneic, bone marrow-derived human MSCs was well tolerated in nine patients with moderate to severe ARDS. Based on this phase 1 experience, we have proceeded to phase 2 testing of MSCs for moderate to severe ARDS with a primary focus on safety and secondary outcomes including respiratory, systemic, and biological endpoints. Funding The National Heart, Lung, and Blood Institute.

Background Precision medicine approaches that target patients on the basis of disease subtype have transformed treatment approaches to cancer, asthma, and other heterogeneous syndromes. Two distinct subphenotypes of acute respiratory distress syndrome (ARDS) have been identified in three US-based clinical trials, and these subphenotypes respond differently to positive end-expiratory pressure and fluid management. We aimed to investigate whether these subphenotypes exist in non-US patient populations and respond differently to pharmacotherapies. Methods HARP-2 was a multicentre, randomised controlled trial of simvastatin (80 mg) versus placebo done in general intensive care units (ICUs) at 40 hospitals in the UK and Ireland within 48 h of onset of ARDS. The primary outcome was ventilator-free days, and secondary outcomes included non-pulmonary organ failure-free days and mortality. In a secondary analysis of HARP-2, we applied latent class analysis to baseline data without consideration of outcomes to identify subphenotypes, and we compared clinical outcomes across subphenotypes and treatment groups. Findings 540 patients were recruited to HARP-2. One patient withdrew consent for the use of their data, so data from 539 patients were analysed. In our secondary analysis, a two-class (two subphenotype) model was an improvement over a one-class model (p<0·0001), with 353 (65%) patients in the hypoinflammatory subphenotype group and 186 (35%) in the hyperinflammatory subphenotype group. Additional classes did not improve model fit. Clinical and biological characteristics of the two subphenotypes were similar to previous studies. Patients with the hyperinflammatory subphenotype had fewer ventilator-free days (median 2 days [IQR 0–17] vs 18 [IQR 0–23]; p<0·0001), fewer non-pulmonary organ failure-free days (15 [0–25] vs 27 [21–28]; p<0·0001), and higher 28-day mortality (73 [39%] vs 59 [17%]; p<0·0001) than did those with the hypoinflammatory subphenotype. Although HARP-2 found no difference in 28-day survival between placebo and simvastatin, significantly different survival was identified across patients stratified by treatment and subphenotype (p<0·0001). Specifically, within the hyperinflammatory subphenotype, patients treated with simvastatin had significantly higher 28-day survival than did those given placebo (p=0·008). A similar pattern was observed for 90-day survival. Interpretation Two subphenotypes of ARDS were identified in the HARP-2 cohort, with distinct clinical and biological features and disparate clinical outcomes. The hyperinflammatory subphenotype had improved survival with simvastatin compared with placebo. These findings support further pursuit of predictive enrichment strategies in critical care clinical trials. Funding UK Efficacy and Mechanism Evaluation Programme and National Institutes of Health.

Treatment with bone-marrow-derived mesenchymal stromal cells (MSCs) has shown benefits in preclinical models of acute respiratory distress syndrome (ARDS). Safety has not been established for administration of MSCs in critically ill patients with ARDS. We did a phase 2a trial to assess safety after administration of MSCs to patients with moderate to severe ARDS.We did a prospective, double-blind, multicentre, randomised trial to assess treatment with one intravenous dose of MSCs compared with placebo. We recruited ventilated patients with moderate to severe ARDS (ratio of partial pressure of oxygen to fractional inspired oxygen <27 kPa and positive end-expiratory pressure [PEEP] ≥8 cm H2O) in five university medical centres in the USA. Patients were randomly assigned 2:1 to receive either 10 × 106/kg predicted bodyweight MSCs or placebo, according to a computer-generated schedule with a variable block design and stratified by site. We excluded patients younger than 18 years, those with trauma or moderate to severe liver disease, and those who had received cancer treatment in the previous 2 years. The primary endpoint was safety and all analyses were done by intention to treat. We also measured biomarkers in plasma. MSC viability was tested in a post-hoc analysis. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT02097641.From March 24, 2014, to Feb 9, 2017 we screened 1038 patients, of whom 60 were eligible for and received treatment. No patient experienced any of the predefined MSC-related haemodynamic or respiratory adverse events. One patient in the MSC group died within 24 h of MSC infusion, but death was judged to be probably unrelated. 28-day mortality did not differ between the groups (30% in the MSC group vs 15% in the placebo group, odds ratio 2·4, 95% CI 0·5-15·1). At baseline, the MSC group had numerically higher mean scores than the placebo group for Acute Physiology and Chronic Health Evaluation III (APACHE III; 104 [SD 31] vs 89 [33]), minute ventilation (11·1 [3·2] vs 9·6 [2·4] L/min), and PEEP (12·4 [3·7] vs 10·8 [2·6] cm H2O). After adjustment for APACHE III score, the hazard ratio for mortality at 28 days was 1·43 (95% CI 0·40-5·12, p=0·58). Viability of MSCs ranged from 36% to 85%.One dose of intravenous MSCs was safe in patients with moderate to severe ARDS. Larger trials are needed to assess efficacy, and the viability of MSCs must be improved.National Heart, Lung, and Blood Institute.

Despite advances in clinical management, there are currently no reliable diagnostic and therapeutic targets for acute respiratory distress syndrome (ARDS). The inflammasome/caspase-1 pathway regulates the maturation and secretion of proinflammatory cytokines (e.g., IL-18). IL-18 is associated with injury in animal models of systemic inflammation.We sought to determine the contribution of the inflammasome pathway in experimental acute lung injury and human ARDS.We performed comprehensive gene expression profiling on peripheral blood from patients with critical illness. Gene expression changes were assessed using real-time polymerase chain reaction, and IL-18 levels were measured in the plasma of the critically ill patients. Wild-type mice or mice genetically deficient in IL-18 or caspase-1 were mechanically ventilated using moderate tidal volume (12 ml/kg). Lung injury parameters were assessed in lung tissue, serum, and bronchoalveolar lavage fluid.In mice, mechanical ventilation enhanced IL-18 levels in the lung, serum, and bronchoalveolar lavage fluid. IL-18-neutralizing antibody treatment, or genetic deletion of IL-18 or caspase-1, reduced lung injury in response to mechanical ventilation. In human patients with ARDS, inflammasome-related mRNA transcripts (CASP1, IL1B, and IL18) were increased in peripheral blood. In samples from four clinical centers, IL-18 was elevated in the plasma of patients with ARDS (sepsis or trauma-induced ARDS) and served as a novel biomarker of intensive care unit morbidity and mortality.The inflammasome pathway and its downstream cytokines play critical roles in ARDS development.

Illness severity in COVID-19 correlates with specificity of serological responses, but antibody levels decrease in most patients.

A molecular signature, derived from integrated analysis of clinical data, the metabolome, and the proteome in prospective human studies, improved the prediction of death in patients with sepsis, potentially identifying a subset of patients who merit intensive treatment.

Mitochondrial DNA (mtDNA) is a critical activator of inflammation and the innate immune system. However, mtDNA level has not been tested for its role as a biomarker in the intensive care unit (ICU). We hypothesized that circulating cell-free mtDNA levels would be associated with mortality and improve risk prediction in ICU patients.Analyses of mtDNA levels were performed on blood samples obtained from two prospective observational cohort studies of ICU patients (the Brigham and Women's Hospital Registry of Critical Illness [BWH RoCI, n = 200] and Molecular Epidemiology of Acute Respiratory Distress Syndrome [ME ARDS, n = 243]). mtDNA levels in plasma were assessed by measuring the copy number of the NADH dehydrogenase 1 gene using quantitative real-time PCR. Medical ICU patients with an elevated mtDNA level (≥3,200 copies/µl plasma) had increased odds of dying within 28 d of ICU admission in both the BWH RoCI (odds ratio [OR] 7.5, 95% CI 3.6-15.8, p = 1×10(-7)) and ME ARDS (OR 8.4, 95% CI 2.9-24.2, p = 9×10(-5)) cohorts, while no evidence for association was noted in non-medical ICU patients. The addition of an elevated mtDNA level improved the net reclassification index (NRI) of 28-d mortality among medical ICU patients when added to clinical models in both the BWH RoCI (NRI 79%, standard error 14%, p<1×10(-4)) and ME ARDS (NRI 55%, standard error 20%, p = 0.007) cohorts. In the BWH RoCI cohort, those with an elevated mtDNA level had an increased risk of death, even in analyses limited to patients with sepsis or acute respiratory distress syndrome. Study limitations include the lack of data elucidating the concise pathological roles of mtDNA in the patients, and the limited numbers of measurements for some of biomarkers.Increased mtDNA levels are associated with ICU mortality, and inclusion of mtDNA level improves risk prediction in medical ICU patients. Our data suggest that mtDNA could serve as a viable plasma biomarker in medical ICU patients.