Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1

Abstract The current COVID-19 pandemic is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and has an enormous impact on human health and economy. In search for therapeutic options, researchers have proposed resveratrol, a food supplement with known antiviral, anti-inflammatory and anti-oxidant properties as an advantageous antiviral therapy for SARS-CoV-2 infection. Here, we provide evidence that both resveratrol and its metabolically more stable structural analog, pterostilbene, exhibit potent antiviral properties against SARS-CoV-2 in vitro . Resveratrol and pterostilbene showed antiviral activity in African green monkey kidney cells and in human primary bronchial epithelial cells cultured in an air-liquid interface system. Both compounds actively inhibit virus replication within infected cells as reduced virus progeny production was observed when the compound was added at post-inoculation conditions. Without replenishment of the compound, antiviral activity was observed up to roughly 5 rounds of replication, demonstrating the long-lasting effect of these compounds. Collectively, our data indicate that resveratrol and pterostilbene are promising antiviral compounds to treat SARS-CoV-2 infection. Because these results represent laboratory findings in cells, we advocate evaluation of these compounds in clinical trials before statements are made whether or not these drugs are advantageous for COVID-19 treatment.

Abstract Antiviral therapies are urgently needed to treat and limit the development of severe COVID-19 disease. Ivermectin, a broad-spectrum anti-parasitic agent, has been shown to have anti-SARS-CoV-2 activity in Vero cells at a concentration of 5 µM. These in vitro results triggered the investigation of ivermectin as a treatment option to alleviate COVID-19 disease. In April 2021, the World Health Organization stated, however, the following: “the current evidence on the use of ivermectin to treat COVID-19 patients is inconclusive”. It is speculated that the in vivo concentration of ivermectin is too low to exert a strong antiviral effect. Here, we performed a head-to head comparison of the antiviral activity of ivermectin and a structurally related, but metabolically more stable, moxidectin in multiple in vitro models of SARS-CoV-2 infection, including physiologically relevant human respiratory epithelial cells. Both moxidectin and ivermectin exhibited antiviral activity in Vero E6 cells. Subsequent experiments revealed that the compounds predominantly act on a step after virus cell entry. Surprisingly, however, in human airway-derived cell models, moxidectin and ivermectin failed to inhibit SARS-CoV-2 infection, even at a concentration of 10 µM. These disappointing results calls for a word of caution in the interpretation of anti-SARS-CoV-2 activity of drugs solely based on Vero cells. Altogether, these findings suggest that, even by using a high-dose regimen of ivermectin or switching to another drug in the same class are unlikely to be useful for treatment against SARS-CoV-2 in humans.

ABSTRACT Organ- and body-scale cell atlases have the potential to transform our understanding of human biology. To capture the variability present in the population, these atlases must include diverse demographics such as age and ethnicity from both healthy and diseased individuals. The growth in both size and number of single-cell datasets, combined with recent advances in computational techniques, for the first time makes it possible to generate such comprehensive large-scale atlases through integration of multiple datasets. Here, we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA) combining 46 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.2 million cells from 444 individuals across health and disease. The HLCA contains a consensus re-annotation of published and newly generated datasets, resolving under- or misannotation of 59% of cells in the original datasets. The HLCA enables recovery of rare cell types, provides consensus marker genes for each cell type, and uncovers gene modules associated with demographic covariates and anatomical location within the respiratory system. To facilitate the use of the HLCA as a reference for single-cell lung research and allow rapid analysis of new data, we provide an interactive web portal to project datasets onto the HLCA. Finally, we demonstrate the value of the HLCA reference for interpreting disease-associated changes. Thus, the HLCA outlines a roadmap for the development and use of organ-scale cell atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract In patients with asthma, respiratory syncytial virus (RSV) infections can cause disease exacerbations by infecting the epithelial layer of the airways, inducing an innate and adaptive immune response. The type-I interferon antiviral response of epithelial cells upon RSV infection is found to be reduced in asthma in most -but not all-studies. Moreover, the molecular mechanisms that cause the differences in the asthmatic bronchial epithelium in response to viral infection are poorly understood. Here, we investigated the transcriptional response to RSV infection of primary bronchial epithelial cells (pBECs) from asthma patients(n=8) and healthy donors(n=8). The pBECs obtained from bronchial brushes were differentiated in air-liquid interface conditions and infected with RSV. After three days, cells were processed for single-cell RNA sequencing. A strong antiviral response to RSV was observed for all cell types present, from both asthma patients and healthy donors. Most differentially regulated genes following RSV infection were found in cells transitioning from basal to secretory. Goblet cells from asthma patients showed lower expression of genes involved in the interferon response. In multiciliated cells, an impairment of the signaling pathways involved in the response to RSV in asthma was observed, including no enrichment of the type-III interferon response. Our results highlight that the response to RSV infection of the bronchial epithelium in asthma and healthy airways was largely similar. However, in asthma, the response of goblet and the multiciliated cells was impaired, highlighting the need for studying airway epithelial cells at high resolution in the context of asthma exacerbations. What is already know on this topic The airway epithelium response to RSV is altered in asthma. However, literature remains conflicted about the exact changes in the antiviral response, and the mechanisms causing these changes are yet to be found. What this study adds This study describes extensively the response of the bronchial epithelial cells (BECs) to RSV for both healthy subjects and asthma patients, at a single-cell resolution. It highlights the major overlap between healthy and asthma in the antiviral response to RSV. It allows the identification of specific genes and cell types that show a different behavior in response to RSV in asthma compared to healthy. How this study might affect research, practice or policy Our study indicates that goblet and multiciliated cells are the most relevant BECs to further investigate in the context of drug development for RSV-induced asthma exacerbation. It also suggests that focusing research on the cross-talk between the epithelial and the immune cells, or into investigating a potential delayed response in asthma would be the best way forward into understanding the mechanisms involved in the asthma response to RSV.