Cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. We provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs) to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium.We reprocessed human control single-cell RNA sequencing (scRNAseq) data from 6 datasets. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by fluorescent microscopy and in situ hybridization. scRNAseq of primary lung ECs cultured in vitro was performed. The signaling network between different lung cell types was studied. For cross-species analysis or disease relevance, we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs or from human lungs with pulmonary hypertension.Six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify >15 000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including panendothelial, panvascular, and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial, and venous ECs, we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC, we identified 2 previously indistinguishable populations: pulmonary-venous ECs (COL15A1neg) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1pos) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary ECs, we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1, and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all 6 endothelial cell types, including the systemic-venous ECs and aerocytes, are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. scRNAseq of commercially available primary lung ECs demonstrated a loss of their native lung phenotype in culture. scRNAseq revealed that endothelial diversity is maintained in pulmonary hypertension. Our article is accompanied by an online data mining tool (www.LungEndothelialCellAtlas.com).Our integrated analysis provides a comprehensive and well-crafted reference atlas of ECs in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract 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 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

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 Childhood-onset asthma is characterized by Type 2-inflammation and airway wall remodeling, but mechanisms of asthma development in the first years of life remain unclear. Here, we investigate transcriptional changes in airway wall biopsies of 22 symptomatic one year old children and relate these to asthma at school age. We demonstrate that pre-asthmatic children (n = 10) overexpressed a gene signature characteristic for an airway epithelial differentiation trajectory via hillock cells towards squamous cells (adjusted p-value 8.06e-16), whilst there was no association with gene signatures of Type 2-inflammation or eosinophil activation. Genes expressed along this trajectory are linked to an altered epithelial barrier function, innate immune activation and extracellular matrix remodeling. Functional GWAS analysis supports a causal link between childhood-onset, but not adult-onset asthma, and the hillock-squamous cell differentiation trajectory. Next, we confirmed the presence of hillock-like cells at the RNA and protein level in pediatric upper and lower airway samples. These findings identify a novel mechanism by which an aberrant airway epithelial differentiation trajectory may contribute to a pre-asthmatic state, highlighting the difference between the early origins of childhood-onset asthma and adult asthma, and point to possible new targets for the early diagnosis and treatment of asthma in the first two years of life. One Sentence Summary RNA sequencing in bronchial biopsies from wheezing infants and children < 2 years shows evidence for an airway epithelial hillock-to-squamous differentiation pathway that marks the development of asthma.

Abstract Background IL-33 can activate Th2 cells after binding to the IL-1RL1/IL-1RAcP receptor. However, it is unknown whether disease or genetic make-up regulate IL33 responsiveness of Th2 cells. Objective We investigated whether IL-1RL1 asthma risk haplotypes or asthma status influence IL-33-induced Th2 transcriptomic responses in vitro . Methods CD4 + T cells from 16 asthma patients and matched controls, stratified for IL-1RL1 haplotype, were differentiated into Th2 effector cells, and re-stimulated in the presence or absence of IL-33, followed by RNA-sequencing and differential gene expression analysis. Association of IL-33-induced gene signatures with clinical parameters was tested in U-BIOPRED sputum transcriptomic data. Results Presence of IL-33 during Th2 cell re-stimulation results in extensive changes in gene expression, affecting a large proportion of the activated Th2 cell transcriptome. IL-33 induced more genes in Th2 cells from donors with asthma than in controls. However, the IL-33 effects were strongest in Th2 cells carrying the IL-1RL1 risk haplotype, as evidenced by a significantly increased effect size compared to controls. A gene signature of IL-33 induced genes in Th2 cells showed a strong positive correlation with macrophage counts and pauci-granulocytic asthma in sputum transcriptomic data from the U-BIOPRED study. Conclusion The risk IL-1RL1 haplotype strongly increases the sensitivity of Th2 effector cell for IL-33-mediated regulation of gene expression, while asthma status has an independent effect. The IL-33 gene signature was not associated with type-2 high or eosinophilic asthma in sputum transcriptomic data from U-BIOPRED. Clinical Outcome Cellular sensitivity to IL-33 depends on genetic makeup and asthma disease status. Capsule summary IL-33 strongly alters gene expression of activated Th2 cells, dependent on asthma disease status and IL-1RL1 risk haplotype. IL-33 driven gene signature in sputum transcriptomic data identifies pauci-granulocytic asthma.

Inflammation is a biological phenomenon involved in a wide variety of physiological and pathological processes. Although a controlled inflammatory response is beneficial for restoring homeostasis, it can become unfavorable if dysregulated. In recent years, major progress has been made in characterizing acute and chronic inflammation in specific diseases. However, a global, holistic understanding of inflammation is still elusive. This is particularly intriguing, considering the crucial function of inflammation for human health and its potential for modern medicine if fully deciphered. Here, we leverage advances in the field of single-cell genomics to delineate the full spectrum of circulating immune cell activation underlying inflammatory processes during infection, immune-mediated inflammatory diseases and cancer. Our single-cell atlas of >2 million peripheral blood mononuclear cells from 356 patients and 18 diseases allowed us to learn a foundation model of inflammation in circulating immune cells. The atlas expanded our current knowledge of the biology of inflammation of acute (e.g. inflammatory bowel disease, sepsis) and chronic (e.g. cirrhosis, asthma, and chronic obstructive pulmonary disease) disease processes and laid the foundation to develop a precision medicine framework using unsupervised as well as explainable machine learning. Beyond a disease-centered classification, we charted altered activity of inflammatory molecules in peripheral blood cells, depicting functional biomarkers to further understand mechanisms of inflammation. Finally, we have laid the groundwork for developing precision medicine diagnostic tools for patients experiencing severe acute or chronic inflammation by learning a classifier for inflammatory diseases, presenting cells in circulation as a powerful resource for patient stratification.

Human lungs enable efficient gas exchange, and form an interface with the environment which depends on mucosal immunity for protection against infectious agents. Tightly controlled interactions between structural and immune cells are required to maintain lung homeostasis. Here, we use single cell transcriptomics to chart the cellular landscape of upper and lower airways and lung parenchyma in health. We report location-dependent airway epithelial cell states, and a novel subset of tissue-resident memory T cells. In lower airways of asthma patients, mucous cell hyperplasia is shown to stem from a novel mucous ciliated cell state, as well as goblet cell hyperplasia. We report presence of pathogenic effector Th2 cells in asthma, and find evidence for type-2 cytokines in maintaining the altered epithelial cell states. Unbiased analysis of cell-cell interactions identify a shift from airway structural cell communication in health to a Th2-dominated interactome in asthma.

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.

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.

Rationale: Severe asthma and COPD share common pathophysiologic traits such as relative corticosteroid insensitivity. We recently published three transcriptome-associated clusters (TACs) using hierarchical analysis of the sputum transcriptome in asthmatics from the U-BIOPRED cohort with one Type 2-high signature (TAC1) and 2 Type 2-low signatures. Objective: We examined whether gene expression signatures obtained in asthma can be used to identify subgroup of COPD patients with steroid sensitivity. Methods: Using gene set variation analysis (GSVA), we examined the distribution and enrichment scores (ES) of the 3 TACs in the transcriptome of bronchial biopsies from 46 patients who participated in the GLUCOLD COPD study that received 30 months of treatment with inhaled corticosteroids (ICS) with and without an added long-acting b-agonist (LABA). The identified signatures were then associated to longitudinal clinical variables after treatment. Measurements and main results: Bronchial biopsies in COPD patients at baseline showed a wide range of expression of the 3 TACs. After ICS+/-LABA treatment, the ES of TAC1 was significantly reduced at 30 months, but those of TAC2 and TAC3 were unaffected. A corticosteroid-sensitive TAC1 (sub)signature was developed from the TAC1 ICS-responsive genes. This signature consisted of mast cell specific genes identified by single-cell RNA seq, and positively correlated with bronchial biopsy mast cell numbers following ICS+/-LABA. Baseline levels of gene transcription predicted change in FEV1 %predicted following 30 month ICS+/-LABA . Conclusions: Sputum-derived transcriptomic signatures from an asthma cohort can be recapitulated in bronchial biopsies of COPD patients and identified airway wall mast cells as a predictor of those COPD patients who will benefit from inhaled corticosteroids.