Macrophage and Monocyte Responses to SARS-CoV-2

Abstract

Macrophages and monocytes are integral in the initiation and resolution of antiviral processes and controllers of tissue homeostasis. While SARS-CoV-2 can impede pul-monary tissue function merely by infection, secondary immune events likely aggravate COVID-19. Both publications underlying this dissertation investigated disease severity-related responses of macrophages or monocytes to SARS-CoV-2 to gain an under-standing of detrimental host factors following infection with the newly emerged virus. Both studies followed a dual-cohort hypothesis-generating and validation framework. In the first study of this dissertation, we investigated a total of 242 peripheral blood samples of 109 donors with mild or severe COVID-19, flu-like disease, or from healthy controls. Multiparametric technologies such as single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and Cytometry by time of flight (CyTOF) revealed monocyte responses distinctly differentiating severe and mild cases. While CD14+/HLADRhi/CD83hi mono-cytes marked flu-like disease and mild COVID-19, severe COVID-19 monocytes exhib-ited a CD14+/HLA-DRlo/Calgranulinhi phenotype. Hence, peripheral CD14+ monocytes in severe COVID-19 exhibited lower levels of hallmarks of antigen presentation, antivi-ral response, and cytokine-mediated inflammation. Additionally, we measured higher CD163 expression in severe and mild COVID-19 in comparison to controls and flu-like illness, which has been used as a marker for so-called “alternative” macrophage activa-tion. In the main study of this dissertation, we investigated pulmonary macrophage re-sponses in 47 donors with COVID-19 acute respiratory distress syndrome (ARDS). CD163+ macrophage numbers were increased in lung tissues of deceased COVID-19 patients, and broncho-alveolar lavage macrophage composition was dominated by CD163+ macrophages that co-expressed LGMN macrophages (CD163/LGMN-Mφ) at early time points of the disease. Strikingly, CD163/LGMN-Mφ differentially expressed gene signatures of macrophage polarizations found in pulmonary fibrotic diseases, such as idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). Accordingly, we found radiological, histo-logical, and lung mechanical evidence of COVID-19-triggered pulmonary fibrosis. Here, we show that amongst other genes, LGMN and SPP1, but not CD163 activation, are central to fibrosis-associated gene signature enrichment. We conducted in-vitro experiments to analyze the direct response of monocytes to SARS-CoV-2 (D614G index strain), employing functional single-cell transcriptomics and mass spectroscopic proteomics. SARS-CoV-2, but not Influenza A, induced the expression of the same fibrosis-associated gene sets. Furthermore, these monocyte responses differed from those after stimulation of inflammatory and antiviral immune receptors. In summary, monocyte and macrophage phenotypes in severe COVID-19 of early vari-ants were not characterized by the expression of prototypical antiviral genes, but by calgranulin and fibrosis-associated gene modules, respectively.

Seit Beginn der COVID-19-Pandemie stellt sich die Frage, inwiefern sekundäre Immunprozesse den Lungenfunktionsverlust bei COVID-19 aggravieren. Makrophagen und deren potenzielle Vorläufer, die Monozyten, sind wichtiger Bestandteil der antiviralen Immunabwehr und Wächter der Gewebshomöostase. In den Arbeiten, die dieser Promotion zugrunde liegen, wurden daher Assoziationen von Makrophagen- und Monozyten-Phänotypen mit der Krankheitsschwere von COVID-19 analysiert. Beide Studien umfassten jeweils eine Hypothesen-generierende Phase gefolgt von einer Validierungsphase in jeweils zwei separaten Kohorten und erfolgten im ersten Jahr der Pandemie in Deutschland. In Publikation B dieser Dissertation wurden humane Leukozyten in insgesamt 242 Blut-proben von 109 Spendern mit COVID-19 untersucht. Mithilfe multiparametrischer Methoden, wie der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) und Zytometrie-mittels-Flugzeitmessung (CyTOF), konnten deutliche Unterschiede in den Monozyten-Phänotypen zwischen schweren und milden Krankheitsausprägungen detektiert werden. Milde CO-VID-19-Erkrankungen waren durch CD14+/HLA-DRhi/CD83hi-Monozyten gekennzeichnet, die Monozyten einer Vergleichsgruppe mit grippalen Infekten ähnelten. Im Gegensatz hierzu besaßen Monozyten bei schweren Verläufen prädominierend einen CD14+/HLA-DRlo/Calgranulinhi-Phänotyp mit verminderter Expression antiviraler und inflammatorischer Gene. Monozyten von COVID-19-Patienten exprimierten mehr CD163. In Publikation A wurde die Genexpression pulmonaler Makrophagen von 47 Spendern mit akutem COVID-19 Atemnotsyndrom (ARDS) mithilfe von scRNA-seq, massenspektrometrischer Proteomik sowie multiparametrischer Mikroskopie untersucht. Die Anzahl CD163-positiver Makrophagen war im Lungengewebe verstorbener COVID-19-Patienten signifikant erhöht. Ebenfalls war in frühen Krankheitsstadien ein CD163/LGMN-positiver Phänotyp der Makrophagen (Mφ) in bronchoalveolären Lavagen prädominant. Auffällig war, dass CD163/LGMN-Mφ weniger durch Expression von antiviralen oder inflammatorischen Genen gekennzeichnet waren, jedoch durch Expression von Fibrose-assoziierten Gensignaturen. Ausgeprägte Ähnlichkeiten zwischen publizierten Makrophagen-Phänotypen bei pulmonaler Fibrose im Vergleich zu CD163/LGMN-Mφ, waren wesentlich auf die Genexpression von LGMN und SPP1 zurückzuführen und - trotz hoher Expression - weniger auf CD163. Bemerkenswerterweise wurden diese Fibrose-assoziierten Signaturen gleichermaßen in vitro in primären humanen Monozyten durch SARS-CoV-2 (D614G Indexstamm) indu-ziert. Dieser Phänotyp unterschied sich deutlich von jenem nach Stimulation mit Influenza A Viren beziehungsweise nach Stimulation inflammatorischer beziehungsweise antivira-ler Immunrezeptoren. Zusammenfassend waren Makrophagen- und Monozyten-Phänotypen bei schwerem COVID-19 früher Varianten nicht durch Expression prototypischer antiviraler Gene gekennzeichnet, jedoch durch Expression von Calgranulin beziehungsweise Fibrose-assoziierten Genmodulen.