SARS-CoV-2 has caused the COVID-19 pandemic. There is an urgent need for physiological models to study SARS-CoV-2 infection using human disease-relevant cells. COVID-19 pathophysiology includes respiratory failure but involves other organ systems including gut, liver, heart, and pancreas. We present an experimental platform comprised of cell and organoid derivatives from human pluripotent stem cells (hPSCs). A Spike-enabled pseudo-entry virus infects pancreatic endocrine cells, liver organoids, cardiomyocytes, and dopaminergic neurons. Recent clinical studies show a strong association with COVID-19 and diabetes. We find that human pancreatic beta cells and liver organoids are highly permissive to SARS-CoV-2 infection, further validated using adult primary human islets and adult hepatocyte and cholangiocyte organoids. SARS-CoV-2 infection caused striking expression of chemokines, as also seen in primary human COVID-19 pulmonary autopsy samples. hPSC-derived cells/organoids provide valuable models for understanding the cellular responses of human tissues to SARS-CoV-2 infection and for disease modeling of COVID-19.

Type 1 diabetes (T1D) is the result of an autoimmune destruction of pancreatic β cells. The cellular and molecular defects that cause the disease remain unknown. Pluripotent cells generated from patients with T1D would be useful for disease modeling. We show here that induced pluripotent stem (iPS) cells can be generated from patients with T1D by reprogramming their adult fibroblasts with three transcription factors (OCT4, SOX2, KLF4). T1D-specific iPS cells, termed DiPS cells, have the hallmarks of pluripotency and can be differentiated into insulin-producing cells. These results are a step toward using DiPS cells in T1D disease modeling, as well as for cell replacement therapy.

There is an urgent need to create novel models using human disease-relevant cells to study severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) biology and to facilitate drug screening. Here, as SARS-CoV-2 primarily infects the respiratory tract, we developed a lung organoid model using human pluripotent stem cells (hPSC-LOs). The hPSC-LOs (particularly alveolar type-II-like cells) are permissive to SARS-CoV-2 infection, and showed robust induction of chemokines following SARS-CoV-2 infection, similar to what is seen in patients with COVID-19. Nearly 25% of these patients also have gastrointestinal manifestations, which are associated with worse COVID-19 outcomes1. We therefore also generated complementary hPSC-derived colonic organoids (hPSC-COs) to explore the response of colonic cells to SARS-CoV-2 infection. We found that multiple colonic cell types, especially enterocytes, express ACE2 and are permissive to SARS-CoV-2 infection. Using hPSC-LOs, we performed a high-throughput screen of drugs approved by the FDA (US Food and Drug Administration) and identified entry inhibitors of SARS-CoV-2, including imatinib, mycophenolic acid and quinacrine dihydrochloride. Treatment at physiologically relevant levels of these drugs significantly inhibited SARS-CoV-2 infection of both hPSC-LOs and hPSC-COs. Together, these data demonstrate that hPSC-LOs and hPSC-COs infected by SARS-CoV-2 can serve as disease models to study SARS-CoV-2 infection and provide a valuable resource for drug screening to identify candidate COVID-19 therapeutics. The use of lung and colonic organoid systems to assess the susceptibility of lung and gut cells to SARS-CoV-2 and to screen FDA-approved drugs that have antiviral activity against SARS-CoV-2 is demonstrated.

Chemically defined medium (CDM) conditions for controlling human embryonic stem cell (hESC) fate will not only facilitate the practical application of hESCs in research and therapy but also provide an excellent system for studying the molecular mechanisms underlying self-renewal and differentiation, without the multiple unknown and variable factors associated with feeder cells and serum. Here we report a simple CDM that supports efficient self-renewal of hESCs grown on a Matrigel-coated surface over multiple passages. Expanded hESCs under such conditions maintain expression of multiple hESC-specific markers, retain the characteristic hESC morphology, possess a normal karyotype in vitro , as well as develop teratomas in vivo . Additionally, several growth factors were found to selectively induce monolayer differentiation of hESC cultures toward neural, definitive endoderm/pancreatic and early cardiac muscle cells, respectively, in our CDM conditions. Therefore, this CDM condition provides a basic platform for further characterization of hESC self-renewal and directed differentiation, as well as the development of novel therapies.

An essential step for therapeutic and research applications of stem cells is the ability to differentiate them into specific cell types. Endodermal cell derivatives, including lung, liver, and pancreas, are of interest for regenerative medicine, but efforts to produce these cells have been met with only modest success. In a screen of 4000 compounds, two cell-permeable small molecules were indentified that direct differentiation of ESCs into the endodermal lineage. These compounds induce nearly 80% of ESCs to form definitive endoderm, a higher efficiency than that achieved by Activin A or Nodal, commonly used protein inducers of endoderm. The chemically induced endoderm expresses multiple endodermal markers, can participate in normal development when injected into developing embryos, and can form pancreatic progenitors. The application of small molecules to differentiate mouse and human ESCs into endoderm represents a step toward achieving a reproducible and efficient production of desired ESC derivatives.

With the goal of modeling human disease of the large intestine, we sought to develop an effective protocol for deriving colonic organoids (COs) from differentiated human embryonic stem cells (hESCs) or induced pluripotent stem cells (iPSCs). Extensive gene and immunohistochemical profiling confirmed that the derived COs represent colon rather than small intestine, containing stem cells, transit-amplifying cells, and the expected spectrum of differentiated cells, including goblet and endocrine cells. We applied this strategy to iPSCs derived from patients with familial adenomatous polyposis (FAP-iPSCs) harboring germline mutations in the WNT-signaling-pathway-regulator gene encoding APC, and we generated COs that exhibit enhanced WNT activity and increased epithelial cell proliferation, which we used as a platform for drug testing. Two potential compounds, XAV939 and rapamycin, decreased proliferation in FAP-COs, but also affected cell proliferation in wild-type COs, which thus limits their therapeutic application. By contrast, we found that geneticin, a ribosome-binding antibiotic with translational 'read-through' activity, efficiently targeted abnormal WNT activity and restored normal proliferation specifically in APC-mutant FAP-COs. These studies provide an efficient strategy for deriving human COs, which can be used in disease modeling and drug discovery for colorectal disease.