Abstract Lung regeneration deteriorates with aging leading to increased susceptibility to pathologic conditions, including fibrosis. Here, we investigated bleomycin-induced lung injury responses in young and aged mice at single-cell resolution to gain insights into the cellular and molecular contributions of aging to fibrosis. Analysis of 52,542 cells in young (8 weeks) and aged (72 weeks) mice identified 15 cellular clusters, many of which exhibited distinct injury responses that associated with age. We identified Pdgfra + alveolar fibroblasts as a major source of collagen expression following bleomycin challenge, with those from aged lungs exhibiting a more persistent activation compared to young ones. We also observed age-associated transcriptional abnormalities affecting lung progenitor cells, including ATII pneumocytes and general capillary (gCap) endothelial cells (ECs). Transcriptional analysis combined with lineage tracing identified a sub-population of gCap ECs marked by the expression of Tropomyosin Receptor Kinase B (TrkB) that appeared in bleomycin-injured lungs and accumulated with aging. This newly emerged TrkB + EC population expressed common gCap EC markers but also exhibited a distinct gene expression signature associated with aberrant YAP/TAZ signaling, mitochondrial dysfunction, and hypoxia. Finally, we defined ACKR1 + venous ECs that exclusively emerged in injured lungs of aged animals and were closely associated with areas of collagen deposition and inflammation. Immunostaining and FACS analysis of human IPF lungs demonstrated that ACKR1 + venous ECs were dominant cells within the fibrotic regions and accumulated in areas of myofibroblast aggregation. Together, these data provide high-resolution insights into the impact of aging on lung cell adaptability to injury responses.

Abstract Understanding the dynamic pathogenesis and treatment response in pulmonary diseases requires probing the lung at cellular resolution in real-time. Despite recent progress in intravital imaging, optical imaging of the lung during active respiration and circulation has remained challenging. Here, we introduce the crystal ribcage: a transparent ribcage that (i) allows truly multiscale optical imaging of the lung in health and disease from whole-organ to single cell, (ii) enables the modulation of lung biophysics and immunity through intravascular, intrapulmonary, intraparenchymal, and optogenetic interventions, and (iii) preserves the 3-D architecture, air-liquid interface, cellular diversity, and respiratory-circulatory functions of the lung. Utilizing these unprecedented capabilities on murine models of primary and metastatic lung tumors, respiratory infection, pulmonary fibrosis, emphysema, and acute lung injury we probed how disease progression remodels the respiratory-circulatory functions at the single alveolus and capillary levels. In cancer, we identified the earliest stage of tumorigenesis that compromises alveolar and capillary functions, a key state with consequences on tumor progression and treatment response. In pneumonia, we mapped mutual links between the recruited immune cells and the alveolar-capillary functions. We found that neutrophil migration is strongly and reversibly responsive to vascular pressure with implications for understanding of how lung physiology, altered by disease and anatomical location, affects immune cell activities. The crystal ribcage and its broad applications presented here will facilitate further studies of real-time remodeling of the alveoli and capillaries during pathogenesis of nearly any pulmonary disease, leading to the identification of new targets for treatment strategies.