In the mammalian lung, an apparently homogenous mesh of capillary vessels surrounds each alveolus, forming the vast respiratory surface across which oxygen transfers to the blood1. Here we use single-cell analysis to elucidate the cell types, development, renewal and evolution of the alveolar capillary endothelium. We show that alveolar capillaries are mosaics; similar to the epithelium that lines the alveolus, the alveolar endothelium is made up of two intermingled cell types, with complex ‘Swiss-cheese’-like morphologies and distinct functions. The first cell type, which we term the ‘aerocyte’, is specialized for gas exchange and the trafficking of leukocytes, and is unique to the lung. The other cell type, termed gCap (‘general’ capillary), is specialized to regulate vasomotor tone, and functions as a stem/progenitor cell in capillary homeostasis and repair. The two cell types develop from bipotent progenitors, mature gradually and are affected differently in disease and during ageing. This cell-type specialization is conserved between mouse and human lungs but is not found in alligator or turtle lungs, suggesting it arose during the evolution of the mammalian lung. The discovery of cell type specialization in alveolar capillaries transforms our understanding of the structure, function, regulation and maintenance of the air–blood barrier and gas exchange in health, disease and evolution. Single-cell analysis of blood vessels in the alveolus, the site of chronic disease and virus-induced lung injury, reveals two intermingled endothelial cell types with specialized gas exchange and stem cell functions.

Brain-inspired hardware emulates the structure and working principles of a biological brain and may address the hardware bottleneck for fast-growing artificial intelligence (AI). Current brain-inspired silicon chips are promising but still limit their power to fully mimic brain function for AI computing. Here, we develop Brainoware , living AI hardware that harnesses the computation power of 3D biological neural networks in a brain organoid. Brain-like 3D in vitro cultures compute by receiving and sending information via a multielectrode array. Applying spatiotemporal electrical stimulation, this approach not only exhibits nonlinear dynamics and fading memory properties but also learns from training data. Further experiments demonstrate real-world applications in solving non-linear equations. This approach may provide new insights into AI hardware.

Abstract Opioids are commonly used for treating chronic pain. However, with continued use, they may induce tolerance and/or hyperalgesia, which limits therapeutic efficacy. The human mechanisms of opioid-induced hyperalgesia are significantly understudied, in part, because current models cannot fully recapitulate human pathology. Here, we engineered novel human spinal microphysiological systems (MPSs) integrated with plug-and-play neural activity sensing for modeling human nociception and opioid-induced tolerance. Each spinal MPS consists of a flattened human spinal cord organoid derived from human stem cells and a 3D printed organoid holder device for plug-and-play neural activity measurement. We found that the flattened organoid design of MPSs not only reduces hypoxia and necrosis in the organoids, but also promotes their neuron maturation, neural activity, and functional development. We further demonstrated that prolonged opioid exposure resulted in neurochemical correlates of opioid tolerance and hyperalgesia, as measured by altered neural activity, reduced densities of glutamate transporter levels and downregulation of μ-opioid receptor expression of human spinal MPSs. The MPSs are scalable, cost-effective, easy-to-use, and compatible with commonly-used well-plates, thus allowing plug-and-play measurements of neural activity. We believe the MPSs hold a promising translational potential for studying human pain etiology, screening new treatments, and validating novel therapeutics for human pain medicine.

ABSTRACT Neutrophil elastase (NE) is implicated in pulmonary arterial hypertension (PAH) but the role of neutrophils in the pathogenesis of PAH is unclear. Here we show that neutrophils from PAH vs. control subjects produce and release increased NE associated with enhanced extracellular trap formation. PAH neutrophils are highly adherent and show decreased migration consistent with increased vinculin, identified on proteomic analysis and previously linked to an antiviral response. This was substantiated by a transcriptomic interferon signature in PAH neutrophils and an increase in human endogenous retrovirus (HERV-K) envelope protein. NE and interferon genes are induced by HERV-K envelope and vinculin is increased by HERV-K dUTPase that is elevated in PAH plasma. Neutrophil exosomes from PAH plasma contain increased NE and HERV-K envelope and induce pulmonary hypertension in mice, that is mitigated by the NE inhibitor and antiviral agent, elafin. Thus, elevated HERVs explain pathological neutrophils linked to PAH induction and progression.

Summary Congenital heart defects, the most common birth disorders, are the clinical manifestation of anomalies in fetal heart development - a complex process involving dynamic spatiotemporal coordination among various precursor cell lineages. This complexity underlies the incomplete understanding of the genetic architecture of congenital heart diseases (CHDs). To define the multi-cellular epigenomic and transcriptional landscape of cardiac cellular development, we generated single-cell chromatin accessibility maps of human fetal heart tissues. We identified eight major differentiation trajectories involving primary cardiac cell types, each associated with dynamic transcription factor (TF) activity signatures. We identified similarities and differences of regulatory landscapes of iPSC-derived cardiac cell types and their in vivo counterparts. We interpreted deep learning models that predict cell-type resolved, base-resolution chromatin accessibility profiles from DNA sequence to decipher underlying TF motif lexicons and infer the regulatory impact of non-coding variants. De novo mutations predicted to affect chromatin accessibility in arterial endothelium were enriched in CHD cases versus controls. We used CRISPR-based perturbations to validate an enhancer harboring a nominated regulatory CHD mutation, linking it to effects on the expression of a known CHD gene JARID2 . Together, this work defines the cell-type resolved cis-regulatory sequence determinants of heart development and identifies disruption of cell type-specific regulatory elements as a component of the genetic etiology of CHD.

Abstract The aging of the immune system drives systemic aging and the pathogenesis of age-related diseases. However, a significant knowledge gap remains in understanding immune-driven aging, especially in brain aging, due to the limited current in vitro models of neuro-immune interaction. Here we report the development of a human brain organoid microphysiological analysis platform (MAP) to discover the dynamic process of immune-driven brain aging. We create the organoid MAP by 3D printing that can confine organoid growth and perfuse oxygen and nutrients (and immune cells) to generate standardized human cortical organoids that promote viability, maturation, and commitment to human forebrain identity. Dynamic rocking flow is incorporated for the platform that allows us to perfuse primary monocytes from young (20 to 30-year-old) and aged (>60-year-old) donors and culture human cortical organoids for modeling and analyzing the aged immune cell interacting organoid tissues systematically. We discovered the aged monocytes had increased infiltration and promoted the expression of aging-related markers (e.g., p16 in astrocytes neighboring to monocytes) within human cortical organoids, indicating that aged monocytes may drive brain aging. We believe that our human brain organoid MAP provides promising solutions for basic research and translational applications in aging, neuroimmunological diseases, autoimmune disorders, and cancers.

Abstract Malformations of or injuries to the developing lung are associated with perinatal morbidity and mortality with lifelong consequences for subsequent pulmonary health. One fetal exposure linked with poor health outcomes is chorioamnionitis, which impacts up to 25-40% of preterm births. Severe chorioamnionitis with prematurity is associated with significantly increased risk of pulmonary disease and secondary infections in childhood, suggesting that fetal inflammation may significantly alter developmental ontogeny of the lung. To test this hypothesis, we used intra-amniotic lipopolysaccharide (LPS, endotoxin) to generate experimental chorioamnionitis in prenatal Rhesus macaque ( Macaca mulatta ), a model which shares critical structural and temporal aspects of human lung development. Inflammatory injury directly disrupts the developing gas exchange surface of the primate lung, with extensive damage to alveolar structure, particularly the close association and coordinated differentiation of alveolar type 1 pneumocytes and specialized alveolar capillary endothelium. Single cell RNA sequencing analysis defined a multicellular alveolar signaling niche driving alveologenesis which was extensively disrupted by perinatal inflammation, leading to loss of gas exchange surface and alveolar simplification similar to that found in chronic lung disease of newborns. Blockade of IL1β and TNFα ameliorated endotoxin-induced inflammatory lung injury by blunting stromal response to inflammation and modulating innate immune activation in myeloid cells, restoring structural integrity and key signaling networks in the developing alveolus. These data provide new insight into the pathophysiology of developmental lung injury and suggest that modulating inflammation is a promising therapeutic approach to prevent fetal consequences of chorioamnionitis.

To investigate the co-development of vasculature, mesenchyme, and epithelium crucial for organogenesis and the acquisition of organ-specific characteristics, we constructed a human pluripotent stem cell-derived organoid system comprising lung or intestinal epithelium surrounded by organotypic mesenchyme and vasculature. We demonstrated the pivotal role of co-differentiating mesoderm and endoderm via precise BMP regulation in generating multilineage organoids and gut tube patterning. Single-cell RNA-seq analysis revealed organ specificity in endothelium and mesenchyme, and uncovered key ligands driving endothelial specification in the lung (e.g., WNT2B and Semaphorins) or intestine (e.g., GDF15). Upon transplantation under the kidney capsule in mice, these organoids further matured and developed perfusable human-specific sub-epithelial capillaries. Additionally, our model recapitulated the abnormal endothelial-epithelial crosstalk in patients with FOXF1 deletion or mutations. Multilineage organoids provide a unique platform to study developmental cues guiding endothelial and mesenchymal cell fate determination, and investigate intricate cell-cell communications in human organogenesis and disease.BMP signaling fine-tunes the co-differentiation of mesoderm and endoderm.The cellular composition in multilineage organoids resembles that of human fetal organs.Mesenchyme and endothelium co-developed within the organoids adopt organ-specific characteristics.Multilineage organoids recapitulate abnormal endothelial-epithelial crosstalk in FOXF1-associated disorders.

Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) is one of the most challenging forms of congenital heart diseases. Previous studies were mainly focused on intrinsic defects in myocardium. However, this does not sufficiently explain the abnormal development of the cardiac valve, septum, and vasculature, known to originate from the endocardium. Here, using single-cell RNA profiling, induced pluripotent stem cells, and human fetal heart tissue with an underdeveloped left ventricle, we identified a developmentally impaired endocardial population in HLHS. The intrinsic endocardial deficits contributed to abnormal endothelial to mesenchymal transition, NOTCH signaling, and extracellular matrix organization, all of which are key factors in valve formation. Consequently, endocardial abnormalities conferred reduced proliferation and maturation of cardiomyocytes through a disrupted fibronectin-integrin interaction. Several recently described HLHS de novo mutations were associated with abnormal endocardial gene and FN1 regulation and expression. Our studies provide a rationale for considering endocardial function in future regenerative strategies for HLHS.