We previously reported high-throughput RNA sequencing analyses that identified heightened expression of the chromatin architectural factor High Mobility Group AT-hook 1 (HMGA1) in pulmonary arterial endothelial cells (PAECs) from patients who had idiopathic pulmonary arterial hypertension (PAH) in comparison with controls. Because HMGA1 promotes epithelial-to-mesenchymal transition in cancer, we hypothesized that increased HMGA1 could induce transition of PAECs to a smooth muscle (SM)-like mesenchymal phenotype (endothelial-to-mesenchymal transition), explaining both dysregulation of PAEC function and possible cellular contribution to the occlusive remodeling that characterizes advanced idiopathic PAH.We documented increased HMGA1 in PAECs cultured from idiopathic PAH versus donor control lungs. Confocal microscopy of lung explants localized the increase in HMGA1 consistently to pulmonary arterial endothelium, and identified many cells double-positive for HMGA1 and SM22α in occlusive and plexogenic lesions. Because decreased expression and function of bone morphogenetic protein receptor 2 (BMPR2) is observed in PAH, we reduced BMPR2 by small interfering RNA in control PAECs and documented an increase in HMGA1 protein. Consistent with transition of PAECs by HMGA1, we detected reduced platelet endothelial cell adhesion molecule 1 (CD31) and increased endothelial-to-mesenchymal transition markers, αSM actin, SM22α, calponin, phospho-vimentin, and Slug. The transition was associated with spindle SM-like morphology, and the increase in αSM actin was largely reversed by joint knockdown of BMPR2 and HMGA1 or Slug. Pulmonary endothelial cells from mice with endothelial cell-specific loss of Bmpr2 showed similar gene and protein changes.Increased HMGA1 in PAECs resulting from dysfunctional BMPR2 signaling can transition endothelium to SM-like cells associated with PAH.

In familial pulmonary arterial hypertension (FPAH), the autosomal dominant disease-causing BMPR2 mutation is only 20% penetrant, suggesting that genetic variation provides modifiers that alleviate the disease. Here, we used comparison of induced pluripotent stem cell-derived endothelial cells (iPSC-ECs) from three families with unaffected mutation carriers (UMCs), FPAH patients, and gender-matched controls to investigate this variation. Our analysis identified features of UMC iPSC-ECs related to modifiers of BMPR2 signaling or to differentially expressed genes. FPAH-iPSC-ECs showed reduced adhesion, survival, migration, and angiogenesis compared to UMC-iPSC-ECs and control cells. The "rescued" phenotype of UMC cells was related to an increase in specific BMPR2 activators and/or a reduction in inhibitors, and the improved cell adhesion could be attributed to preservation of related signaling. The improved survival was related to increased BIRC3 and was independent of BMPR2. Our findings therefore highlight protective modifiers for FPAH that could help inform development of future treatment strategies.

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.

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 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.

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.