Human lung single-cell atlas reveals the complexity and diversity of aberrant cellular populations in pulmonary fibrosis.

Cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. We provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs) to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium.We reprocessed human control single-cell RNA sequencing (scRNAseq) data from 6 datasets. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by fluorescent microscopy and in situ hybridization. scRNAseq of primary lung ECs cultured in vitro was performed. The signaling network between different lung cell types was studied. For cross-species analysis or disease relevance, we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs or from human lungs with pulmonary hypertension.Six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify >15 000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including panendothelial, panvascular, and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial, and venous ECs, we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC, we identified 2 previously indistinguishable populations: pulmonary-venous ECs (COL15A1neg) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1pos) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary ECs, we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1, and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all 6 endothelial cell types, including the systemic-venous ECs and aerocytes, are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. scRNAseq of commercially available primary lung ECs demonstrated a loss of their native lung phenotype in culture. scRNAseq revealed that endothelial diversity is maintained in pulmonary hypertension. Our article is accompanied by an online data mining tool (www.LungEndothelialCellAtlas.com).Our integrated analysis provides a comprehensive and well-crafted reference atlas of ECs in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Background Despite its importance in health and disease, the cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. Here we provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs), to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium, both in health and disease. Methods We reprocessed control single cell RNA sequencing (scRNAseq) data from five datasets of whole lungs that were used for the analysis of pan-endothelial markers, we later included a sixth dataset of sorted control EC for the vascular subpopulation analysis. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by immunohistochemistry and in situ hybridization. Signaling network between different lung cell types was studied using connectomic analysis. For cross species analysis we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs. Results The six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify over 15,000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including pan-endothelial, pan-vascular and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial and venous ECs we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC we identified two previously indistinguishable populations, pulmonary-venous ECs (COL15A1 neg ) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1 pos ) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary EC we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1 and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all six endothelial cell types, including the systemic-venous EC and aerocytes are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-Receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. Our manuscript is accompanied by an online data mining tool ( www.LungEndothelialCellAtlas.com ). Conclusion Our integrated analysis provides the comprehensive and well-crafted reference atlas of lung endothelial cells in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) is a chronic, progressive, and often fatal disorder. Two FDA approved anti-fibrotic drugs, nintedanib and pirfenidone, slow the rate of decline in lung function, but responses are variable and side effects are common. Using an in-silico data-driven approach, we identified a robust connection between the transcriptomic perturbations in IPF disease and those induced by saracatinib, a selective Src kinase inhibitor, originally developed for oncological indications. Based on these observations, we hypothesized that saracatinib would be effective at attenuating pulmonary fibrosis. We investigated the anti-fibrotic efficacy of saracatinib relative to nintedanib and pirfenidone in three preclinical models: (i) in vitro in normal human lung fibroblasts (NHLFs); (ii) in vivo in bleomycin and recombinant adenovirus transforming growth factor-beta (Ad-TGF-β) murine models of pulmonary fibrosis; and (iii) ex vivo in precision cut lung slices from these mouse models. In each model, the effectiveness of saracatinib in blocking fibrogenic responses was equal or superior to nintedanib and pirfenidone.

Precision management of fibrotic lung diseases is challenging due to their diverse clinical trajectories and lack of reliable biomarkers for risk stratification and therapeutic monitoring. Here, we validated the accuracy of CMKLR1 as an imaging biomarker of the lung inflammation-fibrosis axis. By analyzing single-cell RNA sequencing datasets, we demonstrated CMKLR1 expression as a transient signature of monocyte-derived macrophages (MDMφ) enriched in patients with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). Consistently, we identified MDMφ as the major driver of the uptake of CMKLR1-targeting peptides in a murine model of bleomycin-induced lung fibrosis. Furthermore, CMKLR1-targeted positron emission tomography in the murine model enabled quantification and spatial mapping of inflamed lung regions infiltrated by CMKLR1-expressing macrophages and emerged as a robust predictor of subsequent lung fibrosis. Last, high CMKLR1 expression by bronchoalveolar lavage cells identified an inflammatory endotype of IPF with poor survival. Our investigation supports the potential of CMKLR1 as an imaging biomarker for endotyping and risk stratification of fibrotic lung diseases.

Alveolar epithelial type 2 cells (AEC2s) are the facultative progenitors responsible for maintaining lung alveoli throughout life, yet are difficult to access from patients for biomedical research or lung regeneration applications. Here we engineer AEC2s from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) in vitro and use single cell RNA sequencing (scRNA-seq) to profile the detailed kinetics of their differentiation over time. We focus on both the desired target cells as well as those that appear to diverge to alternative endodermal fates. By combining scRNA-seq with lentiviral barcoding to trace differentiating clones, we reveal the bifurcating cell fate trajectories followed as primordial lung progenitors differentiate into mature AEC2s. We define the global transcriptomic signatures of primary developing human AEC2s from fetal through adult stages in order to identify the subset of in vitro differentiating cells that appear to recapitulate the path of in vivo development. In addition, we develop computational methods based on Continuous State Hidden Markov Models (CSHMM) to identify the precise timing and type of signals, such as over-exuberant Wnt responses, that induce some early multipotent NKX2-1+ progenitors to lose lung fate as they clonally diverge into a variety of non-lung endodermal lineages. Finally, we find that this initial developmental plasticity is regulatable via Wnt modulation, and subsides over time, ultimately resulting in iPSC-derived AEC2s that exhibit a stable phenotype and nearly limitless self-renewal capacity in vitro. Our methods and computational approaches can be widely applied to study and control directed differentiation, producing an inexhaustible supply of mature lineages, exemplified here by the generation of AEC2s.

Abstract microRNAs are non-coding RNAs that negatively regulate gene networks. Previously, we reported a systemically delivered miR-29 mimic MRG-201 that reduced fibrosis in animal models, but at doses prohibiting clinical translation. Here, we generated MRG-229, a next-gen miR-29 mimic with improved chemical stability, conjugated with the internalization moiety BiPPB (PDGFbetaR-specific bicyclic peptide). In TGF-b-treated human lung fibroblasts and precision cut lung slices, MRG-229 decreased COL1A1 and ACTA2 gene expression and reduced collagen production. In bleomycin-treated mice, intravenous or subcutaneous delivery of MRG-229 downregulated profibrotic gene programs at doses more than ten-fold lower than the original compound. In rats and non-human primates, and at clinically relevant doses, MRG-229 was well tolerated, with no adverse findings observed. In human peripheral blood decreased mir-29 concentrations were associated with increased mortality in two cohorts potentially identified as a target population for treatment. Collectively, our results provide support for the development of MRG-229 as a potential therapy in humans with IPF. One Sentence Summary One Sentence Summary: A stabilized, next-generation miR-29 mimic has been developed that demonstrates efficacy at commercially viable doses with a robust safety margin in non-human primates.

We provide a single cell atlas of Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), a fatal interstitial lung disease, focusing on resident lung cell populations. By profiling 312,928 cells from 32 IPF, 29 healthy control and 18 chronic obstructive pulmonary disease (COPD) lungs, we demonstrate that IPF is characterized by changes in discrete subpopulations of cells in the three major parenchymal compartments: the epithelium, endothelium and stroma. Among epithelial cells, we identify a novel population of IPF enriched aberrant basaloid cells that co-express basal epithelial markers, mesenchymal markers, senescence markers, developmental transcription factors and are located at the edge of myofibroblast foci in the IPF lung. Among vascular endothelial cells in the in IPF lung parenchyma we identify an expanded cell population transcriptomically identical to vascular endothelial cells normally restricted to the bronchial circulation. We confirm the presence of both populations by immunohistochemistry and independent datasets. Among stromal cells we identify fibroblasts and myofibroblasts in both control and IPF lungs and leverage manifold-based algorithms diffusion maps and diffusion pseudotime to infer the origins of the activated IPF myofibroblast. Our work provides a comprehensive catalogue of the aberrant cellular transcriptional programs in IPF, demonstrates a new framework for analyzing complex disease with scRNAseq, and provides the largest lung disease single-cell atlas to date.