Targeting host factors exploited by multiple viruses could offer broad-spectrum solutions for pandemic preparedness. Seventeen candidates targeting diverse functions emerged in a screen of 4,413 compounds for SARS-CoV-2 inhibitors. We demonstrated that lapatinib and other approved inhibitors of the ErbB family receptor tyrosine kinases suppress replication of SARS-CoV-2, Venezuelan equine encephalitis virus (VEEV), and other emerging viruses with a high barrier to resistance. Lapatinib suppressed SARS-CoV-2 entry and later stages of the viral life cycle and showed synergistic effect with the direct-acting antiviral nirmatrelvir. We discovered that ErbB1, 2 and 4 bind SARS-CoV-2 S1 protein and regulate viral and ACE2 internalization, and they are required for VEEV infection. In human lung organoids, lapatinib protected from SARS-CoV-2-induced activation of ErbB-regulated pathways implicated in non-infectious lung injury, pro-inflammatory cytokine production, and epithelial barrier injury. Lapatinib suppressed VEEV replication, cytokine production and disruption of the blood-brain barrier integrity in microfluidic-based human neurovascular units, and reduced mortality in a lethal infection murine model. We validated lapatinib-mediated inhibition of ErbB activity as an important mechanism of antiviral action. These findings reveal regulation of viral replication, inflammation, and tissue injury via ErbBs and establish a proof-of-principle for a repurposed, ErbB-targeted approach to combat emerging viruses.

We sought to define the host immune response, a.k.a, the "cytokine storm" that has been implicated in fatal COVID-19 using an AI-based approach. Over 45,000 transcriptomic datasets of viral pandemics were analyzed to extract a 166-gene signature using ACE2 as a 'seed' gene; ACE2 was rationalized because it encodes the receptor that facilitates the entry of SARS-CoV-2 (the virus that causes COVID-19) into host cells. Surprisingly, this 166-gene signature was conserved in all vi ral p andemics, including COVID-19, and a subset of 20-genes classified disease severity, inspiring the nomenclatures ViP and severe-ViP signatures, respectively. The ViP signatures pinpointed a paradoxical phenomenon wherein lung epithelial and myeloid cells mount an IL15 cytokine storm, and epithelial and NK cell senescence and apoptosis determines severity/fatality. Precise therapeutic goals were formulated and subsequently validated in high-dose SARS-CoV-2-challenged hamsters using neutralizing antibodies that abrogate SARS-CoV-2•ACE2 engagement or a directly acting antiviral agent, EIDD-2801. IL15/IL15RA were elevated in the lungs of patients with fatal disease, and plasma levels of the cytokine tracked with disease severity. Thus, the ViP signatures provide a quantitative and qualitative framework for titrating the immune response in viral pandemics and may serve as a powerful unbiased tool to rapidly assess disease severity and vet candidate drugs.The host immune response in COVID-19.Evidence before this study: The SARS-CoV-2 pandemic has inspired many groups to find innovative methodologies that can help us understand the host immune response to the virus; unchecked proportions of such immune response have been implicated in fatality. We searched GEO and ArrayExpress that provided many publicly available gene expression data that objectively measure the host immune response in diverse conditions. However, challenges remain in identifying a set of host response events that are common to every condition. There are no studies that provide a reproducible assessment of prognosticators of disease severity, the host response, and therapeutic goals. Consequently, therapeutic trials for COVID-19 have seen many more 'misses' than 'hits'. This work used multiple (> 45,000) gene expression datasets from GEO and ArrayExpress and analyzed them using an unbiased computational approach that relies upon fundamentals of gene expression patterns and mathematical precision when assessing them.Added value of this study: This work identifies a signature that is surprisingly conserved in all viral pandemics, including Covid-19, inspiring the nomenclature ViP-signature. A subset of 20-genes classified disease severity in respiratory pandemics. The ViP signatures pinpointed the nature and source of the 'cytokine storm' mounted by the host. They also helped formulate precise therapeutic goals and rationalized the repurposing of FDA-approved drugs.Implications of all the available evidence: The ViP signatures provide a quantitative and qualitative framework for assessing the immune response in viral pandemics when creating pre-clinical models; they serve as a powerful unbiased tool to rapidly assess disease severity and vet candidate drugs.

In the aftermath of Covid-19, some patients develop a fibrotic lung disease, i.e., p ost- C OVID-19 l ung d isease (PCLD), for which we currently lack insights into pathogenesis, disease models, or treatment options.Using an AI-guided approach, we analyzed > 1000 human lung transcriptomic datasets associated with various lung conditions using two viral pandemic signatures (ViP and sViP) and one covid lung-derived signature. Upon identifying similarities between COVID-19 and idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), we subsequently dissected the basis for such similarity from molecular, cytopathic, and immunologic perspectives using a panel of IPF-specific gene signatures, alongside signatures of alveolar type II (AT2) cytopathies and of prognostic monocyte-driven processes that are known drivers of IPF. Transcriptome-derived findings were used to construct protein-protein interaction (PPI) network to identify the major triggers of AT2 dysfunction. Key findings were validated in hamster and human adult lung organoid (ALO) pre-clinical models of COVID-19 using immunohistochemistry and qPCR.COVID-19 resembles IPF at a fundamental level; it recapitulates the gene expression patterns (ViP and IPF signatures), cytokine storm (IL15-centric), and the AT2 cytopathic changes, e.g., injury, DNA damage, arrest in a transient, damage-induced progenitor state, and senescence-associated secretory phenotype (SASP). These immunocytopathic features were induced in pre-clinical COVID models (ALO and hamster) and reversed with effective anti-CoV-2 therapeutics in hamsters. PPI-network analyses pinpointed ER stress as one of the shared early triggers of both diseases, and IHC studies validated the same in the lungs of deceased subjects with COVID-19 and SARS-CoV-2-challenged hamster lungs. Lungs from tg- mice, in which ER stress is induced specifically in the AT2 cells, faithfully recapitulate the host immune response and alveolar cytopathic changes that are induced by SARS-CoV-2.Like IPF, COVID-19 may be driven by injury-induced ER stress that culminates into progenitor state arrest and SASP in AT2 cells. The ViP signatures in monocytes may be key determinants of prognosis. The insights, signatures, disease models identified here are likely to spur the development of therapies for patients with IPF and other fibrotic interstitial lung diseases.This work was supported by the National Institutes for Health grants R01-GM138385 and AI155696 and funding from the Tobacco-Related disease Research Program (R01RG3780).Severe COVID-19 triggers cellular processes seen in fibrosing Interstitial Lung Disease.Evidence before this study: In its aftermath, the COVID-19 pandemic has left many survivors, almost a third of those who recovered, with a mysterious long-haul form of the disease which culminates in a fibrotic form of interstitial lung disease (post-COVID-19 ILD). Post-COVID-19 ILD remains a largely unknown entity. Currently, we lack insights into the core cytopathic features that drive this condition.Added value of this study: Using an AI-guided approach, which involves the use of sets of gene signatures, protein-protein network analysis, and a hamster model of COVID-19, we have revealed here that COVID-19 -lung fibrosis resembles IPF, the most common form of ILD, at a fundamental levelâ€"showing similar gene expression patterns in the lungs and blood, and dysfunctional AT2 processes (ER stress, telomere instability, progenitor cell arrest, and senescence). These findings are insightful because AT2 cells are known to contain an elegant quality control network to respond to intrinsic or extrinsic stress; a failure of such quality control results in diverse cellular phenotypes, of which ER stress appears to be a point of convergence, which appears to be sufficient to drive downstream fibrotic remodeling in the lung.Implications of all the available evidence: Because unbiased computational methods identified the shared fundamental aspects of gene expression and cellular processes between COVID-19 and IPF, the impact of our findings is likely to go beyond COVID-19 or any viral pandemic. The insights, tools (disease models, gene signatures, and biomarkers), and mechanisms identified here are likely to spur the development of therapies for patients with IPF and, other fibrotic interstitial lung diseases, all of whom have limited or no treatment options. To dissect the validated prognostic biomarkers to assess and track the risk of pulmonary fibrosis and develop therapeutics to halt fibrogenic progression.

Crohn's disease (CD) is a complex, clinically heterogeneous disease of multifactorial origin; there is no perfect pre-clinical model, little insight into the basis for such heterogeneity, and still no cure. To address these unmet needs, we sought to explore the translational potential of adult stem cell-derived organoids that not only retain their tissue identity, but also their genetic and epigenetic disease-driving traits. We prospectively created a biobank of CD patient-derived organoid cultures (PDOs) using biopsied tissues from colons of 34 consecutive subjects representing all clinical subtypes (Montreal Classification B1-B3 and perianal disease). PDOs were generated also from healthy subjects. Comparative gene expression analyses enabled benchmarking of PDOs as tools for modeling the colonic epithelium in active disease and revealed that despite the clinical heterogeneity there are two major molecular subtypes: immune-deficient infectious-CD [IDICD] and stress and senescence-induced fibrostenotic-CD [S2FCD]. The transcriptome, genome and phenome show a surprising degree of internal consistency within each molecular subtype. The spectrum of morphometric, phenotypic, and functional changes within the "living biobank" reveals distinct differences between the molecular subtypes. These insights enabled drug screens that reversed subtype-specific phenotypes, e.g., impaired microbial clearance in IDICD was reversed using agonists for nuclear receptors, and senescence in S2FCD was rectified using senotherapeutics, but not

SUMMARY Transient depletion of the transcription elongation factor SPT6 in the keratinocyte has been recently shown to inhibit epidermal differentiation and stratification; instead, they transdifferentiate into a gut-like lineage. We show here that this phenomenon of transdifferentiation recapitulates Barrett’s metaplasia, the only human pathophysiologic condition in which a stratified squamous epithelium that is injured due to chronic acid reflux is trans-committed into an intestinal fate. The evidence we present here not only lend support to the notion that the keratinocytes are the cell of origin of Barrett’s metaplasia, but also provide mechanistic insights linking transient acid exposure, downregulation of SPT6, stalled transcription of the master regulator of epidermal fate TP63, loss of epidermal fate and metaplastic progression. Because Barrett’s metaplasia in the esophagus (BE) is a pre-neoplastic condition with no preclinical human models, these findings have a profound impact on the modeling Barrett’s metaplasia-in-a-dish. GRAPHIC ABSTRACT HIGHLIGHTS Keratinocytes transdifferentiate into the gut lineage upon depletion of SPT6 Such transdifferentiation recapitulates Barrett’s metaplasia, not the healthy gut Acid downregulates SPT6, which derails the expression and functions of TP63 Such downregulation precedes the metaplasia-dysplasia-neoplasia cascade

SARS-CoV-2, the virus responsible for COVID-19, causes widespread damage in the lungs in the setting of an overzealous immune response whose origin remains unclear. We present a scalable, propagable, personalized, cost-effective adult stem cell-derived human lung organoid model that is complete with both proximal and distal airway epithelia. Monolayers derived from adult lung organoids (ALOs), primary airway cells, or hiPSC-derived alveolar type-II (AT2) pneumocytes were infected with SARS-CoV-2 to create in vitro lung models of COVID-19. Infected ALO-monolayers best recapitulated the transcriptomic signatures in diverse cohorts of COVID-19 patient-derived respiratory samples. The airway (proximal) cells were critical for sustained viral infection whereas distal alveolar differentiation (AT2→AT1) was critical for mounting the overzealous host immune response in fatal disease; ALO monolayers with well-mixed proximodistal airway components recapitulated both. Findings validate a human lung model of COVID-19 which can be immediately utilized to investigate COVID-19 pathogenesis, and vet new therapies and vaccines.

The curative potential of differentiation therapy has been recognized in hematologic malignancies, but not in solid tumors. Using colorectal cancers (CRCs) as an example, here we outline an unbiased network-based approach to track, differentiate and selectively target cancer stem cells (CSCs). A transcriptomic network is built with the intention to identify therapeutic perturbations that can reinstate the expression of CDX2, a transcription factor whose loss identifies poorly differentiated (CSC-enriched) CRCs, and whose reinstatement is predicted to reduce the risk of death/relapse by 50%. The top candidate target, when engaged with a clinical-grade drug, predictably shifts the network, induces CDX2 and crypt differentiation and shows cytotoxicity with a surprising degree of selectivity towards CDX2-negative models (CRC cell lines, xenotransplants in mice, and patient-derived organoids; PDOs). Potential for effective pairing of therapeutic efficacy (IC50) and biomarker (CDX2-low state) is confirmed in PDOs using multivariate analyses. A 50-gene signature of therapeutic response shows that CDX2-reinstatement therapy is expected to translate into a ~50% reduction in the risk of mortality/recurrence. We conclude that CDX2-reinstatement selectively triggers differentiation and death of colorectal CSCs, and in doing so, this network-guided approach identifies a first-in-class differentiation therapy agent in solid tumors.

ABSTRACT Although Barrett’s metaplasia of the esophagus (BE) is the only known precursor lesion to esophageal adenocarcinomas (EACs), drivers of the metaplasia→dysplasia→neoplasia cascade in the esophagus remains incompletely understood. Using an AI-guided network transcriptomics approach, in which EAC initiation and progression is modeled as networks to simplify complex multi-cellular processes, we first predict cellular continuum states and disease driving processes with an unprecedented degree of precision. Key AI-guided predictions are subsequently validated in a human organoid model and patient-derived biopsies of BE, a case-control study of genomics of BE progression, and in a cross-sectional study of 113 patients with BE and EACs. We find that all EACs must originate from BE, pinpoint a CXCL8/IL8↔neutrophil immune microenvironment as a driver of cellular transformation in both EACs and gastroesophageal junction-ACs. This driver is prominent in Caucasians (Cau), but notably absent in African Americans (AAs). Network-derived gene signatures, independent signatures of neutrophil processes, CXCL8/IL8, and an absolute neutrophil count (ANC) are associated with risk of progression. SNPs associated with ethnic changes in ANC modify that risk. Thus, findings define a racially influenced immunological basis for cell transformation and suggest that benign ethnic neutropenia in AAs may serve as a deterrent to BE→EAC progression. BRIEF SUMMARY Esophageal adenocarcinoma (EAC) is a highly lethal cancer among Caucasians, while African Americans are somewhat protected; what factors drive transformation with racial disparity remain unknown. AI-enabled creation of the first computational map of neoplastic progression in the esophagus built and validated using transcriptomic datasets from diverse cohorts of human samples pinpointed CXCL8↔neutrophil tumor immune-microenvironment as a racially influenced driver of EACs and GEJ-ACs. Computational tools pinpoint a racially influenced driver of cell transformation during BE→EAC progression; in doing so, it reveals new novel biology, informs disease modeling, therapeutic strategies, and biomarkers. LAY SUMMARY By modeling diseases as networks, this work unravels a fundamental race-influenced immunologic driver of cell transformation in adenocarcinomas of the esophagus and the gastroesophageal junction.