The distal lung contains terminal bronchioles and alveoli that facilitate gas exchange. Three-dimensional in vitro human distal lung culture systems would strongly facilitate the investigation of pathologies such as interstitial lung disease, cancer and coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Here we describe the development of a long-term feeder-free, chemically defined culture system for distal lung progenitors as organoids derived from single adult human alveolar epithelial type II (AT2) or KRT5+ basal cells. AT2 organoids were able to differentiate into AT1 cells, and basal cell organoids developed lumens lined with differentiated club and ciliated cells. Single-cell analysis of KRT5+ cells in basal organoids revealed a distinct population of ITGA6+ITGB4+ mitotic cells, whose offspring further segregated into a TNFRSF12Ahi subfraction that comprised about ten per cent of KRT5+ basal cells. This subpopulation formed clusters within terminal bronchioles and exhibited enriched clonogenic organoid growth activity. We created distal lung organoids with apical-out polarity to present ACE2 on the exposed external surface, facilitating infection of AT2 and basal cultures with SARS-CoV-2 and identifying club cells as a target population. This long-term, feeder-free culture of human distal lung organoids, coupled with single-cell analysis, identifies functional heterogeneity among basal cells and establishes a facile in vitro organoid model of human distal lung infections, including COVID-19-associated pneumonia. A long-term culture method for organoids derived from single adult human lung cells is used to identify progenitor cells and study SARS-CoV-2 infection.

SUMMARY Somatic copy number gains are pervasive in many cancer types, yet their roles in oncogenesis are often poorly explored. This lack of understanding is in part due to broad extensions of copy gains across cancer genomes spanning large chromosomal regions, obscuring causal driver loci. Here we employed a multi-tissue pan-organoid modeling approach to validate candidate oncogenic loci identified within pan-cancer TCGA data by the overlap of extreme copy number amplifications with extreme expression dysregulation for each gene. The candidate outlier loci nominated by this integrative computational analysis were functionally validated by infecting cancer type-specific barcoded full length cDNA lentiviral libraries into cognate minimally transformed human and mouse organoids bearing initial oncogenic mutations from esophagus, oral cavity, colon, stomach, pancreas and lung. Presumptive amplification oncogenes were identified by barcode enrichment as a proxy for increased proliferation. Iterative analysis validated DYRK2 at 12q15, encoding a serine-threonine kinase, as an amplified head and neck squamous carcinoma oncogene in p53 -/- oral mucosal organoids. Similarly, FGF3 , amplified at 11q13 in 41% of esophageal squamous carcinomas, was validated in p53 -/- esophageal organoids in vitro and in vivo with pharmacologic inhibition by small molecule and soluble receptor FGFR antagonists. Our studies establish the feasibility of pan-organoid contextual modeling of pan-cancer candidate genomic drivers, enabling oncogene discovery and preclinical therapeutic modeling.

Although hyperplasia of the anorectal transitional zone (TZ) has been reported in mouse models of ulcerative colitis, the mechanisms underlying this phenomenon are not fully understood. We characterized keratin subtypes and examined the expression of stem cell markers in the TZ. Dextran sodium sulfate-treated mice showed abnormal repair of the anorectal region, which consisted of mixed hyperplastic TZ and regenerating crypts. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry from the paraffin-embedded TZ in the treated mice revealed that the major keratins were type I cytokeratin (CK)13 and type II CK5, but notable expression of type I CK10 and CK42 and type II CK1, CK4, CK6a, CK8, and CK15 was also detected. Hyperplastic TZ was characterized by the expression of tumor protein 63, sex-determining region Y-box 2 (SOX2), SOX9, and leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5 (Lgr5). Lgr5 was highly expressed in the TZ in the early stages of colitis, followed by higher expression levels of SOX2. The TZ-derived organoids expressed LGR5, SOX2, and SOX9. The present study suggests that transitional zones showing abnormal keratin assembly and stem cell activation may interfere with rectal crypt regeneration, leading to pathological anorectal remodeling in severe colitis.

ABSTRACT The distal lung contains terminal bronchioles and alveoli that facilitate gas exchange and is affected by disorders including interstitial lung disease, cancer, and SARS-CoV-2-associated COVID-19 pneumonia. Investigations of these localized pathologies have been hindered by a lack of 3D in vitro human distal lung culture systems. Further, human distal lung stem cell identification has been impaired by quiescence, anatomic divergence from mouse and lack of lineage tracing and clonogenic culture. Here, we developed robust feeder-free, chemically-defined culture of distal human lung progenitors as organoids derived clonally from single adult human alveolar epithelial type II (AT2) or KRT5 + basal cells. AT2 organoids exhibited AT1 transdifferentiation potential, while basal cell organoids progressively developed lumens lined by differentiated club and ciliated cells. Organoids consisting solely of club cells were not observed. Upon single cell RNA-sequencing (scRNA-seq), alveolar organoids were composed of proliferative AT2 cells; however, basal organoid KRT5 + cells contained a distinct ITGA6 + ITGB4 + mitotic population whose proliferation segregated to a TNFRSF12A hi subfraction. Clonogenic organoid growth was markedly enriched within the TNFRSF12A hi subset of FACS-purified ITGA6 + ITGB4 + basal cells from human lung or derivative organoids. In vivo , TNFRSF12A + cells comprised ~10% of KRT5 + basal cells and resided in clusters within terminal bronchioles. To model COVID-19 distal lung disease, we everted the polarity of basal and alveolar organoids to rapidly relocate differentiated club and ciliated cells from the organoid lumen to the exterior surface, thus displaying the SARS-CoV-2 receptor ACE2 on the outwardly-facing apical aspect. Accordingly, basal and AT2 “apical-out” organoids were infected by SARS-CoV-2, identifying club cells as a novel target population. This long-term, feeder-free organoid culture of human distal lung alveolar and basal stem cells, coupled with single cell analysis, identifies unsuspected basal cell functional heterogeneity and exemplifies progenitor identification within a slowly proliferating human tissue. Further, our studies establish a facile in vitro organoid model for human distal lung infectious diseases including COVID-19-associated pneumonia.

Muscle-invasive bladder cancer (MIBC) is a common form of BC in dogs. Adjuvant chemotherapy administration is commonly applied in MIBC cases, but patients sometimes experience treatment failure and recurrence. Therefore, supplements with anticancer properties, such as traditional Chinese medicines (TCMs), are required, and they have been widely used in Japanese human medicine and may be useful in veterinary medicine. Furthermore, organoid cultures can mimic the characteristics of their original tissues, such as self-renewal and organization. We previously established a novel experimental model for MIBC using a dog BC organoid (DBCO) culture. Herein, we examined the antiproliferative effects and mechanisms of 39 substances, consisting of TCMs, TCM supplements, and crude drug extracts, on DBCOs. Among the TCMs, D3 (also known as Shibe-ria), which is a mixture of chaga (Inonotus obliquus) and notoginseng (Panax notoginseng), significantly diminished the cell viability of DBCOs. The expression of BC stem cell markers, CD44 and SOX2, was reduced considerably in the D3-treated DBCOs. Among the components of D3, chaga exerted an antiproliferative effect on DBCO, whereas notoginseng did not. The administration of D3 also significantly reduced the volume of DBCO xenografted tumors in mice in vivo. Overall, D3 may have benefits as a natural anticancer supplement in veterinary medicine.