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.

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.