The regenerative potential of skeletal muscle declines with age, and this impairment is associated with an increase in tissue fibrosis. We show that muscle stem cells (satellite cells) from aged mice tend to convert from a myogenic to a fibrogenic lineage as they begin to proliferate and that this conversion is mediated by factors in the systemic environment of the old animals. We also show that this lineage conversion is associated with an activation of the canonical Wnt signaling pathway in aged myogenic progenitors and can be suppressed by Wnt inhibitors. Furthermore, components of serum from aged mice that bind to the Frizzled family of proteins, which are Wnt receptors, may account for the elevated Wnt signaling in aged cells. These results indicate that the Wnt signaling pathway may play a critical role in tissue-specific stem cell aging and an increase in tissue fibrosis with age.

The chemokine stromal cell–derived factor (SDF-1; also known as chemokine ligand 12 [CXCL12]) regulates many essential biological processes, including cardiac and neuronal development, stem cell motility, neovascularization, angiogenesis, apoptosis, and tumorigenesis. It is generally believed that SDF-1 mediates these many disparate processes via a single cell surface receptor known as chemokine receptor 4 (CXCR4). This paper characterizes an alternate receptor, CXCR7, which binds with high affinity to SDF-1 and to a second chemokine, interferon-inducible T cell α chemoattractant (I-TAC; also known as CXCL11). Membrane-associated CXCR7 is expressed on many tumor cell lines, on activated endothelial cells, and on fetal liver cells, but on few other cell types. Unlike many other chemokine receptors, ligand activation of CXCR7 does not cause Ca2+ mobilization or cell migration. However, expression of CXCR7 provides cells with a growth and survival advantage and increased adhesion properties. Consistent with a role for CXCR7 in cell survival and adhesion, a specific, high affinity small molecule antagonist to CXCR7 impedes in vivo tumor growth in animal models, validating this new receptor as a target for development of novel cancer therapeutics.

The macrolide rapamycin blocks cell cycle progression in yeast and various animal cells by an unknown mechanism. We demonstrate that rapamycin blocks the phosphorylation and activation of the 70 kd S6 protein kinases (pp70S6K) in a variety of animal cells. The structurally related drug FK506 had no effect on pp70S6K activation but at high concentrations reversed the rapamycin-induced block, confirming the requirement for the rapamycin and FK506 receptor, FKBP. Rapamycin also interfered with signaling by these S6 kinases, blocking serum-stimulated S6 phosphorylation and delaying entry of Swiss 3T3 cells into S phase. Neither rapamycin nor FK506 blocked activation of a distinct family of S6 kinases (RSKs) or the MAP kinases. These studies identify a rapamycin-sensitive signaling pathway, argue for a ubiquitous role for FKBPs in signal transduction, indicate that FK506-FKBP-calcineurin complexes do not interfere with pp70S6K signaling, and show that in fibroblasts pp70S6K, not RSK, is the physiological S6 kinase.

In vitro cancer cultures, including three-dimensional organoids, typically contain exclusively neoplastic epithelium but require artificial reconstitution to recapitulate the tumor microenvironment (TME). The co-culture of primary tumor epithelia with endogenous, syngeneic tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) as a cohesive unit has been particularly elusive. Here, an air-liquid interface (ALI) method propagated patient-derived organoids (PDOs) from >100 human biopsies or mouse tumors in syngeneic immunocompetent hosts as tumor epithelia with native embedded immune cells (T, B, NK, macrophages). Robust droplet-based, single-cell simultaneous determination of gene expression and immune repertoire indicated that PDO TILs accurately preserved the original tumor T cell receptor (TCR) spectrum. Crucially, human and murine PDOs successfully modeled immune checkpoint blockade (ICB) with anti-PD-1- and/or anti-PD-L1 expanding and activating tumor antigen-specific TILs and eliciting tumor cytotoxicity. Organoid-based propagation of primary tumor epithelium en bloc with endogenous immune stroma should enable immuno-oncology investigations within the TME and facilitate personalized immunotherapy testing.

To date, brain imaging has largely relied on X-ray computed tomography and magnetic resonance angiography with limited spatial resolution and long scanning times. Fluorescence-based brain imaging in the visible and traditional near-infrared regions (400-900 nm) is an alternative but currently requires craniotomy, cranial windows and skull thinning techniques, and the penetration depth is limited to 1-2 mm due to light scattering. Here, we report through-scalp and through-skull fluorescence imaging of mouse cerebral vasculature without craniotomy utilizing the intrinsic photoluminescence of single-walled carbon nanotubes in the 1.3-1.4 micrometre near-infrared window. Reduced photon scattering in this spectral region allows fluorescence imaging reaching a depth of >2 mm in mouse brain with sub-10 micrometre resolution. An imaging rate of ~5.3 frames/s allows for dynamic recording of blood perfusion in the cerebral vessels with sufficient temporal resolution, providing real-time assessment of blood flow anomaly in a mouse middle cerebral artery occlusion stroke model.

The development of a long-term intestinal culture system has, until recently, eluded researchers. Here the authors describe a method allowing long-term culture of both small intestine and colon that incorporates an air-liquid interface coupled with a three-dimensional matrix scaffold. The cultures show epithelial cell proliferation and multilineage differentiation to the major cell types and accurately recapitulate the Wnt- and Notch-dependent intestinal stem cell niche. The in vitro analysis of intestinal epithelium has been hampered by a lack of suitable culture systems. Here we describe robust long-term methodology for small and large intestinal culture, incorporating an air-liquid interface and underlying stromal elements. These cultures showed prolonged intestinal epithelial expansion as sphere-like organoids with proliferation and multilineage differentiation. The Wnt growth factor family positively regulates proliferation of the intestinal epithelium in vivo. Accordingly, culture growth was inhibited by the Wnt antagonist Dickkopf-1 (Dkk1) and markedly stimulated by a fusion protein between the Wnt agonist R-spondin-1 and immunoglobulin Fc (RSpo1-Fc). Furthermore, treatment with the γ-secretase inhibitor dibenzazepine and neurogenin-3 overexpression induced goblet cell and enteroendocrine cell differentiation, respectively, consistent with endogenous Notch signaling and lineage plasticity. Epithelial cells derived from both leucine-rich repeat-containing G protein–coupled receptor-5–positive (Lgr5+) and B lymphoma moloney murine leukemia virus insertion region homolog-1–positive (Bmi1+) lineages, representing putative intestinal stem cell (ISC) populations, were present in vitro and were expanded by treatment with RSpo1-Fc; this increased number of Lgr5+ cells upon RSpo1-Fc treatment was subsequently confirmed in vivo. Our results indicate successful long-term intestinal culture within a microenvironment accurately recapitulating the Wnt- and Notch-dependent ISC niche.

Abstract Declining learning and memory function is associated with the attenuation of adult hippocampal neurogenesis. As in humans, chronic stress or depression in animals is accompanied by hippocampal dysfunction, and neurogenesis is correspondingly down regulated, in part, by the activity of the hypothalamic–pituitary–adrenal axis as well as glutamatergic and serotonergic networks. Antidepressants can reverse this effect over time but one of the most clinically effective moderators of stress or depression and robust stimulators of neurogenesis is simple voluntary physical exercise such as running. Curiously, running also elevates circulating stress hormone levels yet neurogenesis is doubled in running animals. In evaluating the signalling that running provides to the central nervous system in mice, we have found that peripheral vascular endothelial growth factor (VEGF) is necessary for the effects of running on adult hippocampal neurogenesis. Peripheral blockade of VEGF abolished running‐induced neurogenesis but had no detectable effect on baseline neurogenesis in non‐running animals. These data suggest that VEGF is an important element of a ‘somatic regulator’ of adult neurogenesis and that these somatic signalling networks can function independently of the central regulatory networks that are typically considered in the context of hippocampal neurogenesis.

The small intestine epithelium undergoes rapid and continuous regeneration supported by crypt intestinal stem cells (ISCs). Bmi1 and Lgr5 have been independently identified to mark long-lived multipotent ISCs by lineage tracing in mice; however, the functional distinctions between these two populations remain undefined. Here, we demonstrate that Bmi1 and Lgr5 mark two functionally distinct ISCs in vivo. Lgr5 marks mitotically active ISCs that exhibit exquisite sensitivity to canonical Wnt modulation, contribute robustly to homeostatic regeneration, and are quantitatively ablated by irradiation. In contrast, Bmi1 marks quiescent ISCs that are insensitive to Wnt perturbations, contribute weakly to homeostatic regeneration, and are resistant to high-dose radiation injury. After irradiation, however, the normally quiescent Bmi1 + ISCs dramatically proliferate to clonally repopulate multiple contiguous crypts and villi. Clonogenic culture of isolated single Bmi1 + ISCs yields long-lived self-renewing spheroids of intestinal epithelium that produce Lgr5-expressing cells, thereby establishing a lineage relationship between these two populations in vitro. Taken together, these data provide direct evidence that Bmi1 marks quiescent, injury-inducible reserve ISCs that exhibit striking functional distinctions from Lgr5 + ISCs and support a model whereby distinct ISC populations facilitate homeostatic vs. injury-induced regeneration.

Unlike during development, blood vessels in the adult are generally thought not to require VEGF for normal function. However, VEGF is a survival factor for many tumor vessels, and there are clues that some normal blood vessels may also depend on VEGF. In this study, we sought to identify which, if any, vascular beds in adult mice depend on VEGF for survival. Mice were treated with a small-molecule VEGF receptor (VEGFR) tyrosine kinase inhibitor or soluble VEGFRs for 1–3 wk. Blood vessels were assessed using immunohistochemistry or scanning or transmission electron microscopy. In a study of 17 normal organs after VEGF inhibition, we found significant capillary regression in pancreatic islets, thyroid, adrenal cortex, pituitary, choroid plexus, small-intestinal villi, and epididymal adipose tissue. The amount of regression was dose dependent and varied from organ to organ, with a maximum of 68% in thyroid, but was less in normal organs than in tumors in RIP-Tag2-transgenic mice or in Lewis lung carcinoma. VEGF-dependent capillaries were fenestrated, expressed high levels of both VEGFR-2 and VEGFR-3, and had normal pericyte coverage. Surviving capillaries in affected organs had fewer fenestrations and less VEGFR expression. All mice appeared healthy, but distinct physiological changes, including more efficient blood glucose handling, accompanied some regimens of VEGF inhibition. Strikingly, most capillaries in the thyroid grew back within 2 wk after cessation of treatment for 1 wk. Our findings of VEGF dependency of normal fenestrated capillaries and rapid regrowth after regression demonstrate the plasticity of the adult microvasculature.

The contribution of stem and progenitor cell dysfunction and depletion in normal aging remains incompletely understood. We explored this concept in the Klotho mouse model of accelerated aging. Analysis of various tissues and organs from young Klotho mice revealed a decrease in stem cell number and an increase in progenitor cell senescence. Because klotho is a secreted protein, we postulated that klotho might interact with other soluble mediators of stem cells. We found that klotho bound to various Wnt family members. In a cell culture model, the Wnt-klotho interaction resulted in the suppression of Wnt biological activity. Tissues and organs from klotho-deficient animals showed evidence of increased Wnt signaling, and ectopic expression of klotho antagonized the activity of endogenous and exogenous Wnt. Both in vitro and in vivo, continuous Wnt exposure triggered accelerated cellular senescence. Thus, klotho appears to be a secreted Wnt antagonist and Wnt proteins have an unexpected role in mammalian aging.