The ethics of clinical research requires equipoise--a state of genuine uncertainty on the part of the clinical investigator regarding the comparative therapeutic merits of each arm in a trial. Should the investigator discover that one treatment is of superior therapeutic merit, he or she is ethically obliged to offer that treatment. The current understanding of this requirement, which entails that the investigator have no "treatment preference" throughout the course of the trial, presents nearly insuperable obstacles to the ethical commencement or completion of a controlled trial and may also contribute to the termination of trials because of the failure to enroll enough patients. I suggest an alternative concept of equipoise, which would be based on present or imminent controversy in the clinical community over the preferred treatment. According to this concept of "clinical equipoise," the requirement is satisfied if there is genuine uncertainty within the expert medical community--not necessarily on the part of the individual investigator--about the preferred treatment.

Human pluripotent stem cells are differentiated into renal vesicles that spontaneously form kidney organoids. Kidney cells and tissues derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) may enable organ regeneration, disease modeling and drug screening. We report an efficient, chemically defined protocol for differentiating hPSCs into multipotent nephron progenitor cells (NPCs) that can form nephron-like structures. By recapitulating metanephric kidney development in vitro, we generate SIX2+SALL1+WT1+PAX2+ NPCs with 90% efficiency within 9 days of differentiation. The NPCs possess the developmental potential of their in vivo counterparts and form PAX8+LHX1+ renal vesicles that self-organize into nephron structures. In both two- and three-dimensional culture, NPCs form kidney organoids containing epithelial nephron-like structures expressing markers of podocytes, proximal tubules, loops of Henle and distal tubules in an organized, continuous arrangement that resembles the nephron in vivo. We also show that this organoid culture system can be used to study mechanisms of human kidney development and toxicity.

Abstract Human-pluripotent-stem-cell-derived kidney cells (hPSC-KCs) have important potential for disease modelling and regeneration. Whether the hPSC-KCs can reconstitute tissue-specific phenotypes is currently unknown. Here we show that hPSC-KCs self-organize into kidney organoids that functionally recapitulate tissue-specific epithelial physiology, including disease phenotypes after genome editing. In three-dimensional cultures, epiblast-stage hPSCs form spheroids surrounding hollow, amniotic-like cavities. GSK3β inhibition differentiates spheroids into segmented, nephron-like kidney organoids containing cell populations with characteristics of proximal tubules, podocytes and endothelium. Tubules accumulate dextran and methotrexate transport cargoes, and express kidney injury molecule-1 after nephrotoxic chemical injury. CRISPR/Cas9 knockout of podocalyxin causes junctional organization defects in podocyte-like cells. Knockout of the polycystic kidney disease genes PKD1 or PKD2 induces cyst formation from kidney tubules. All of these functional phenotypes are distinct from effects in epiblast spheroids, indicating that they are tissue specific. Our findings establish a reproducible, versatile three-dimensional framework for human epithelial disease modelling and regenerative medicine applications.

Organoids derived from human pluripotent stem cells are a potentially powerful tool for high-throughput screening (HTS), but the complexity of organoid cultures poses a significant challenge for miniaturization and automation. Here, we present a fully automated, HTS-compatible platform for enhanced differentiation and phenotyping of human kidney organoids. The entire 21-day protocol, from plating to differentiation to analysis, can be performed automatically by liquid-handling robots, or alternatively by manual pipetting. High-content imaging analysis reveals both dose-dependent and threshold effects during organoid differentiation. Immunofluorescence and single-cell RNA sequencing identify previously undetected parietal, interstitial, and partially differentiated compartments within organoids and define conditions that greatly expand the vascular endothelium. Chemical modulation of toxicity and disease phenotypes can be quantified for safety and efficacy prediction. Screening in gene-edited organoids in this system reveals an unexpected role for myosin in polycystic kidney disease. Organoids in HTS formats thus establish an attractive platform for multidimensional phenotypic screening.

Human pluripotent stem cells (hPSCs) can generate a diversity of cell types, but few methods have been developed to derive cells of the kidney lineage. Here, we report a highly efficient system for differentiating human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells (referred to collectively as hPSCs) into cells expressing markers of the intermediate mesoderm (IM) that subsequently form tubule-like structures. Treatment of hPSCs with the glycogen synthase kinase-3β inhibitor CHIR99021 induced BRACHYURY(+)MIXL1(+) mesendoderm differentiation with nearly 100% efficiency. In the absence of additional exogenous factors, CHIR99021-induced mesendodermal cells preferentially differentiated into cells expressing markers of lateral plate mesoderm with minimal IM differentiation. However, the sequential treatment of hPSCs with CHIR99021 followed by fibroblast growth factor-2 and retinoic acid generated PAX2(+)LHX1(+) cells with 70%-80% efficiency after 3 days of differentiation. Upon growth factor withdrawal, these PAX2(+)LHX1(+) cells gave rise to apically ciliated tubular structures that coexpressed the proximal tubule markers Lotus tetragonolobus lectin, N-cadherin, and kidney-specific protein and partially integrated into embryonic kidney explant cultures. With the addition of FGF9 and activin, PAX2(+)LHX1(+) cells specifically differentiated into cells expressing SIX2, SALL1, and WT1, markers of cap mesenchyme nephron progenitor cells. Our findings demonstrate the effective role of fibroblast growth factor signaling in inducing IM differentiation in hPSCs and establish the most rapid and efficient system whereby hPSCs can be differentiated into cells with features characteristic of kidney lineage cells.

New variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) continue to arise and prolong the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Here, we used a cell-free expression workflow to rapidly screen and optimize constructs containing multiple computationally designed miniprotein inhibitors of SARS-CoV-2. We found the broadest efficacy was achieved with a homotrimeric version of the 75-residue angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) mimic AHB2 (TRI2-2) designed to geometrically match the trimeric spike architecture. Consistent with the design model, in the cryo-electron microscopy structure TRI2-2 forms a tripod at the apex of the spike protein that engaged all three receptor binding domains simultaneously. TRI2-2 neutralized Omicron (B.1.1.529), Delta (B.1.617.2), and all other variants tested with greater potency than the monoclonal antibodies used clinically for the treatment of COVID-19. TRI2-2 also conferred prophylactic and therapeutic protection against SARS-CoV-2 challenge when administered intranasally in mice. Designed miniprotein receptor mimics geometrically arrayed to match pathogen receptor binding sites could be a widely applicable antiviral therapeutic strategy with advantages over antibodies in greater resistance to viral escape and antigenic drift, and advantages over native receptor traps in lower chances of autoimmune responses.

Escape variants of SARS-CoV-2 are threatening to prolong the COVID-19 pandemic. To address this challenge, we developed multivalent protein-based minibinders as potential prophylactic and therapeutic agents. Homotrimers of single minibinders and fusions of three distinct minibinders were designed to geometrically match the SARS-CoV-2 spike (S) trimer architecture and were optimized by cell-free expression and found to exhibit virtually no measurable dissociation upon binding. Cryo-electron microscopy (cryoEM) showed that these trivalent minibinders engage all three receptor binding domains on a single S trimer. The top candidates neutralize SARS-CoV-2 variants of concern with IC 50 values in the low pM range, resist viral escape, and provide protection in highly vulnerable human ACE2-expressing transgenic mice, both prophylactically and therapeutically. Our integrated workflow promises to accelerate the design of mutationally resilient therapeutics for pandemic preparedness.We designed, developed, and characterized potent, trivalent miniprotein binders that provide prophylactic and therapeutic protection against emerging SARS-CoV-2 variants of concern.

Summary

 Tooth enamel secreted by ameloblasts (AMs) is the hardest material in the human body, acting as a shield to protect the teeth. However, the enamel is gradually damaged or partially lost in over 90% of adults and cannot be regenerated due to a lack of ameloblasts in erupted teeth. Here, we use single-cell combinatorial indexing RNA sequencing (sci-RNA-seq) to establish a spatiotemporal single-cell census for the developing human tooth and identify regulatory mechanisms controlling the differentiation process of human ameloblasts. We identify key signaling pathways involved between the support cells and ameloblasts during fetal development and recapitulate those findings in human ameloblast in vitro differentiation from induced pluripotent stem cells (iPSCs). We furthermore develop a disease model of amelogenesis imperfecta in a three-dimensional (3D) organoid system and show AM maturation to mineralized structure in vivo. These studies pave the way for future regenerative dentistry.

Many growth factors and cytokines signal by binding to the extracellular domains of their receptors and driving association and transphosphorylation of the receptor intracellular tyrosine kinase domains, initiating downstream signaling cascades. To enable systematic exploration of how receptor valency and geometry affect signaling outcomes, we designed cyclic homo-oligomers with up to 8 subunits using repeat protein building blocks that can be modularly extended. By incorporating a de novo-designed fibroblast growth factor receptor (FGFR)-binding module into these scaffolds, we generated a series of synthetic signaling ligands that exhibit potent valency- and geometry-dependent Ca2+ release and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway activation. The high specificity of the designed agonists reveals distinct roles for two FGFR splice variants in driving arterial endothelium and perivascular cell fates during early vascular development. Our designed modular assemblies should be broadly useful for unraveling the complexities of signaling in key developmental transitions and for developing future therapeutic applications.