Introduction/Abstract Cystic fibrosis (CF) is a lethal autosomal recessive disorder that afflicts in excess of 70,000 people globally. People with CF experience multi-organ dysfunction resulting from aberrant electrolyte transport across polarized epithelia due to mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator ( CFTR ) gene. CF-related lung disease is by far the most significant determinant of morbidity and mortality. In this study we report results from a multi-institute consortium in which single cell transcriptomics were applied to define disease-related changes to the proximal airway of CF donors (n=19) undergoing transplantation for end-stage lung disease compared to the proximal airway of previously healthy lung donors (n=19). We found that all major airway epithelial cell types were conserved between control and CF donors. Disease-dependent differences were observed, including an overabundance of epithelial cells transitioning to specialized ciliated and secretory cell subtypes coupled with an unexpected decrease in cycling basal cells. This study developed a molecular atlas of the proximal airway epithelium that will provide insights for the development of new targeted therapies for CF airway disease.

Abstract Small-cell-lung-cancer (SCLC) has the worst prognosis of all lung cancers because of a high incidence of relapse after therapy. We developed a bioengineered 3-dimensional (3D) SCLC co-culture organoid as a phenotypic tool to study SCLC tumor kinetics and SCLC-fibroblast interactions during relapse. We used functionalized alginate microbeads as a scaffold to mimic lung alveolar architecture and co-cultured SCLC cell lines with primary adult lung fibroblasts (ALF). We found that SCLCs in the model proliferated extensively, invaded the microbead scaffold and formed tumors within just 7 days. We compared the bioengineered tumors with patient tumors and found them to recapitulate the pathology and immunophenotyping of the patient tumors better than the PDX model developed from the same SCLC cell line. When treated with standard chemotherapy drugs, etoposide and cisplatin, the organoid recapitulated relapse after chemotherapy. Co-culture of the SCLC cells with ALFs revealed that the fibroblasts play a key role in inducing faster and more robust SCLC cell regrowth in the model. This was a paracrine effect as conditioned medium from the same fibroblasts was responsible for this accelerated cell regrowth. This model is also amenable to high throughput phenotypic or targeted drug screening to find new therapeutics for SCLC.

SUMMARY Most demographic studies are now associating current smoking status with increased risk of severe COVID-19 and mortality from the disease but there remain many questions about how direct cigarette smoke exposure affects SARS-CoV-2 airway cell infection. We directly exposed mucociliary air-liquid interface (ALI) cultures derived from primary human nonsmoker airway basal stem cells (ABSCs) to short term cigarette smoke and infected them with live SARS-CoV-2. We found an increase in the number of infected airway cells after cigarette smoke exposure as well as an increased number of apoptotic cells. Cigarette smoke exposure alone caused airway injury that resulted in an increased number of ABSCs, which proliferate to repair the airway. But we found that acute SARS-CoV-2 infection or the combination of exposure to cigarette smoke and SARS-CoV-2 did not induce ABSC proliferation. We set out to examine the underlying mechanism governing the increased susceptibility of cigarette smoke exposed ALI to SARS-CoV-2 infection. Single cell profiling of the cultures showed that infected airway cells displayed a global reduction in gene expression across all airway cell types. Interestingly, interferon response genes were induced in SARS-CoV-2 infected airway epithelial cells in the ALI cultures but smoking exposure together with SARS-CoV-2 infection reduced the interferon response. Treatment of cigarette smoke-exposed ALI cultures with Interferon β-1 abrogated the viral infection, suggesting that the lack of interferon response in the cigarette smoke-exposed ALI cultures allows for more severe viral infection and cell death. In summary, our data show that acute smoke exposure allows for more severe proximal airway epithelial disease from SARS-CoV-2 by reducing the mucosal innate immune response and ABSC proliferation and has implications for disease spread and severity in people exposed to cigarette smoke.