Human gastrointestinal tract research is limited by the paucity of in vitro intestinal cell models that recapitulate the cellular diversity and complex functions of human physiology and disease pathology. Human intestinal enteroid (HIE) cultures contain multiple intestinal epithelial cell types that comprise the intestinal epithelium (enterocytes and goblet, enteroendocrine, and Paneth cells) and are physiologically active based on responses to agonists. We evaluated these nontransformed, three-dimensional HIE cultures as models for pathogenic infections in the small intestine by examining whether HIEs from different regions of the small intestine from different patients are susceptible to human rotavirus (HRV) infection. Little is known about HRVs, as they generally replicate poorly in transformed cell lines, and host range restriction prevents their replication in many animal models, whereas many animal rotaviruses (ARVs) exhibit a broader host range and replicate in mice. Using HRVs, including the Rotarix RV1 vaccine strain, and ARVs, we evaluated host susceptibility, virus production, and cellular responses of HIEs. HRVs infect at higher rates and grow to higher titers than do ARVs. HRVs infect differentiated enterocytes and enteroendocrine cells, and viroplasms and lipid droplets are induced. Heterogeneity in replication was seen in HIEs from different patients. HRV infection and RV enterotoxin treatment of HIEs caused physiological lumenal expansion detected by time-lapse microscopy, recapitulating one of the hallmarks of rotavirus-induced diarrhea. These results demonstrate that HIEs are a novel pathophysiological model that will allow the study of HRV biology, including host restriction, cell type restriction, and virus-induced fluid secretion.Our research establishes HIEs as nontransformed cell culture models to understand human intestinal physiology and pathophysiology and the epithelial response, including host restriction of gastrointestinal infections such as HRV infection. HRVs remain a major worldwide cause of diarrhea-associated morbidity and mortality in children ≤5 years of age. Current in vitro models of rotavirus infection rely primarily on the use of animal rotaviruses because HRV growth is limited in most transformed cell lines and animal models. We demonstrate that HIEs are novel, cellularly diverse, and physiologically relevant epithelial cell cultures that recapitulate in vivo properties of HRV infection. HIEs will allow the study of HRV biology, including human host-pathogen and live, attenuated vaccine interactions; host and cell type restriction; virus-induced fluid secretion; cell-cell communication within the epithelium; and the epithelial response to infection in cultures from genetically diverse individuals. Finally, drug therapies to prevent/treat diarrheal disease can be tested in these physiologically active cultures.

Abstract Organ interactions resulting from drug, metabolite or xenobiotic transport between organs are key components of human metabolism that impact therapeutic action and toxic side effects. Preclinical animal testing often fails to predict adverse outcomes arising from sequential, multi-organ metabolism of drugs and xenobiotics. Human microphysiological systems (MPS) can model these interactions and are predicted to dramatically improve the efficiency of the drug development process. In this study, five human MPS models were evaluated for functional coupling, defined as the determination of organ interactions via an in vivo- like sequential, organ-to-organ transfer of media. MPS models representing the major absorption, metabolism and clearance organs (the jejunum, liver and kidney) were evaluated, along with skeletal muscle and neurovascular models. Three compounds were evaluated for organ-specific processing: terfenadine for pharmacokinetics (PK) and toxicity; trimethylamine (TMA) as a potentially toxic microbiome metabolite; and vitamin D3. We show that the organ-specific processing of these compounds was consistent with clinical data, and discovered that trimethylamine-N-oxide (TMAO) crosses the blood-brain barrier. These studies demonstrate the potential of human MPS for multi-organ toxicity and absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME), provide guidance for physically coupling MPS, and offer an approach to coupling MPS with distinct media and perfusion requirements.

Enterohemorrhagic E. coli (EHEC) causes over 70,000 episodes of foodborne diarrhea annually in the USA. The early sequence of events which precede life-threatening hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome are not fully understood due to the initial asymptomatic phase of the disease and the lack of a suitable animal model. The aim of this study was to determine the initial molecular events in the interaction between EHEC and human colonic epithelium.Human colonoids derived from adult proximal colonic stem cells were developed into monolayers to study EHEC-epithelial interactions. Monolayer confluency and differentiation were monitored by transepithelial electrical resistance (TER) measurements. The monolayers were apically infected with EHEC and the progression of epithelial damage over time was assessed using biochemical and imaging approaches.Human colonoid cultures recapitulate the differential protein expression patterns characteristic of the crypt and surface colonocytes. Mucus-producing differentiated colonoid monolayers are preferentially colonized by EHEC. Upon colonization, EHEC forms characteristic attaching and effacing lesions on the apical surface of colonoid monolayers. Mucin 2, a main component of colonic mucus, and protocadherin 24 (PCDH24), a microvillar resident protein, are targeted by EHEC at early stages of infection. The EHEC secreted serine protease, EspP, initiates brush border damage through PCDH24 reduction.Human colonoid monolayers are a relevant pathophysiological model which allows the study of early molecular events during enteric infections. Colonoid monolayers provide access to both apical and basolateral surfaces, thus providing an advantage over 3D cultures to study host-pathogen interactions in a controllable and tractable manner. EHEC reduces colonic mucus and affects the brush border cytoskeleton in the absence of commensal bacteria.

Global plastic use has consistently increased over the past century with several different types of plastics now being produced. Much of these plastics end up in oceans or landfills leading to a substantial accumulation of plastics in the environment. Plastic debris slowly degrades into microplastics (MPs) that can ultimately be inhaled or ingested by both animals and humans. A growing body of evidence indicates that MPs can cross the gut barrier and enter into the lymphatic and systemic circulation leading to accumulation in tissues such as the lungs, liver, kidney, and brain. The impacts of mixed MPs exposure on tissue function through metabolism remains largely unexplored. To investigate the impact of ingested MPs on target metabolomic pathways, mice were subjected to either polystyrene microspheres or a mixed plastics (5 µm) exposure consisting of polystyrene, polyethylene and the biodegradability and biocompatible plastic, poly-(lactic-co-glycolic acid). Exposures were performed twice a week for four weeks at a dose of either 0, 2, or 4 mg/week via oral gastric gavage. Our findings demonstrate that, in mice, ingested MPs can pass through the gut barrier, be translocated through the systemic circulation, and accumulate in distant tissues including the brain, liver, and kidney. Additionally, we report on the metabolomic changes that occur in the colon, liver and brain which show differential responses that are dependent on dose and type of MPs exposure. Lastly, our study provides proof of concept for identifying metabolomic alterations associated with MPs exposure and adds insight into the potential health risks that mixed MPs contamination may pose to humans.

ABSTRACT Intestinal myeloid cells play a critical role in balancing intestinal homeostasis and inflammation. Here, we report that expression of the autophagy related 5 (Atg5) protein in myeloid cells prevents dysbiosis and excessive intestinal inflammation by limiting IL-12 production. Mice with a selective genetic deletion of Atg5 in myeloid cells (Atg5ΔMye) showed signs of dysbiosis prior to colitis and exhibited severe intestinal inflammation upon colitis induction that was characterized by increased IFNγ production. This increase in IFNγ was due to excess IL-12 secretion from Atg5 -deficient myeloid cells. Atg5 functions to limit IL-12 secretion through modulation of late endosome (LE) acidity. Additionally, the autophagy cargo receptor NBR1, which accumulates in Atg5-deficient cells, played a role by delivering IL-12 to LE. Restoration of the intestinal microbiota and alleviation of intestinal inflammation was achieved by genetic deletion of IL-12 in Atg5ΔMye mice. In summary, Atg5 expression in intestinal myeloid cells acts as an anti-inflammatory brake to regulate IL-12 thus preventing dysbiosis and uncontrolled IFNγ-driven intestinal inflammation.

ABSTRACT Objective One of the features of ulcerative colitis (UC) is a defect in the protective mucus layer. This has been attributed to a reduced number of goblet cells (GC). However, it is not known whether abnormal GC mucus secretion also contributes to the reduced mucus layer. Our aims were to test the hypothesis that GC secretion was abnormal in UC with the changes persistent in colonoids even in the absence of immune cells. Design Colonoids were established from intestinal stem cells of healthy subjects (HS) and from patients with UC (inactive and active sites). Colonoids were maintained as undifferentiated (UD) or induced to differentiate (DF) and studied as 3D or monolayers on Transwell filters. Total RNA was extracted for quantitative real-time PCR analysis. Carbachol and PGE 2 mediated stimulation followed by examination of mucus layer by MUC2 IF/confocal microscopy and TEM were performed. Results Colonoids derived from patients with UC can be propagated over many passages; however, they exhibit a reduced rate of growth and TEER compared with colonoids from HS. Differentiated UC colonoid monolayers form a thin and non-continuous mucus layer. UC colonoids have increased expression of secretory lineage markers: ATOH1 and SPDEF, including MUC2 positive GCs and ChgA positive enteroendocrine cells but failed to secrete mucin when exposed to the cholinergic agonist carbachol and PGE 2 , which caused increased secretion in HS. Exposure to TNF-α (5days), reduced the number of GC with a greater percentage decrease in UC colonoids compared to HS. Conclusions Abnormal mucus layer in UC is due to long term changes in epithelial cells that lead to abnormal mucus secretion as well as effects of the inflammatory environment to reduce the number of GC. This continued defect in GC mucus secretion may be involved in UC recurrence.

ABSTRACT Diarrhea occurs in 2-50% of cases of COVID-19 (∼8% is average across series). The diarrhea does not appear to account for the disease mortality and its contribution to the morbidity has not been defined, even though it is a component of Long Covid or post-infectious aspects of the disease. Even less is known about the pathophysiologic mechanism of the diarrhea. To begin to understand the pathophysiology of COVID-19 diarrhea, we exposed human enteroid monolayers obtained from five healthy subjects and made from duodenum, jejunum, and proximal colon to live SARS-CoV-2 and virus like particles (VLPs) made from exosomes expressing SARS-CoV-2 structural proteins (Spike, Nucleocapsid, Membrane and Envelope). Results: 1) Live virus was exposed apically for 90 min, then washed out and studied 2 and 5 days later. SARS-Cov-2 was taken up by enteroids and live virus was present in lysates and in the apical>>basolateral media of polarized enteroids 48 h after exposure. This is the first demonstration of basolateral appearance of live virus after apical exposure. High vRNA concentration was detected in cell lysates and in the apical and basolateral media up to 5 days after exposure. 2) Two days after viral exposure, cytokine measurements of media showed significantly increased levels of IL-6, IL-8 and MCP-1. 3) Two days after viral exposure, mRNA levels of ACE2, NHE3 and DRA were reduced but there was no change in mRNA of CFTR. NHE3 protein was also decreased. 4) Live viral studies were mimicked by some studies with VLP exposure for 48 h. VLPs with Spike-D614G bound to the enteroid apical surface and was taken up; this resulted in decreased mRNA levels of ACE2, NHE3, DRA and CFTR. 4) VLP effects were determined on active anion secretion measured with the Ussing chamber/voltage clamp technique. S-D614G acutely exposed to apical surface of human ileal enteroids did not alter the short-circuit current (Isc). However, VLPS-D614G exposure to enteroids that were pretreated for ∼24 h with IL-6 plus IL-8 induced a concentration dependent increase in Isc indicating stimulated anion secretion, that was delayed in onset by ∼8 min. The anion secretion was inhibited by apical exposure to a specific calcium activated Cl channel (CaCC) inhibitor (AO1) but not by a specific CFTR inhibitor (BP027); was inhibited by basolateral exposure to the K channel inhibit clortimazole; and was prevented by pretreatment with the calcium buffer BAPTA-AM. 5) The calcium dependence of the VLP-induced increase in Isc was studied in Caco-2/BBe cells stably expressing the genetically encoded Ca2+ sensor GCaMP6s. 24 h pretreatment with IL-6/IL-8 did not alter intracellular Ca2+. However, in IL-6/IL-8 pretreated cells, VLP S-D614G caused appearance of Ca 2+ waves and an overall increase in intracellular Ca 2+ with a delay of ∼10 min after VLP addition. We conclude that the diarrhea of COVID-19 appears to an example of a calcium dependent inflammatory diarrhea that involves both acutely stimulated Ca2+ dependent anion secretion (stimulated Isc) that involves CaCC and likely inhibition of neutral NaCl absorption (decreased NHE3 protein and mRNA and decreased DRA mRNA).

Diarrhea occurs in up to 50% of cases of COVID-19. Nonetheless, the pathophysiologic mechanism(s) have not been determined.

Inflammatory macrophages in the intestine are a key pathogenic factor driving inflammatory bowel disease (IBD). Here, we report the role of inflammatory macrophage-mediated notch signaling on secretory lineage differentiation in the intestinal epithelium. Utilizing IL-10-deficient (Il10-/-) mice, a model of spontaneous colitis, we found an increase in Notch activity in the colonic epithelium as well as an increase in intestinal macrophages expressing Notch ligands, which are increased in macrophages upon inflammatory stimuli. Furthermore, a co-culture system of inflammatory macrophages and intestinal stem and proliferative cells during differentiation reduced goblet and enteroendocrine cells. This was recapitulated when utilizing a Notch agonist on human colonic organoids (colonoids). In summary, our findings indicate that inflammatory macrophages upregulate notch ligands that activate notch signaling in ISC via cell-cell interactions, which in turn inhibits secretory lineage differentiation in the gastrointestinal (GI) tract.