Extensive efforts are underway to develop bacteriophages as therapies against antibiotic-resistant bacteria. However, these efforts are confounded by the instability of phage preparations and a lack of suitable tools to assess active phage concentrations over time. Here, we use Dynamic Light Scattering (DLS) to measure changes in phage physical state in response to environmental factors and time, finding that phages tend to decay and form aggregates and that the degree of aggregation can be used to predict phage bioactivity. We then use DLS to optimize phage storage conditions for phages from human clinical trials, predict bioactivity in 50-year-old archival stocks, and evaluate phage samples for use in a phage therapy/wound infection model. We also provide a web-application (Phage-ELF) to facilitate DLS studies of phages. We conclude that DLS provides a rapid, convenient, and non-destructive tool for quality control of phage preparations in academic and commercial settings.

Abstract Rationale Pulmonary angiogenesis is a key driver of alveolarization. Our prior studies showed that nuclear factor kappa-B (NFκB) promotes pulmonary angiogenesis during early alveolarization. However, the mechanisms regulating temporal-specific NFκB activation in the pulmonary vasculature are unknown. Objectives To identify mechanisms that activate pro-angiogenic NFκB signaling in the developing pulmonary vasculature. Methods Proteomic analysis of the lung secretome was performed using 2D-DIGE. NFκB activation and angiogenic function was assessed in primary pulmonary endothelial cells (PEC) and TGFBI-regulated genes identified using RNA-sequencing. Alveolarization and pulmonary angiogenesis was assessed in WT and TGFBI null mice exposed to normoxia or hyperoxia. Lung TGFBI expression was determined in premature lambs supported by invasive and noninvasive respiratory support. Measurements and Main Results Secreted factors from the early alveolar, but not the late alveolar or adult lung, promoted proliferation and migration in quiescent, adult PEC. Proteomic analysis identified transforming growth factor beta-induced protein (TGFBI) as a protein highly expressed by myofibroblasts in the early alveolar lung that promoted PEC migration by activating NFκB via αvβ3 integrins. RNA-sequencing identified Csf3 as a TGFBI-regulated gene that enhances nitric oxide production in PEC. Loss of TGFBI in mice exaggerated the impaired pulmonary angiogenesis induced by chronic hyperoxia, and TGFBI expression was disrupted in premature lambs with impaired alveolarization. Conclusions Our studies identify TGFBI as a developmentally-regulated protein that promotes NFκB-mediated angiogenesis during early alveolarization by enhancing nitric oxide production. We speculate that dysregulation of TGFBI expression may contribute to diseases marked by impaired alveolar and vascular growth.

Abstract Background To characterize fibrogenic mechanisms, genome engineering and a human hepatic organoid system was used to produce an in vitro model for human liver fibrosis. Methods and results Human hepatic organoids that were engineered to express the most common causative mutation for Autosomal Recessive Polycystic Kidney Disease (ARPKD) developed the key features of ARPKD liver pathology (abnormal bile ducts and hepatic fibrosis) in only 21 days. Second harmonic generation microscopy confirmed that the ARPKD mutation increased collagen abundance and thick collagen fiber production in hepatic organoids; and we demonstrated that these changes mirrored that occurring in ARPKD liver tissue. Transcriptomic and other analyses indicated that the ARPKD mutation generates cholangiocytes with increased TGFβ-associated pathway activation, which are actively involved in collagen fiber generation. The abnormal cholangiocytes promote the expansion of collagen-producing myofibroblasts with markedly increased PDGFRβ protein expression and an activated STAT3 signaling pathway. Moreover, the transcriptome of ARPKD organoid myofibroblasts resembled that of myofibroblasts in liver tissue obtained from patients with commonly occurring acquired forms of liver fibrosis. The involvement of the PDGFRB pathway was confirmed by the anti-fibrotic effect observed when ARPKD organoids were treated with PDGFRB inhibitors. Conclusions Besides providing mechanistic insight into the pathogenesis of congenital (and possibly acquired) forms of liver fibrosis, ARPKD organoids could also be used to test the anti-fibrotic efficacy of potential anti-fibrotic therapies.

Abstract Due to the limitations of available in vitro systems and animal models, we lack a detailed understanding of the pathogenetic mechanisms and have minimal treatment options for liver fibrosis. To overcome this barrier, we engineered a live cell imaging system that identifies collagen producing cells in a human multi-lineage hepatic organoid. This system was adapted for use as a microwell-based platform (i.e., microHOs) where exposure to PDGF or TGFβ1 induced the formation of thick collagen fibers. Transcriptomic analysis revealed that TGFβ1 exposure converted a sub-population of hepatic stellate-like cells into myofibroblast-like cells, which contribute to the development of liver fibrosis. When pro-fibrotic intracellular signaling pathways were examined using pharmacological probes, the anti-fibrotic effect of receptor-specific tyrosine kinase inhibitors was limited to the fibrosis induced by the corresponding growth factor, which indicates that their anti-fibrotic efficacy would be limited to fibrotic diseases that were solely mediated by that growth factor. In contrast, GSK3β or p38 MAPK inhibitors could prevent TGFβ1- or PDGF-induced fibrosis in microHOs because they block intracellular signaling pathways that are commonly utilized by the TGFβ1 and PDGF receptors. Hence, these studies identified GSK3β and p38 MAPK inhibitors as potential new broad-spectrum therapies for liver fibrosis, and it is likely that other new therapies could subsequently be identified using this microHO system.

Interleukin 2 (IL-2) is a promising therapy for autoimmune type 1 diabetes (T1D), but the short half-life in vivo (less than 6 minutes) limits effective tissue exposure to IL-2. Tissue exposure is required for the tolerogenic effects of IL-2. We have developed an injectable hydrogel that incorporates heparin polymers to enable the sustained release of IL-2. This platform uses clinical grade and commercially available materials, including collagen, hyaluronan, and heparin, to deliver IL-2 by slowly degrading and releasing IL-2 over a two-week period in vivo. We find that heparin potentiates the activity of IL-2 and IL-2-mediated expansion of Foxp3+ regulatory T cell (Treg). Hydrogel-mediated IL-2 release showed a reduction of CD4+ and CD8+ T cells and an increase of FoxP3+ Treg in the lymph nodes of injected mice. Moreover, in the Non-Obese Diabetic (NOD) mouse model of T1D once-weekly administration of IL-2 hydrogels prevented diabetes onset as efficiently as 3x weekly repeated injections of soluble IL-2. Together these data suggest that heparin-containing hydrogels may have benefit in delivering low-dose IL-2 and promoting immune tolerance in autoimmune diabetes.

Abstract Despite great progress in the field, chronic Pseudomonas aeruginosa ( Pa ) infections remain a major cause of morbidity and mortality in patients with cystic fibrosis, necessitating treatment with inhaled antibiotics. Pf phage is a filamentous bacteriophage produced by Pa that has been reported to act as a structural element in Pa biofilms. Pf presence has been associated with resistance to antibiotics and poor outcomes in cystic fibrosis, though the underlying mechanisms are unclear. Here, we have investigated how Pf phages and sputum biopolymers impede antibiotic diffusion using human sputum samples and fluorescent recovery after photobleaching. We demonstrate that tobramycin interacts with Pf phages and sputum polymers through electrostatic interactions. We also developed a set of mathematical models to analyze the complex observations. Our analysis suggests that Pf phages in sputum reduce the diffusion of charged antibiotics due to a greater binding constant associated with organized liquid crystalline structures formed between Pf phages and sputum polymers. This study provides insights into antibiotic tolerance mechanisms in chronic Pa infections and may offer potential strategies for novel therapeutic approaches. Teaser Pf phages and sputum polymers reduce antibiotic diffusion via electrostatic interactions and liquid crystal formation.

Abstract Heart disease is the leading cause of death globally, and delivery of therapeutic cargo ( e.g. cells, proteins, drugs) through direct injection into the myocardium is a promising clinical intervention. However, retention of deliverables to the contracting myocardium is low, with as much as 60 - 90% of payload being lost within 24 hours. Commercially-available injectable hydrogels, including Matrigel, have been hypothesized to increase payload retention, but have not yielded significant improvements in quantified analyses. Here, we assess a recombinant hydrogel composed of chemically modified hyaluronan and elastin-like protein (HELP) as an alternative injectable carrier to increase cargo retention. HELP is crosslinked using dynamic covalent bonds, and tuning the hyaluronan chemistry significantly alters hydrogel mechanical properties including stiffness, stress-relaxation rate, and ease of injectability through a needle or catheter. These materials can be injected even after complete crosslinking, extending the time window for surgical delivery. We show that HELP gels significantly improve in vivo retention of microsphere cargo compared to Matrigel, both 1 day and 7 days post-injection directly into the rat myocardium. These data suggest that HELP gels may assist with the clinical translation of therapeutic cargo designed for delivery into the contracting myocardium by preventing acute cargo loss.