Increased airway smooth muscle (ASM) within the bronchial wall of asthmatic patients has been well documented and is likely to be the result of increased muscle proliferation. We have for the first time been able to culture ASM cells from asthmatic patients and to compare their proliferation rate with that of nonasthmatic patients. Asthmatic ASM cell cultures (n = 12) were established from explanted lungs and endobronchial biopsies. Nonasthmatic ASM cells (n = 10) were obtained from explanted tissue from patients with no airway disease, emphysema, carcinoma, and fibrosing alveolitis. Cell counts, tritiated thymidine incorporation, and cell cycle analysis were conducted over 7 d. Asthmatic ASM cell numbers at Days 3, 5, and 7 were significantly higher than corresponding values for nonasthmatic cells (p < 0.05). Tritiated thymidine incorporation was increased 3.2-fold in asthmatic cells compared with nonasthmatic cells within the first 24 h (p = 0.026). Flow cytometric analysis of DNA content on Days 1 and 2 revealed that a significantly greater percentage of asthmatic ASM cells were in the G2 + M phase (p < 0.05). This study shows for the first time that proliferation of ASM cells is increased in patients with asthma and provides evidence for an intrinsic abnormality in the ASM cell in this disease.Keywords: asthma; human airway smooth muscle; cell culture; cell proliferation; hyperplasia

ABSTRACT Osteoprotegerin (OPG), a decoy receptor for receptor activator of NF-kB ligand (RANKL), is used as a biomarker for assessing severity of liver fibrosis. However, its expression and role in pulmonary fibrosis are unknown. We hypothesized that OPG also has a role in pulmonary fibrosis. Human and mouse control and fibrotic lung tissue were used to examine OPG expression, and mouse precision-cut lung slices to study OPG regulation in pulmonary fibrosis. Serum from idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) patients and controls was analysed to investigate whether OPG levels correlate with disease status as measured by lung function. OPG-protein levels were significantly higher in mouse and human fibrotic lung tissue compared to control. OPG-mRNA and protein production were induced in mouse precision-cut-lung slices upon TGFβ stimulation and could be inhibited with galunisertib, a TGFβ receptor kinase inhibitor. OPG-protein levels in fibrotic mouse lung tissue correlated with degree of fibrosis. Isolated lung fibroblasts from IPF patients had higher OPG-protein levels than control fibroblasts. Serum OPG levels in IPF patients, at first presentation, negatively correlated with diffusing capacity to carbon monoxide. Finally, serum OPG levels higher than 1234 pg/ml at first presentation were associated with progression of disease in IPF patients. In conclusion, OPG is produced in lung tissue, associates with fibrosis, and may be a potential prognostic biomarker for IPF disease progression. Validation in a larger cohort is warranted to further explore the role of OPG in pulmonary fibrosis and its potential for assessing the prognosis of fibrotic lung disease in individual patients. Take home message Osteoprotegerin is present in fibrotic lung tissue and high serum levels correlate with low lung function and IPF disease progression in this small study, indicating osteoprotegerin may have value as a biomarker to predict IPF progression

Abstract Extracellular matrix (ECM) is a dynamic network of proteins, proteoglycans and glycosaminoglycans, providing structure to the tissue and biochemical and biomechanical instructions to the resident cells. In fibrosis, the composition and the organization of the ECM are altered, and these changes influence cellular behaviour. Biochemical (i. e. protein composition) and biomechanical changes in ECM take place simultaneously in vivo . Investigating these changes individually in vitro to examine their (patho)physiological effects has been difficult. In this study, we generated an in vitro model to reflect the altered mechanics of a fibrotic microenvironment through applying fibre crosslinking via ruthenium/sodium persulfate crosslinking on native lung ECM-derived hydrogels. Crosslinking of the hydrogels without changing the biochemical composition of the ECM resulted in increased stiffness and decreased viscoelastic stress relaxation. The altered stress relaxation behaviour was explained using a generalized Maxwell model. Fibre analysis of the hydrogels showed that crosslinked hydrogels had a higher percentage of matrix with a high density and a shorter average fibre length. Fibroblasts seeded on ruthenium-crosslinked lung ECM-derived hydrogels showed myofibroblastic differentiation with a loss of spindle-like morphology together with greater α-smooth muscle actin (α-SMA) expression, increased nuclear area and circularity without any decrease in the viability, compared with the fibroblasts seeded on the native lung-derived ECM hydrogels. In summary, ruthenium crosslinking of native ECM-derived hydrogels provides an exciting opportunity to alter the biomechanical properties of the ECM-derived hydrogels while maintaining the protein composition of the ECM to study the influence of mechanics during fibrotic lung diseases.

Abstract IL-11 is linked to the pathogenesis of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), since IL-11 induces myofibroblast differentiation and stimulates their excessive collagen deposition in the lung. The alveolar architecture is disrupted in IPF, yet the effect of IL-11 on dysregulated alveolar repair associated with IPF remains to be elucidated. We hypothesized that epithelial-fibroblast communication associated with lung repair is disrupted by IL-11. Thus, we studied whether IL-11 affects the repair responses of alveolar lung epithelium using mouse lung organoids and precision cut lung slices (PCLS). Additionally, we assessed the anatomical distribution of IL-11 and IL-11 receptor in human control and IPF lungs using immunohistochemistry. IL-11 protein was observed in human control lungs in airway epithelium, macrophages and in IPF lungs, in areas of AT2 cell hyperplasia. IL-11R staining was predominantly present in smooth muscle and macrophages. In mouse organoid co-cultures of epithelial cells with lung fibroblasts, IL-11 decreased organoid number and reduced the fraction of pro-SPC expressing organoids, indicating dysfunctional regeneration initiated by epithelial progenitors. In mouse PCLS alveolar marker gene expression declined, whereas airway markers were increased. The response of primary human fibroblasts to IL-11 on gene expression level was minimal, though bulk RNA-sequencing revealed IL-11 modulated a number of processes which may play a role in IPF, including unfolded protein response, glycolysis and Notch signaling. In conclusion, IL-11 disrupts alveolar epithelial regeneration by inhibiting progenitor activation and suppressing the formation of mature alveolar epithelial cells. The contribution of dysregulated fibroblast – epithelial communication to this process appears to be limited.

The inherent extracellular matrix (ECM) originating from a specific tissue impacts the process of vascularization, specifically vascular network formation (VNF) orchestrated by endothelial cells (ECs). The specific contribution toward these processes of ECM from highly disparate organs such as the skin and lungs remains a relatively unexplored area. In this study, we compared VNF and ECM remodeling mediated by microvascular ECs within gel, lung, and combinations thereof (hybrid) ECM hydrogels. Irrespective of the EC source, the skin-derived ECM hydrogel exhibited a higher propensity to drive and support VNF compared to both lung and hybrid ECM hydrogels. There were distinct disparities in the physical properties of the three types of hydrogels, including viscoelastic properties and complex architectural configurations, including fiber diameter, pore area, and numbers among the fibers. The hybrid ECM hydrogel properties were unique and not the sum of the component ECM parts. Furthermore, cellular ECM remodeling responses varied with skin ECM hydrogels promoting matrix metalloproteinase 1 (MMP1) secretion, while hybrid ECM hydrogels exhibited increased MMP9, fibronectin, and collagen IV deposition. Principal component analysis (PCA) indicated that the influence of a gel's mechanical properties on VNF was stronger than the biochemical composition. These data indicate that the organ-specific properties of an ECM dictate its capacity to support VNF, while intriguingly showing that ECs respond to more than just the biochemical constituents of an ECM. The study suggests potential applications in regenerative medicine by strategically selecting ECM origin or combinations to manipulate vascularization, offering promising prospects for enhancing wound healing through pro-regenerative interventions.

Extracellular matrix (ECM) remodeling has been implicated in the irreversible obstruction of airways and destruction of alveolar tissue in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Studies investigating differences in the lung ECM in COPD have mainly focused on some collagens and elastin, leaving an array of ECM components unexplored. We investigated the differences in the ECM landscape comparing severe-early onset (SEO-) COPD and moderate COPD to control lung tissue for collagen type I α chain 1 (COL1A1), COL6A1, COL6A2, COL14A1, fibulin 2 and 5 (FBLN2, FBLN5), latent transforming growth factor-beta binding protein 4 (LTBP4), lumican (LUM), versican (VCAN), decorin (DCN), and elastin (ELN) using image analysis and statistical modelling. Percentage area and/or mean intensity of expression of LUM in the parenchyma, and COL1A1, FBLN2, LTBP4, DCN, and VCAN in the airway walls, was proportionally lower in COPD compared to controls. Lowered levels of most ECM proteins were associated with decreasing FEV 1 measurements, indicating a relationship with disease severity. Furthermore, we identified six unique ECM signatures where LUM and COL6A1 in parenchyma and COL1A1, FBLN5, DCN, and VCAN in airway walls appear essential in reflecting the presence and severity of COPD. These signatures emphasize the need to examine groups of proteins to represent an overall difference in the ECM landscape in COPD, that are more likely to be related to functional effects, than individual proteins. Our study revealed differences in the lung ECM landscape between control and COPD and between SEO and moderate COPD signifying distinct pathological processes in the different subgroups.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a chronic lung disease characterized by ongoing inflammation, impaired tissue repair, and aberrant interplay between airway epithelium and fibroblasts, resulting in an altered extracellular matrix (ECM) composition. The ECM is the three-dimensional (3D) scaffold that provides mechanical support and biochemical signals to cells, now recognized not only as a consequence but as a potential driver of disease progression. To elucidate how the ECM influences pathophysiological changes occurring in COPD, in vitro models are needed that incorporate the ECM. ECM hydrogels are a novel experimental tool for incorporating the ECM in experimental setups. We developed an airway wall model by combining lung-derived ECM hydrogels with a co-culture of primary human fibroblasts and epithelial cells at an air–liquid interface. Collagen IV and a mixture of collagen I, fibronectin, and bovine serum albumin were used as basement membrane-mimicking coatings. The model was initially assembled using porcine lung-derived ECM hydrogels and subsequently with COPD and non-COPD human lung-derived ECM hydrogels. The resulting 3D construct exhibited considerable contraction and supported co-culture, resulting in a differentiated epithelial layer. This multi-component 3D model allows the investigation of remodelling mechanisms, exploring ECM involvement in cellular crosstalk, and holds promise as a model for drug discovery studies exploring ECM involvement in cellular interactions.

Extracellular matrix (ECM) remodeling has been implicated in the irreversible obstruction of airways and destruction of alveolar tissue in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Studies investigating differences in the lung ECM in COPD have mainly focused on some collagens and elastin, leaving an array of ECM components unexplored. We investigated the differences in the ECM landscape comparing severe-early onset (SEO-) COPD and moderate COPD to control lung tissue for collagen type I α chain 1 (COL1A1), COL6A1, COL6A2, COL14A1, fibulin 2 and 5 (FBLN2, FBLN5), latent transforming growth factor-beta binding protein 4 (LTBP4), lumican (LUM), versican (VCAN), decorin (DCN), and elastin (ELN) using image analysis and statistical modelling. Percentage area and/or mean intensity of expression of LUM in the parenchyma, and COL1A1, FBLN2, LTBP4, DCN, and VCAN in the airway walls, was proportionally lower in COPD compared to controls. Lowered levels of most ECM proteins were associated with decreasing FEV1 measurements, indicating a relationship with disease severity. Furthermore, we identified six unique ECM signatures where LUM and COL6A1 in parenchyma and COL1A1, FBLN5, DCN, and VCAN in airway walls appear essential in reflecting the presence and severity of COPD. These signatures emphasize the need to examine groups of proteins to represent an overall difference in the ECM landscape in COPD, that are more likely to be related to functional effects, than individual proteins. Our study revealed differences in the lung ECM landscape between control and COPD and between SEO and moderate COPD signifying distinct pathological processes in the different subgroups.

ABSTRACT Receptor activator for NF-kappa beta (RANK) ligand (RANKL) is found in lung tissue and elevated in lung diseases like chronic obstructive pulmonary disease (COPD), cystic fibrosis and silica-induced pulmonary fibrosis. RANKL is a well-known stimulator of bone tissue degradation, which may explain the association between these lung diseases and osteoporosis. However, RANKL is also reported to be involved in epithelial cell regeneration in breast and thymus. We hypothesized that RANKL, which is produced directly in lung tissue, is involved in the regeneration of lung epithelial cells. Therefore, we aimed to clarify the specific role of RANKL in this process. Using an organoid model of lung epithelial development by co-culturing primary EpCAM+ lung epithelial cells with fibroblasts, we found higher numbers of alveolar organoids after soluble RANKL treatment compared to control. Importantly, this effect was similar in human RANKL-treated organoids derived from epithelial cells isolated from lung tissue of COPD patients. The effect of RANKL was abrogated upon addition of osteoprotegerin, the soluble inhibitor of RANKL. We also found that RANKL stimulated phosphorylation of Akt suggesting involvement of its receptor RANK in the signaling pathway. Moreover, in vivo RANKL administration resulted in more type II alveolar epithelial cells in lungs of mice with silica-induced pulmonary fibrosis. In conclusion, we found that RANKL promotes type II alveolar epithelial cell regeneration and may therefore be a novel contributor to lung tissue repair.