There is an unmet need for pre-clinical models to understand the pathogenesis of human respiratory viruses; and predict responsiveness to immunotherapies. Airway organoids can serve as an ex-vivo human airway model to study respiratory viral pathogenesis; however, they rely on invasive techniques to obtain patient samples. Here, we report a non-invasive technique to generate human nose organoids (HNOs) as an alternate to biopsy derived organoids. We made air liquid interface (ALI) cultures from HNOs and assessed infection with two major human respiratory viruses, respiratory syncytial virus (RSV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Infected HNO-ALI cultures recapitulate aspects of RSV and SARS-CoV-2 infection, including viral shedding, ciliary damage, innate immune responses, and mucus hyper-secretion. Next, we evaluated the feasibility of the HNO-ALI respiratory virus model system to test the efficacy of palivizumab to prevent RSV infection. Palivizumab was administered in the basolateral compartment (circulation) while viral infection occurred in the apical ciliated cells (airways), simulating the events in infants. In our model, palivizumab effectively prevented RSV infection in a concentration dependent manner. Thus, the HNO-ALI model can serve as an alternate to lung organoids to study respiratory viruses and testing therapeutics.

Abstract Foodborne disease attributed to consumption of shellfish contaminated with human norovirus (HuNoV) is one of many global health concerns. Our study aimed to determine conditions of heat-inactivation of HuNoV in freshwater clams (Corbicula japonica) using a recently developed HuNoV cultivation system employing stem-cell derived human intestinal enteroids (HIEs). We first measured the internal temperature of clam tissue in a water bath during boiling at 90 °C and found that approximately 2 minutes are required for the tissue to reach 90 °C. Next, GII.4 HuNoV was spiked into the center of the clam tissue followed by boiling at 90 °C for 1, 2, 3, or 4 minutes. The infectivity of the HuNoV in clam tissue homogenates was evaluated using HIEs. We demonstrated that HuNoV in unboiled clam tissue homogenates replicated in HIEs, whereas infectivity was lost in all boiled samples, indicating that heat treatment at 90 °C for 1 minute is sufficient to inactivate HuNoV in freshwater clams. To our knowledge, this is the first study to determine the infectivity of HuNoV tolerability in shellfish using HIEs and our results will be informative to develop strategies to inactivate HuNoV in foods.

Abstract Background & Aims Human intestinal epithelial organoids (enteroids and colonoids) are tissue cultures used for understanding the physiology of the intestinal epithelium. Here, we explored the effect on the transcriptome of common variations in culture methods, including extracellular matrix substrate, format, tissue segment, differentiation status, and patient heterogeneity. Methods RNA-sequencing datasets from 251 experiments performed on 35 human enteroid and colonoid lines from 28 patients were aggregated from several groups in the Texas Medical Center. DESeq2 and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) was used to identify differentially expressed genes and enriched of pathways. Results PERMANOVA, Pearson correlations, and dendrogram analysis of all data indicated three tiers of influence of culture methods on transcriptomic variation: substrate (collagen vs. Matrigel) and format (3D, transwell, and monolayer) had the largest effect (7,271-1,305 differentially expressed genes-DEGs); segment of origin (duodenum, jejunum, ileum, colon) and differentiation status had a moderate effect (5,977-420 DEGs), and patient heterogeneity and specific experimental manipulations (e.g., pathogen infection) had the smallest effect. GSEA identified hundreds of pathways that varied between culture methods, such as IL1 cytokine signaling enriched in transwell vs. monolayer cultures, and cholesterol biosynthesis genes enriched in Matrigel vs. collagen cultures. Conclusions Surprisingly large differences in organoid transcriptome were driven by variations in culture methods such as format and substrate, whereas experimental manipulations such as infection had modest effects. These results show that common variations in culture conditions can have large effects on intestinal organoids and should be accounted for when designing experiments and comparing results between laboratories. Our data constitute the largest RNA-seq dataset interrogating human intestinal organoids.

Human intestinal enteroids (HIEs) are gaining recognition as physiologically relevant models of the intestinal epithelium. While HIEs from adults are used extensively in biomedical research, few studies have used HIEs from infants. Considering the dramatic developmental changes that occur during infancy, it is important to establish models that represent infant intestinal characteristics and physiological responses. We established jejunal HIEs from infant surgical samples and performed comparisons to jejunal HIEs from adults using RNA sequencing (RNA-Seq) and morphologic analyses. We then validated differences in key pathways through functional studies and determined whether these cultures recapitulate known features of the infant intestinal epithelium. RNA-Seq analysis showed significant differences in the transcriptome of infant and adult HIEs, including differences in genes and pathways associated with cell differentiation and proliferation, tissue development, lipid metabolism, innate immunity, and biological adhesion. Validating these results, we observed a higher abundance of cells expressing specific enterocyte, goblet cell, and enteroendocrine cell markers in differentiated infant HIE monolayers, and greater numbers of proliferative cells in undifferentiated 3D cultures. Compared to adult HIEs, infant HIEs portray characteristics of an immature gastrointestinal epithelium including significantly shorter cell height, lower epithelial barrier integrity, and lower innate immune responses to infection with an oral poliovirus vaccine. HIEs established from infant intestinal tissues reflect characteristics of the infant gut and are distinct from adult cultures. Our data support the use of infant HIEs as an

Abstract Organoids emulate many aspects of their parental tissue and have been used to study pathogen-host interactions, tissue development and regeneration, metabolic diseases, and other complex biological processes. Here, we report a robust protocol for the isolation, maintenance and differentiation of rabbit small intestinal organoids and organoid-derived cell monolayers. We also report conditions that sustain an intestinal stem cell population in spheroid culture. Rabbit intestinal spheroids and monolayer cultures propagated and expanded most efficiently in L-WRN-conditioned medium that contained the signalling factors Wnt, R-spondin and Noggin, and that had been supplemented with ROCK and TGF-β inhibitors. Organoid and monolayer differentiation was initiated by switching to a medium that contained less of the L-WRN-conditioned medium and was supplemented with ROCK and Notch signalling inhibitors. Using immunofluorescence staining and RT-qPCR, we demonstrate that organoids contained enterocytes, enteroendocrine cells, goblet cells and Paneth cells. These findings demonstrate that our rabbit intestinal organoids have many of the multi-cellular characteristics of, and closely resemble, an intestinal epithelium. This newly established organoid culture system will provide a useful tool to study rabbit gastrointestinal physiology and disease. For example, organoids and organoid-derived cells may be used to propagate and study caliciviruses and other enterotropic pathogens that cannot be grown in conventional cell culture systems.

In vitro models, such as primary cells and continuous cell lines routinely used for evaluating drug candidates, have limitations in their translational relevance to human diseases. Organotypic cultures are increasingly being used to assess therapeutics for various cancers and infectious diseases. Monitoring drug cytotoxicity in cell cultures is crucial in drug development, and several commercially available kits for cytotoxicity assessment offer distinct advantages and limitations. Given the complexity of organoid cultures, including donor-driven variability, we investigated drug-treated, tissue stem cell-derived human intestinal organoid responses with commonly used cell cytotoxicity assay kits. Using seven different compounds, we compared the cytotoxicity assay performance of two different leaky membrane-based and two metabolism-based assays. Significant variability was seen in reported viability outcomes across assays and organoid lines. High baseline activity of lactate dehydrogenase (LDH) in four human intestinal organoid lines required modification of the standard LDH assay protocol. Additionally, the LDH assay reported unique resilience to damage in a genetically-modified line contrasting results compared to other assays. This study highlights factors that can impact the measurement of cell cytotoxicity in intestinal organoid models, which are emerging as valuable new tools for research and pre-clinical drug testing and suggest the need for using multiple assay types to ensure reliable cytotoxicity assessment.

ABSTRACT Human noroviruses (HuNoVs) are a diverse group of RNA viruses that cause endemic and pandemic acute viral gastroenteritis. Previously, we reported that many HuNoV strains require bile or bile acid (BA) to infect human jejunal intestinal enteroid cultures. BA was not essential for the replication of a pandemic-causing GII.4 HuNoV strain. We found the hydrophobic BA glycochenodeoxycholic acid (GCDCA) promotes the replication of the BA-dependent strain GII.3 in jejunal enteroids. Furthermore, we found that inhibition of the G-protein-coupled BA receptor, sphingosine-1-phosphate receptor 2 (S1PR2), by JTE-013, reduced GII.3 infection dose-dependently and inhibited GII.3 cellular uptake in enteroids. Herein, we sought to determine whether S1PR2 is required for other BA-dependent HuNoV strains, the BA-independent GII.4, and whether S1PR2 is required for BA-dependent HuNoV infection in HIEs from other small intestinal segments. We found a second S1PR2 inhibitor, GLPG2938, reduces GII.3 infection dose-dependently, and an S1PR2 agonist (CYM-5520) enhances GII.3 replication in the absence of GCDCA. GII.3 replication also is abrogated in the presence of JTE-013 and CYM-5520. JTE-013 inhibition of S1PR2 in jejunal HIEs reduces GI.1, GII.3, and GII.17 (BA-dependent) but not GII.4 Sydney (BA-independent) infection, providing additional evidence of strain-specific differences in HuNoV infection. Finally, GII.3 infection of duodenal, jejunal, and ileal lines derived from the same individual is reduced with S1PR2 inhibition, indicating a common mechanism of BA-dependent infection among multiple segments of the small intestine. Our results support a model where BA-dependent HuNoVs exploit BA effects on S1PR2 to infect the entire small intestine. IMPORTANCE Human noroviruses (HuNoVs) are important viral human pathogens that cause both outbreaks and sporadic gastroenteritis. These viruses are diverse, and many strains are capable of infecting humans. Our previous studies have identified strain-specific requirements for hydrophobic bile acids (BAs) to infect intestinal epithelial cells. Moreover, we identified a BA receptor, sphingosine-1-phosphate receptor 2 (S1PR2), required for infection by a BA-dependent strain. To better understand how various HuNoV strains enter and infect the small intestine and the role of S1PR2 in HuNoV infection, we evaluated infection by additional HuNoV strains using an expanded repertoire of intestinal enteroid cell lines. We found that multiple BA-dependent strains, but not a BA-independent strain, all require S1PR2 for infection. In addition, BA-dependent infection requires S1PR2 in multiple segments of the small intestine. Together, these results indicate that S1PR2 has value as a potential therapeutic target for BA-dependent HuNoV infection.

We describe the epidemiology and clinical characteristics of 29 patients with cancer and diarrhea in whom Enteroaggregative Escherichia coli (EAEC) was initially identified by GI BioFire panel multiplex. E. coli strains were successfully isolated from fecal cultures in 14 of 29 patients. Six of the 14 strains were identified as EAEC and 8 belonged to other diverse E. coli groups of unknown pathogenesis. We investigated these strains by their adherence to human intestinal organoids, cytotoxic responses, antibiotic resistance profile, full sequencing of their genomes, and annotation of their functional virulome. Interestingly, we discovered novel and enhanced adherence and aggregative patterns for several diarrheagenic pathotypes that were not previously seen when co-cultured with immortalized cell lines. EAEC isolates displayed exceptional adherence and aggregation to human colonoids compared not only to diverse GI E. coli , but also compared to prototype strains of other diarrheagenic E. coli . Some of the diverse E. coli strains that could not be classified as a conventional pathotype also showed an enhanced aggregative and cytotoxic response. Notably, we found a high carriage rate of antibiotic resistance genes in both EAEC strains and diverse GI E. coli isolates and observed a positive correlation between adherence to colonoids and the number of metal acquisition genes carried in both EAEC and the diverse E. coli strains. This work indicates that E. coli from cancer patients constitute strains of remarkable pathotypic and genomic divergence, including strains of unknown disease etiology with unique virulomes. Future studies will allow for the opportunity to re-define E. coli pathotypes with greater diagnostic accuracy and into more clinically relevant groupings.

Abstract Biomolecular condensates are membrane-less cellular foci formed via liquid-liquid-phase separation (LLPS) of specific biological macromolecules to provide specialized compartments for regulating cellular functions. Many viral proteins undergo LLPS to form such condensates to support viral replication and evade host antiviral responses, and thus, these condensates are potential targets for designing antivirals. Human noroviruses (HuNoV) cause epidemic and sporadic gastroenteritis worldwide and are of significant health and economic burden. Here, we show that the RNA-dependent-RNA polymerase (RdRp) of the pandemic GII.4 HuNoV, which is essential for viral replication, forms distinct condensates capable of recruiting other viral replication components. Confocal microscopy and light scattering experiments show that RdRp phase separates into dynamic liquid-like condensates at physiological conditions. These condensates exhibit all the signature features of LLPS, including fluorescence recovery after photo-bleaching, droplet-fusion, surface wetting, and dripping in vitro and in live cells. More importantly, within these condensates, the RdRp exhibits a significant time-dependent increase in its enzymatic activity and recruits other components, such as RNA and the viral genome-linked protein (VPg), which are essential for viral replication. Such condensates, recognized by anti-RdRp antibodies, are observed in HuNoV-infected human intestinal enteroid cultures. Together, our studies demonstrate a hitherto unsuspected activity of HuNoV RdRp to form LLPS, which we suggest provides distinct cellular sites for efficient viral replication and its regulation.

Like many viruses, rotavirus (RV) dysregulates calcium homeostasis by elevating cytosolic calcium ([Ca2+]cyt) and decreasing endoplasmic reticulum (ER) stores. While an overall, monophasic increase in [Ca2+]cyt during RV infection has been shown, the nature of the RV-induced aberrant calcium signals and how they manifest over time at the single-cell level have not been characterized. Thus, we generated cell lines and human intestinal enteroids (HIEs) stably expressing cytosolic and/or ER-targeted genetically-encoded calcium indicators to characterize calcium signaling throughout RV infection by time-lapse imaging. We found that RV induces highly dynamic [Ca2+]cyt signaling that manifest as hundreds of discrete [Ca2+]cyt spikes, which increase during peak infection. Knockdown of nonstructural protein 4 (NSP4) attenuates the [Ca2+]cyt spikes, consistent with its role in dysregulating calcium homeostasis. RV-induced [Ca2+]cyt spikes were primarily from ER calcium release and were attenuated by inhibiting the store-operated calcium entry (SOCE) channel Orai1. RV-infected HIEs also exhibited prominent [Ca2+]cyt spikes that were attenuated by inhibiting SOCE, underlining the relevance of these [Ca2+]cyt spikes to gastrointestinal physiology and role of SOCE in RV pathophysiology. Thus, our discovery that RV increases [Ca2+]cyt by dynamic Ca2+ signaling, establishes a new, paradigm-shifting understanding of the spatial and temporal complexity of virus-induced Ca2+ signaling.