ABSTRACT Interactions between mammary epithelial and mesenchymal cells including fibroblasts and adipocytes are crucial for the proper postnatal development of the mammary ductal tree. Often overlooked, however, are the migrant cells that enter tissues at different stages of development. In this paper we identify two such cell types, macrophages and eosinophils, that are recruited around the growing terminal end buds (TEBs) during postnatal development. An important role for leukocytes in mammary gland ductal outgrowth is first demonstrated by depleting mice of leukocytes using sub-lethal γ-irradiation. This treatment results in a curtailment of mammary gland epithelial development that is completely rescued by bone-marrow transplantation, concurrent with a restoration of macrophage and eosinophil recruitment around the growing ducts. Using mice homozygous for a null mutation in the gene for CSF1 (Csfmop/Csfmop), the major growth factor for macrophages, we show that in the absence of CSF1, the population of macrophages in mammary glands is depleted. In this mutant, the formation of TEBs, their outgrowth into the fat pad and the branching of the resultant ducts are all impaired. Similarly, by using mice homozygous for a null mutation in the gene for eotaxin, a major chemokine for local recruitment of eosinophils in tissue, we identify eotaxin as the necessary and sufficient chemokine responsible for eosinophil recruitment around TEBs. In the absence of eosinophils, mammary gland branch formation and to a lesser extent TEB formation are reduced. Our data show that CSF1-regulated macrophages, in collaboration with eotaxin-regulated eosinophils, have essential and complementary functions in regulating the branching morphogenesis of the mammary gland.

Directed differentiation of human embryonic stem (hES) cells and human induced pluripotent stem (hiPS) cells captures in vivo developmental pathways for specifying lineages in vitro, thus avoiding perturbation of the genome with exogenous genetic material. Thus far, derivation of endodermal lineages has focused predominantly on hepatocytes, pancreatic endocrine cells and intestinal cells. The ability to differentiate pluripotent cells into anterior foregut endoderm (AFE) derivatives would expand their utility for cell therapy and basic research to tissues important for immune function, such as the thymus; for metabolism, such as thyroid and parathyroid; and for respiratory function, such as trachea and lung. We find that dual inhibition of transforming growth factor (TGF)-β and bone morphogenic protein (BMP) signaling after specification of definitive endoderm from pluripotent cells results in a highly enriched AFE population that is competent to be patterned along dorsoventral and anteroposterior axes. These findings provide an approach for the generation of AFE derivatives.

Summary The liver is known for its remarkable regenerative ability through proliferation of hepatocytes. Yet, during chronic injury or severe hepatocyte death, proliferation of hepatocytes is exhausted. To overcome this hurdle, we propose vascular-endothelial-growth-factor A (VEGFA) as a therapeutic means to accelerate biliary epithelial cell (BEC)-to-hepatocyte conversion. Investigation in zebrafish establishes that blocking VEGF receptors abrogates BEC-driven liver repair, while VEGFA overexpression promotes it. Delivery of VEGFA via non-integrative and safe nucleoside-modified mRNA encapsulated into lipid-nanoparticles (mRNA-LNP) in acutely or chronically injured mouse livers induces robust BEC-to-hepatocyte conversion and reversion of steatosis and fibrosis. In human and murine diseased livers, we further identified VEGFA-receptor KDR-expressing BECs associated with KDR-expressing cell-derived hepatocytes. This defines KDR-expressing cells, most likely being BECs, as facultative progenitors. This study reveals novel therapeutic benefits of VEGFA delivered via nucleoside-modified mRNA-LNP, whose safety is widely validated with COVID-19 vaccines, for harnessing BEC-driven repair to potentially treat liver diseases. Graphical Abstract Highlights Complementary mouse and zebrafish models of liver injury demonstrate the therapeutic impact of VEGFA-KDR axis activation to harness BEC-driven liver regeneration. VEGFA mRNA LNPs restore two key features of the chronic liver disease in humans such as steatosis and fibrosis. Identification in human cirrhotic ESLD livers of KDR-expressing BECs adjacent to clusters of KDR+ hepatocytes suggesting their BEC origin. KDR-expressing BECs may represent facultative adult progenitor cells, a unique BEC population that has yet been uncovered.

Acetaminophen (APAP) overdose is the leading cause of acute liver failure, with one available treatment, N-acetyl cysteine (NAC). Yet, NAC effectiveness diminishes about ten hours after APAP overdose, urging for therapeutic alternatives. This study addresses this need by deciphering a mechanism of sexual dimorphism in APAP-induced liver injury, and leveraging it to accelerate liver recovery via growth hormone (GH) treatment. GH secretory patterns, pulsatile in males and near-continuous in females, determine the sex bias in many liver metabolic functions. Here, we aim to establish GH as a novel therapy to treat APAP hepatotoxicity.Our results demonstrate sex-dependent APAP toxicity, with females showing reduced liver cell death and faster recovery than males. Single-cell RNA sequencing analyses reveal that female hepatocytes have significantly greater levels of GH receptor expression and GH pathway activation compared to males. In harnessing this female-specific advantage, we demonstrate that a single injection of recombinant human GH protein accelerates liver recovery, promotes survival in males following sub-lethal dose of APAP, and is superior to standard-of-care NAC. Alternatively, slow-release delivery of human GH via the safe nonintegrative lipid nanoparticle-encapsulated nucleoside-modified mRNA (mRNA-LNP), a technology validated by widely used COVID-19 vaccines, rescues males from APAP-induced death that otherwise occurred in control mRNA-LNP-treated mice.Our study demonstrates a sexually dimorphic liver repair advantage in females following APAP overdose, leveraged by establishing GH as an alternative treatment, delivered either as recombinant protein or mRNA-LNP, to potentially prevent liver failure and liver transplant in APAP-overdosed patients.

Primary human hepatocyte (PHH) transplantation is a promising alternative to liver transplantation, whereby liver function could be restored by partial repopulation of the diseased organ with healthy cells. However, currently PHH engraftment efficiency is low and benefits are not maintained long-term. Here we refine two male mouse models of human chronic and acute liver diseases to recapitulate compromised hepatocyte proliferation observed in nearly all human liver diseases by overexpression of p21 in hepatocytes. In these clinically relevant contexts, we demonstrate that transient, yet robust expression of human hepatocyte growth factor and epidermal growth factor in the liver via nucleoside-modified mRNA in lipid nanoparticles, whose safety was validated with mRNA-based COVID-19 vaccines, drastically improves PHH engraftment, reduces disease burden, and improves overall liver function. This strategy may overcome the critical barriers to clinical translation of cell therapies with primary or stem cell-derived hepatocytes for the treatment of liver diseases.

Primary human hepatocyte (PHH) transplantation is a promising alternative to liver transplantation, whereby liver function could be restored by partial repopulation of the diseased organ with healthy cells. However, currently PHH engraftment efficiency is low and benefits are not maintained long-term. Here we refine two mouse models of human chronic and acute liver diseases to recapitulate compromised hepatocyte proliferation observed in nearly all human liver diseases by overexpression of p21 in hepatocytes. In these clinically relevant contexts, we demonstrate that transient, yet robust expression of human hepatocyte growth factor and epidermal growth factor in the liver via nucleoside-modified mRNA in lipid nanoparticles, whose safety was validated with mRNA-based COVID-19 vaccines, drastically improves PHH engraftment, reduces disease burden, and improves overall liver function. This novel strategy may overcome the critical barriers to clinical translation of cell therapies with primary or stem cell-derived hepatocytes for the treatment of liver diseases.