Organoids formed by combining pluripotent-stem-cell-derived human neural crest cells with pluripotent-stem-cell-derived intestinal tissue show functional interstitial cells of Cajal and undergo waves of contraction; these tissues reveal insights into the molecular defects characterizing Hirschsprung's disease. The enteric nervous system (ENS) of the gastrointestinal tract controls many diverse functions, including motility and epithelial permeability. Perturbations in ENS development or function are common, yet there is no human model for studying ENS-intestinal biology and disease. We used a tissue-engineering approach with embryonic and induced pluripotent stem cells (PSCs) to generate human intestinal tissue containing a functional ENS. We recapitulated normal intestinal ENS development by combining human-PSC-derived neural crest cells (NCCs) and developing human intestinal organoids (HIOs). NCCs recombined with HIOs in vitro migrated into the mesenchyme, differentiated into neurons and glial cells and showed neuronal activity, as measured by rhythmic waves of calcium transients. ENS-containing HIOs grown in vivo formed neuroglial structures similar to a myenteric and submucosal plexus, had functional interstitial cells of Cajal and had an electromechanical coupling that regulated waves of propagating contraction. Finally, we used this system to investigate the cellular and molecular basis for Hirschsprung's disease caused by a mutation in the gene PHOX2B. This is, to the best of our knowledge, the first demonstration of human-PSC-derived intestinal tissue with a functional ENS and how this system can be used to study motility disorders of the human gastrointestinal tract.

An in vivo model of the human small intestine is established in mice using human pluripotent stem cells. Differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into organ-specific subtypes offers an exciting avenue for the study of embryonic development and disease processes, for pharmacologic studies and as a potential resource for therapeutic transplant1,2. To date, limited in vivo models exist for human intestine, all of which are dependent upon primary epithelial cultures or digested tissue from surgical biopsies that include mesenchymal cells transplanted on biodegradable scaffolds3,4. Here, we generated human intestinal organoids (HIOs) produced in vitro from human embryonic stem cells (ESCs) or induced pluripotent stem cells (iPSCs)5,6 that can engraft in vivo. These HIOs form mature human intestinal epithelium with intestinal stem cells contributing to the crypt-villus architecture and a laminated human mesenchyme, both supported by mouse vasculature ingrowth. In vivo transplantation resulted in marked expansion and maturation of the epithelium and mesenchyme, as demonstrated by differentiated intestinal cell lineages (enterocytes, goblet cells, Paneth cells, tuft cells and enteroendocrine cells), presence of functional brush-border enzymes (lactase, sucrase-isomaltase and dipeptidyl peptidase 4) and visible subepithelial and smooth muscle layers when compared with HIOs in vitro. Transplanted intestinal tissues demonstrated digestive functions as shown by permeability and peptide uptake studies. Furthermore, transplanted HIO-derived tissue was responsive to systemic signals from the host mouse following ileocecal resection, suggesting a role for circulating factors in the intestinal adaptive response7,8,9. This model of the human small intestine may pave the way for studies of intestinal physiology, disease and translational studies.

Summary Human intestinal organoids (HIOs) represent a powerful system to study human development and are promising candidates for clinical translation as drug-screening tools or engineered tissue. Experimental control and clinical use of HIOs is limited by growth in expensive and poorly defined tumor-cell-derived extracellular matrices, prompting investigation of synthetic ECM-mimetics for HIO culture. Since HIOs possess an inner epithelium and outer mesenchyme, we hypothesized that adhesive cues provided by the matrix may be dispensable for HIO culture. Here, we demonstrate that alginate, a minimally supportive hydrogel with no inherent cell adhesion properties, supports HIO growth in vitro and leads to HIO epithelial differentiation that is virtually indistinguishable from Matrigel-grown HIOs. Additionally, alginate-grown HIOs mature to a similar degree as Matrigel-grown HIOs when transplanted in vivo , both resembling human fetal intestine. This work demonstrates that purely mechanical support from a simple-to-use and inexpensive hydrogel is sufficient to promote HIO survival and development.

SUMMARY The development of human organoid model systems has provided new avenues for patient-specific clinical care and disease modeling. However, all organoid systems are missing important cell types that, in the embryo, get incorporated into organ tissues during development. Based on the concept of how embryonic organs are assembled, we developed an organoid assembly approach starting with cells from the three primary germ layers; enteric neuroglial, mesenchymal, and epithelial precursors, all separately derived from human pluripotent stem cells. From these we generated human gastric tissue containing differentiated glands, surrounded by layers of smooth muscle containing functional enteric neurons that controlled contractions of the engineered tissue. We used this highly tractable system to identify essential roles for the enteric nervous system in the growth and regional identity of the gastric epithelium and mesenchyme and for glandular morphogenesis of the antral stomach. This approach of starting with separately-derived germ layer components was applied to building more complex fundic and esophageal tissue, suggesting this as a new paradigm for tissue engineering.

Summary The ability to absorb ingested nutrients is an essential function of all metazoans and utilizes a wide array of nutrient transporters found on the absorptive enterocytes of the small intestine. A unique population of patients has previously been identified with severe congenital malabsorptive diarrhea upon ingestion of any enteral nutrition. The intestines of these patients are macroscopically normal, but lack enteroendocrine cells (EECs), suggesting an essential role for this rare population of nutrient-sensing cells in regulating macronutrient absorption. We used human and mouse models of EEC deficiency to identify a new role for the EEC hormone peptide YY in regulating ion-coupled absorption of glucose and dipeptides the small intestine. We found that peptide YY is required in to maintain normal electrophysiology in the presence of vasoactive intestinal polypeptide, a potent stimulator of ion secretion produced by enteric neurons. Administration of peptide YY to EEC-deficient mice restored normal electrophysiology, improved glucose and peptide absorption, diminished diarrhea and rescued postnatal survival. These data suggest that peptide YY is a key regulator of macronutrient absorption in the small intestine and may be a viable therapeutic option to treat patients with malabsorption.

Abstract Circadian rhythms regulate diverse aspects of gastrointestinal physiology ranging from the composition of microbiota to motility. However, development of the intestinal circadian clock and detailed molecular mechanisms regulating circadian physiology of the intestine remain largely unknown. The lack of appropriate human model systems that enable organ- and/or diseasespecific interrogation of clock functions is a major obstacle hindering advancements of translational applications using chronotherapy. In this report, we show that both pluripotent stem cell-derived human intestinal organoids engrafted into mice and patient-derived human intestinal enteroids (HIEs) possess robust circadian rhythms, and demonstrate circadian phase-dependent necrotic cell death responses to Clostridium difficile toxin B (TcdB). Intriguingly, mouse and human enteroids demonstrate anti-phasic necrotic cell death responses. RNA-Seq data show ~4% of genes are rhythmically expressed in HIEs. Remarkably, we observe anti-phasic gene expression of Rac1 , a small GTPase directly inactivated by TcdB, between mouse and human enteroids. Importantly, the observed circadian time-dependent necrotic cell death response is abolished in both mouse enteroids and human intestinal organoids (HIOs) lacking robust circadian rhythms. Our findings uncover robust functions of circadian rhythms regulating critical clock-controlled genes (CCGs) in human enteroids governing organism-specific, circadian phasedependent necrotic cell death responses. Our data highlight unique differences between mouse and human enteroids, and lay a foundation for human organ- and disease-specific investigation of clock functions using human organoids for translational applications.

WNT2B is a canonical Wnt ligand previously thought to be fully redundant with other Wnts in the intestinal epithelium. However, humans with WNT2B deficiency have severe intestinal disease, highlighting a critical role for WNT2B. We sought to understand how WNT2B contributes to intestinal homeostasis.We investigated the intestinal health of Wnt2b knock out (KO) mice. We assessed the impact of inflammatory challenge to the small intestine, using anti-CD3χ antibody, and to the colon, using dextran sodium sulfate (DSS). In addition, we generated human intestinal organoids (HIOs) from WNT2B-deficient human iPSCs for transcriptional and histological analyses.Mice with WNT2B deficiency had significantly decreased Lgr5 expression in the small intestine and profoundly decreased expression in the colon, but normal baseline histology. The small intestinal response to anti-CD3χ antibody was similar in Wnt2b KO and wild type (WT) mice. In contrast, the colonic response to DSS in Wnt2b KO mice showed an accelerated rate of injury, featuring earlier immune cell infiltration and loss of differentiated epithelium compared to WT. WNT2B-deficient HIOs showed abnormal epithelial organization and an increased mesenchymal gene signature.WNT2B contributes to maintenance of the intestinal stem cell pool in mice and humans. WNT2B deficient mice, which do not have a developmental phenotype, show increased susceptibility to colonic injury but not small intestinal injury, potentially due to a higher reliance on WNT2B in the colon compared to the small intestine.WNT2B deficiency causes a developmental phenotype in human intestine with HIOs showing a decrease in their mesenchymal component and WNT2B-deficient patients showing epithelial disorganization.All RNA-Seq data will be available through online repository as indicated in Transcript profiling. Any other data will be made available upon request by emailing the study authors.

To investigate the co-development of vasculature, mesenchyme, and epithelium crucial for organogenesis and the acquisition of organ-specific characteristics, we constructed a human pluripotent stem cell-derived organoid system comprising lung or intestinal epithelium surrounded by organotypic mesenchyme and vasculature. We demonstrated the pivotal role of co-differentiating mesoderm and endoderm via precise BMP regulation in generating multilineage organoids and gut tube patterning. Single-cell RNA-seq analysis revealed organ specificity in endothelium and mesenchyme, and uncovered key ligands driving endothelial specification in the lung (e.g., WNT2B and Semaphorins) or intestine (e.g., GDF15). Upon transplantation under the kidney capsule in mice, these organoids further matured and developed perfusable human-specific sub-epithelial capillaries. Additionally, our model recapitulated the abnormal endothelial-epithelial crosstalk in patients with FOXF1 deletion or mutations. Multilineage organoids provide a unique platform to study developmental cues guiding endothelial and mesenchymal cell fate determination, and investigate intricate cell-cell communications in human organogenesis and disease.BMP signaling fine-tunes the co-differentiation of mesoderm and endoderm.The cellular composition in multilineage organoids resembles that of human fetal organs.Mesenchyme and endothelium co-developed within the organoids adopt organ-specific characteristics.Multilineage organoids recapitulate abnormal endothelial-epithelial crosstalk in FOXF1-associated disorders.