Significance The inherent inaccessibility of sweat in sedentary individuals in large volume (≥10 µL) for on-demand and in situ analysis has limited our ability to capitalize on this noninvasive and rich source of information. Through devising an electrochemically enhanced, programmable, and miniaturized iontophoresis interface, integrated in a wearable sensing platform, we demonstrated a method for periodic sweat extraction and in situ analysis. The system can be programmed to induce sweat with various secretion profiles, which in combination with the in situ analysis capability allow us to gain real-time insight into the sweat-secretion and gland physiology. To demonstrate the clinical value of our platform, human subject studies were performed in the context of the cystic fibrosis diagnosis and preliminary investigation of the blood/sweat glucose correlation.

Study objectives

 The primary objective was to determine the safety and tolerability of repeated doses of aerosolized adeno-associated serotype 2 vector containing cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) complementary DNA (cDNA) [tgAAVCF], an adeno-associated virus (AAV) vector encoding the complete human CFTR cDNA. Secondary objectives included evaluation of pulmonary function assessed by spirometry, lung abnormalities by high-resolution CT (HRCT), airway cytokines, vector shedding, serum neutralizing antibody to AAV serotype 2 (AAV2), and gene transfer and expression in a subset of subjects undergoing bronchoscopy with bronchial brushings. 

Design

 Randomized, double-blind, placebo-controlled, phase II trial. 

Setting

 Eight cystic fibrosis (CF) centers in the United States. 

Subjects

 CF patients with mild lung disease, defined as FEV₁ ≥ 60% predicted. 

Interventions

 Subjects were randomized to inhale three aerosolized doses of 1 × 10¹³ deoxyribonuclease-resistant particles of tgAAVCF or matching placebo at 30-day intervals using the Pari LC Plus nebulizer (PARI; Richmond, VA). 

Measurements and results

 Of 42 subjects randomized, 20 subjects received at least one dose of tgAAVCF and 17 subjects received placebo. No difference in the pattern of adverse events or laboratory abnormalities was noted between the two treatment groups. Improvements in induced-sputum interleukin-8 (p = 0.03) and FEV₁ (p = 0.04) were observed at day 14 and day 30, respectively, in the group receiving tgAAVCF when compared to those receiving placebo. No significant differences in HRCT scans were noted. Vector shedding in sputum was observed at low levels up to 90 days after the third dose of vector. All subjects receiving tgAAVCF exhibited an increase (by at least fourfold) in serum AAV2-neutralizing antibodies and detectable levels in BAL fluid from five of six treated subjects undergoing BAL. Gene transfer but not gene expression was detected in a subset of six tgAAVCF subjects who underwent bronchoscopy. 

Conclusions

 Repeat doses of aerosolized tgAAVCF were safe and well tolerated, and resulted in encouraging trends in improvement in pulmonary function in patients with CF and mild lung disease.

A personalized approach to assessing medication knowledge may identify opportunities for education to support self-management of cystic fibrosis (CF). This project describes the development, scoring, and preliminary validity of the Personalized CF Medication Questionnaire (PCF-MQ), designed to assess knowledge of prescribed CF medication purpose, administration, and dose and frequency.

There is increasing interest in the pulmonary microbiome's bacterial and viral communities, particularly in the context of chronic airway infections in cystic fibrosis (CF). However, the isolation of microbial DNA from the sputum from patients with CF is technically challenging and the optimal protocols for the analysis of viral species, including bacteriophage, from clinical samples remains challenging. Here, we evaluate a set of methods developed for processing and analyzing sputum from patients with CF with a particular emphasis on detecting bacteriophage viron-derived nucleic acid. We evaluate the impact of bead-beating, deoxyribonuclease digestion, and heating steps in these protocols focusing on the quantitative assessment of Pseudomonas aeruginosa and Pf bacteriophage in sputum as a proof of concept. Based on these comparative data, we describe an optimized protocol for processing sputum from patients with CF and isolating DNA for PCR or sequencing-based studies. These studies will facilitate future assessments of bacteriophage and bacteria in sputum from patients with CF.

Cystic fibrosis (CF) is a monogenic autosomal recessive disorder caused by mutations in the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) Cl- channel. CF results in multiorgan dysfunction and ultimately mortality from respiratory sequelae. Although pharmacologic approaches have demonstrated efficacy in reducing symptoms and respiratory decline, a curative treatment modality remains elusive. Gene therapy, a promising curative strategy, has been limited due to poor correction efficiencies both in vitro and in vivo. Here, we use Cas9 and adeno-associated virus 6 (AAV6) to correct the ΔF508 mutation (found in ~70% of CF alleles and ~90% of CF patients in North America) in upper airway basal stem cells (UABCs) obtained from CF and non-CF patients undergoing functional endoscopic sinus surgery (FESS). In UABCs from homozygous (ΔF508/ΔF508) and compound heterozygous (ΔF508/Other) CF patients, we achieved 28 ± 5 % and 42 ± 15% correction, respectively. In homozygous human bronchial epithelial cells (HBECs), we achieved 41 ± 4 % correction. Upon differentiation in air-liquid interface (ALI), cultures of corrected CF cells displayed partial restoration of CFTRinh-172 sensitive Cl- currents relative to non-CF controls: 31 ± 5 % in UABCs and 51 ± 3 % in HBECs (both from subjects homozygous for ΔF508 CFTR). Finally, gene edited cells embedded successfully and retained expression of cytokeratin 5 (KRT5), a basal cell marker, on a FDA-approved porcine small intestinal submucosal (pSIS) membrane previously shown to improve re-mucosalization after FESS. In summary, we present an efficient, feeder-free, selection-free and clinically compatible approach to generate cell-based therapies for CF from autologous airway stem cells. This approach represents a first step towards developing patient-specific autologous airway stem cell transplant as a curative treatment for CF.

Summary Bacteriophage therapy is a tantalizing therapeutic option for anti-microbial resistant bacterial infections but is currently limited to personalized therapy due to the narrow host range of individual phages. Theoretically, cocktails incorporating numerous phages targeting all possible bacterial receptor specificities could confer broad host range. Practically, however, extensive bacterial diversity and the complexity of phage-phage interactions precludes this approach. Here, using screening protocols for identifying “complementarity groups” of phages using non-redundant receptors, we generate effective, broad-range phage cocktails that prevent emergence of bacterial resistance. Further, phage complementarity groups have characteristic interactions with particular antibiotic classes, making it possible to predict phage-antibiotic as well as phage-phage interactions. Using this strategy, we generate three phage-antibiotic cocktails, each effective against >96% of 153 Pseudomonas aeruginosa clinical isolates, including when used in biofilm cultures and wound infections in vivo . We similarly develop effective Staphylococcus aureus phage-antibiotic cocktails and demonstrate the utility of combined cocktails against polymicrobial (mixed P. aeruginosa/S. aureus ) cultures, highlighting the broad applicability of this approach. These studies establish a blueprint for effective, broad-spectrum phage therapy cocktails and enable off-the-shelf phage-based therapeutics for antimicrobial-resistant bacterial infections.

Abstract Veins have emerged as the origin of all other endothelial cell subtypes needed to expand vascular networks during developmental and pathological neoangiogenesis. Here, we uncover the significant role of the angioneurin Fibronectin Leucine Rich Transmembrane protein (FLRT) 2 in central nervous system (CNS) vascular development in the mouse. Early postnatal FLRT2 deletion reveals specific defects in retinal veins, impacting endothelial cell proliferation, sprouting and polarity that result in reduced tip cells at the vascular front. FLRT2 interacts with VE-cadherin and together with the endocytic adaptor protein Numb contribute to the modulation of adherens junction morphology in both retina and cerebral cortex in vivo . Utilizing expansion microscopy, we visualize the altered dynamic distribution of VE-cadherin in tissue of FLRT2 endothelial mutants. Additionally, FLRT2 in cortical vessels regulates the crosstalk between adherens and tight junctions, influencing blood-brain barrier development. Our findings position FLRT2 as a vein-specific crucial regulator of CNS vascular development.

Abstract Basal airway epithelial cells are a multipotent stem cell population which gives rise to several airway cell types. Basal cells are known to be critical to airway epithelium homeostasis and repair, and altered basal cell phenotypes have been reported in cystic fibrosis and idiopathic pulmonary fibrosis. However, very little is known about how basal cells respond to stimuli in the cystic fibrosis airway environment. Cystic fibrosis patients experience chronic infection with Pseudomonas aeruginosa and contain both high quantities of lipopolysaccharide (LPS) as well as the filamentous bacteriophage Pf produced by biofilm-state P. aeruginosa in the airway. In this study, we sought to investigate the transcriptional responses of human basal cells from both healthy controls and patients with cystic fibrosis to LPS and Pf phage. Basal cells from wildtype and cystic fibrosis donors were cultured in vitro and exposed to LPS and/or Pf phage, followed by single-cell sequencing on the 10x platform. We report that basal cells show strong antiviral responses and neutrophil chemokine production in response to Pf phage. We validate these findings in additional donors by qRT-PCR and show that Pf phage is internalized by basal cells. We also show that Pf decreases basal cell migration and proliferation. We demonstrate that Pf phage, a bacteria-infecting virus which does not replicate in mammalian cells, is taken up by basal cells and activates immune responses. Further studies are needed to determine the impact of this antiviral response to bacterial clearance. Author Summary When we experience a lung infection or injury, the stem cells of the airway—called basal epithelial cells—are crucial for healing the affected tissue. Basal cells proliferate and migrate to close gaps in the epithelium and replace injured and dead cells. We are also learning that basal cells can directly contribute to the immune response against lung pathogens, although little is understood about how basal cells sense viruses and bacteria, and what molecules they secrete in response. In our work, we sought to investigate the role that basal cells play in the course of an infection with the common human pathogen Pseudomonas aeruginosa . We stimulated basal cells with lipopolysaccharide (LPS), a potent immunogen produced by Pseudomonas , as well as the Pseudomonas- infecting virus Pf4. We have previously shown that Pf4, which is produced in high amounts by lung-infecting Pseudomonas, affects the immune response to this bacterium. In our work here, we show that Pf4 is recognized as a virus by basal cells and changes the transcriptional response to LPS, derailing the antibacterial immune response to Pseudomonas . These findings raise the question of whether other bacteria-infecting viruses alter immune responses, and how these viruses interact with other airway cells.

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

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.