Abstract Nanomedicine has long pursued the goal of targeted delivery to specific organs and cell types but has not achieved this goal with the vast majority of targets. One rare example of success in this pursuit has been the 25+ years of studies targeting the lung endothelium using nanoparticles conjugated to antibodies against endothelial surface molecules. However, here we show that such “endothelial-targeted” nanocarriers also effectively target the lungs’ numerous marginated neutrophils, which reside in the pulmonary capillaries and patrol for pathogens. We show that marginated neutrophils’ uptake of many of these “endothelial-targeted” nanocarriers is on par with endothelial uptake. This generalizes across diverse nanomaterials and targeting moieties and was even found with physicochemical lung tropism (i.e., without targeting moieties). Further, we observed this in ex vivo human lungs and in vivo healthy mice, with an increase in marginated neutrophil uptake of nanoparticles caused by local or distant inflammation. These findings have implications for nanomedicine development for lung diseases. These data also suggest that marginated neutrophils, especially in the lungs, should be considered a major part of the reticuloendothelial system (RES), with a special role in clearing nanoparticles that adhere to the lumenal surfaces of blood vessels. Graphical Abstract

Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) is a chronic parenchymal lung disease characterized by repetitive alveolar cell injury, myofibroblast proliferation, and excessive extracellular matrix deposition for which unmet need persists for effective therapeutics. The bioactive eicosanoid, prostaglandin F2α, and its cognate receptor FPr (Ptfgr) are implicated as a TGFβ1 independent signaling hub for IPF. To assess this, we leveraged our published murine PF model (IER - SftpcI73T) expressing a disease-associated missense mutation in the surfactant protein C (Sftpc) gene. Tamoxifen treated IER-SftpcI73T mice develop an early multiphasic alveolitis and transition to spontaneous fibrotic remodeling by 28 days. IER-SftpcI73T mice crossed to a Ptgfr null (FPr-/-) line showed attenuated weight loss and gene dosage dependent rescue of mortality compared to FPr+/+ cohorts. IER-SftpcI73T/FPr-/- mice also showed reductions in multiple fibrotic endpoints for which administration of nintedanib was not additive. Single cell RNA sequencing, pseudotime analysis, and in vitro assays demonstrated Ptgfr expression predominantly within adventitial fibroblasts which were reprogrammed to an "inflammatory/transitional" cell state in a PGF2α/FPr dependent manner. Collectively, the findings provide evidence for a role for PGF2α signaling in IPF, mechanistically identify a susceptible fibroblast subpopulation, and establish a benchmark effect size for disruption of this pathway in mitigating fibrotic lung remodeling.

COVID-19 syndrome is characterized by hypoxemic respiratory failure and high mortality. In this report, we use two murine models to show that β-coronavirus infection produces acute lung injury, which results from an aberrant host response, activating multiple epithelial endoplasmic reticular stress pathways, disrupting pulmonary surfactant metabolism and function, and forcing emergence of an aberrant epithelial transition state. Our results offer a mechanistic link between SARS-CoV-2 infection, AT2 cell biology, and respiratory failure.

Alveolar epithelial type II (AT2) cell dysfunction is implicated in the pathogenesis of familial and sporadic idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). We previously described that expression of an AT2 cell exclusive disease-associated protein isoform (SP-CI73T) in murine and patient-specific induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived AT2 cells leads to a block in late macroautophagy and promotes time-dependent mitochondrial impairments; however, how a metabolically dysfunctional AT2 cell results in fibrosis remains elusive. Here using murine and human iPSC-derived AT2 cell models expressing SP-CI73T, we characterize the molecular mechanisms governing alterations in AT2 cell metabolism that lead to increased glycolysis, decreased mitochondrial biogenesis, disrupted fatty acid oxidation, accumulation of impaired mitochondria, and diminished AT2 cell progenitor capacity manifesting as reduced AT2 self-renewal and accumulation of transitional epithelial cells. We identify deficient AMP-kinase signaling as a key upstream signaling hub driving disease in these dysfunctional AT2 cells and augment this pathway to restore alveolar epithelial metabolic function, thus successfully alleviating lung fibrosis in vivo.