Fibrosis is a pathological result of a dysfunctional repair response to tissue injury and occurs in a number of organs, including the lungs1. Cellular metabolism regulates tissue repair and remodelling responses to injury2–4. AMPK is a critical sensor of cellular bioenergetics and controls the switch from anabolic to catabolic metabolism5. However, the role of AMPK in fibrosis is not well understood. Here, we demonstrate that in humans with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and in an experimental mouse model of lung fibrosis, AMPK activity is lower in fibrotic regions associated with metabolically active and apoptosis-resistant myofibroblasts. Pharmacological activation of AMPK in myofibroblasts from lungs of humans with IPF display lower fibrotic activity, along with enhanced mitochondrial biogenesis and normalization of sensitivity to apoptosis. In a bleomycin model of lung fibrosis in mice, metformin therapeutically accelerates the resolution of well-established fibrosis in an AMPK-dependent manner. These studies implicate deficient AMPK activation in non-resolving, pathologic fibrotic processes, and support a role for metformin (or other AMPK activators) to reverse established fibrosis by facilitating deactivation and apoptosis of myofibroblasts. Metformin reverses established lung fibrosis in a bleomycin model in mice.

Abstract High mobility group box 1 protein (HMGB1), originally characterized as a nuclear DNA-binding protein, has also been described to have an extracellular role when it is involved in cellular activation and proinflammatory responses. In this study, FLAG-tagged HMGB1 was inducibly expressed in the presence of culture media with or without added IL-1β, IFN-γ, or TNF-α. HMGB1 purified from cells grown in culture media alone only minimally increased cytokine production by MH-S macrophages and had no effect on murine neutrophils. In contrast, HMGB1 isolated from cells cultured in the presence of IL-1β, IFN-γ, and TNF-α had enhanced proinflammatory activity, resulting in increased production of MIP-2 and TNF-α by exposed cells. IL-1β was bound to HMGB1 isolated from cells cultured with this cytokine, and purified HMGB1 incubated with recombinant IL-1β acquired proinflammatory activity. Addition of anti-IL-1β Abs or the IL-1 receptor antagonist to cell cultures blocked the proinflammatory activity of HMGB1 purified from IL-1β-exposed cells, indicating that such activity was dependent on interaction with the IL-1 receptor. These results demonstrate that HMGB1 acquires proinflammatory activity through binding to proinflammatory mediators, such as IL-1β.

Although metabolic conditions associated with an increased AMP/ATP ratio are primary factors in the activation of 5′-adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK), a number of recent studies have shown that increased intracellular levels of reactive oxygen species can stimulate AMPK activity, even without a decrease in cellular levels of ATP. We found that exposure of recombinant AMPKαβγ complex or HEK 293 cells to H₂O₂ was associated with increased kinase activity and also resulted in oxidative modification of AMPK, including S-glutathionylation of the AMPKα and AMPKβ subunits. In experiments using C-terminal truncation mutants of AMPKα (amino acids 1–312), we found that mutation of cysteine 299 to alanine diminished the ability of H₂O₂ to induce kinase activation, and mutation of cysteine 304 to alanine totally abrogated the enhancing effect of H₂O₂ on kinase activity. Similar to the results obtained with H₂O₂-treated HEK 293 cells, activation and S-glutathionylation of the AMPKα subunit were present in the lungs of acatalasemic mice or mice treated with the catalase inhibitor aminotriazole, conditions in which intracellular steady state levels of H₂O₂ are increased. These results demonstrate that physiologically relevant concentrations of H₂O₂ can activate AMPK through oxidative modification of the AMPKα subunit. The present findings also imply that AMPK activation, in addition to being a response to alterations in intracellular metabolic pathways, is directly influenced by cellular redox status.

Abstract Multicellular organisms maintain structure and function of tissues/organs through emergent, self-organizing behavior. In this report, we demonstrate a critical role for lung mesenchymal stromal cell (L-MSC) aging in determining the capacity to form 3-dimentional organoids or “alveolospheres “ with type 2 alveolar epithelial cells (AEC2s). In contrast to L-MSCs from aged mice, young L-MSCs support the efficient formation of alveolospheres when co-cultured with young or aged AEC2s. Aged L-MSCs demonstrated features of cellular senescence, altered bioenergetics, and a senescence-associated secretory profile (SASP). The reactive oxygen species generating enzyme, NADPH oxidase 4 (Nox4), was highly activated in aged L-MSCs and Nox4 downregulation was sufficient to, at least partially, reverse this age-related energy deficit, while restoring the self-organizing capacity of alveolospheres. Together, these data indicate a critical role for cellular bioenergetics and redox homeostasis in an organoid model of self-organization, and supports the concept of thermodynamic entropy in aging biology.

Asthma is a chronic inflammatory disease of the airways that involves crosstalk between myeloid-derived regulatory cells (MDRCs) and CD4+ T cells. Although small extracellular vesicles (sEVs) are known to mediate cell-cell communication, the role of sEV signaling via mitochondria in perpetuating asthmatic airway inflammation is unknown.

Trauma and blood loss are frequently associated with organ failure, immune dysfunction, and a high risk of secondary bacterial lung infections. We aim to test if plasma metabolomic flux and monocyte bioenergetics are altered in association with trauma and related secondary infections.