ABSTRACT Mechanical forces associated with breathing play a fundamental role in lung development and disease but the molecular pathways remain largely unknown. Here, we used a mechanically actuatable Human Lung Alveolus Chip that recapitulates human lung alveolar type I and type II cell differentiation, alveolar-capillary interface formation, and genome-wide gene expression profiles characteristic of the distal lung to investigate the role of physical forces associated with cyclic breathing motions in lung innate immune responses to viral infection. When the mechanically active Alveolus Chips are infected with the influenza H3N2 virus, a cascade of host responses is elicited on-chip, including increased production of cytokines and expression of inflammation-associated genes in pulmonary epithelial and endothelial cells, resulting in enhanced recruitment of circulating immune cells as occurs during viral infection in vivo. Surprisingly, studies carried out in parallel with static chips revealed that physiological breathing motions suppress viral replication by activating protective innate immune responses in epithelial and endothelial cells. This is mediated at least in part through upregulation of S100 calcium-binding protein A7 (S100A7), which binds to the Receptor for Advanced Glycation End Products (RAGE), an inflammatory mediator that is most highly expressed in the lung alveolus in vivo . This mechano-immunological control mechanism is further supported by the finding that existing RAGE inhibitor drugs can suppress the production of inflammatory cytokines in response to influenza virus infection in this model. S100A7-RAGE interactions and modulation of mechanical ventilation parameters could therefore serve as new targets for therapeutic intervention in patients infected with influenza and other potential pandemic viruses that cause life-threatening lung inflammation.

ABSTRACT Background A dominance of non-iners Lactobacillus species in the vaginal microbiome is optimal and strongly associated with gynecological and obstetric health, while the presence of diverse obligate or facultative anaerobic bacteria and a paucity in Lactobacillus species, similar to communities found in bacterial vaginosis (BV), is considered non-optimal and associated with adverse health outcomes. Various therapeutic strategies are being explored to modulate the composition of the vaginal microbiome; however, there is no human model that faithfully reproduces the vaginal epithelial microenvironment for preclinical validation of potential therapeutics or testing hypotheses about vaginal epithelium-microbiome interactions. Results Here, we describe an organ-on-a-chip (Organ Chip) microfluidic culture model of the human vaginal mucosa (Vagina Chip) that is lined by hormone-sensitive, primary vaginal epithelium interfaced with underlying stromal fibroblasts, which sustains a low physiological oxygen concentration in the epithelial lumen. We show that the Vagina Chip can be used to assess colonization by optimal L. crispatus consortia as well as non-optimal Gardnerella vaginalis -containing consortia, and to measure associated host innate immune responses. Co-culture of the L. crispatus consortia was accompanied by maintenance of epithelial cell viability, accumulation of D- and L-lactic acid, maintenance of a physiologically relevant low pH, and down regulation of proinflammatory cytokines. In contrast, co-culture of G. vaginalis- containing consortia in the Vagina Chip resulted in epithelial cell injury, a rise in pH, and upregulation of proinflammatory cytokines. Conclusion This study demonstrates the potential of applying human Organ Chip technology to create a preclinical model of the human vaginal mucosa that can be used to better understand interactions between the vaginal microbiome and host tissues, as well as to evaluate the safety and efficacy of live biotherapeutics products.

ABSTRACT Sepsis and chronic infections with Pseudomonas aeruginosa, a leading ESKAPE bacterial pathogen, are associated with increased morbidity and mortality and skeletal muscle atrophy. The actions of this pathogen on skeletal muscle remain poorly understood. In skeletal muscle, mitochondria serve as a crucial energy source, which may be perturbed by infection. Here, using the well-established backburn and infection model of murine P. aeruginosa infection, we deciphered the systemic impact of the quorum sensing (QS) transcription factor MvfR by interrogating five days post-infection its effect on mitochondrial-related functions in the gastrocnemius skeletal muscle and the outcome of the pharmacological inhibition of MvfR function and that of the mitochondrial-targeted peptide, Szeto-Schiller 31 (SS-31). Our findings show that the MvfR perturbs ATP generation, oxidative phosphorylation (OXPHOS), and antioxidant response, elevates the production of reactive oxygen species, and promotes oxidative damage of mitochondrial DNA in the gastrocnemius muscle of infected mice. These impairments in mitochondrial-related functions were corroborated by the alteration of key mitochondrial proteins involved in electron transport, mitochondrial biogenesis, dynamics and quality control, and mitochondrial uncoupling. Pharmacological inhibition of MvfR using the potent anti-MvfR lead, D88, we developed, or the mitochondrial-targeted peptide SS-31 rescued the MvfR-mediated alterations observed in mice infected with the wild-type strain PA14. Our study provides insights into the actions of MvfR in orchestrating mitochondrial dysfunction in the skeletal murine muscle, and it presents novel therapeutic approaches for optimizing clinical outcomes in affected patients.

Abstract Alveolar macrophages (AMs) are the major sentinel immune cells in human alveoli and play a central role in eliciting host inflammatory responses upon distal lung viral infection. Here, we incorporated peripheral human monocyte-derived macrophages within a microfluidic human Lung Alveolus Chip that recreates the human alveolar-capillary interface under an air-liquid interface along with vascular flow to study how residential AMs contribute to the human pulmonary response to viral infection. When Lung Alveolus Chips that were cultured with macrophages were infected with influenza H3N2, there was a major reduction in viral titers compared to chips without macrophages; however, there was significantly greater inflammation and tissue injury. Pro-inflammatory cytokine levels, recruitment of immune cells circulating through the vascular channel, and expression of genes involved in myelocyte activation were all increased, and this was accompanied by reduced epithelial and endothelial cell viability and compromise of the alveolar tissue barrier. These effects were partially mediated through activation of pyroptosis in macrophages and release of pro-inflammatory mediators, such as interleukin (IL)-1β, and blocking pyroptosis via caspase-1 inhibition suppressed lung inflammation and injury on-chip. These findings demonstrate how integrating tissue resident immune cells within human Lung Alveolus Chip can identify potential new therapeutic targets and uncover cell and molecular mechanisms that contribute to the development of viral pneumonia and acute respiratory distress syndrome (ARDS).

SARS-CoV-2 infection has been recently shown to induce cellular senescence in vivo. A senescence-like phenotype has been reported in cystic fibrosis (CF) cellular models. Since the previously published data highlighted a low impact of SARS-CoV-2 on CFTR-defective cells, here we aimed to investigate the senescence hallmarks in SARS-CoV-2 infection in the context of a loss of CFTR expression/function. We infected WT and CFTR KO 16HBE14o-cells with SARS-CoV-2 and analyzed both the p21 and Ki67 expression using immunohistochemistry and viral and p21 gene expression using real-time PCR. Prior to SARS-CoV-2 infection, CFTR KO cells displayed a higher p21 and lower Ki67 expression than WT cells. We detected lipid accumulation in CFTR KO cells, identified as lipolysosomes and residual bodies at the subcellular/ultrastructure level. After SARS-CoV-2 infection, the situation reversed, with low p21 and high Ki67 expression, as well as reduced viral gene expression in CFTR KO cells. Thus, the activation of cellular senescence pathways in CFTR-defective cells was reversed by SARS-CoV-2 infection while they were activated in CFTR WT cells. These data uncover a different response of CF and non-CF bronchial epithelial cell models to SARS-CoV-2 infection and contribute to uncovering the molecular mechanisms behind the reduced clinical impact of COVID-19 in CF patients.