There is an unmet need for pre-clinical models to understand the pathogenesis of human respiratory viruses; and predict responsiveness to immunotherapies. Airway organoids can serve as an ex-vivo human airway model to study respiratory viral pathogenesis; however, they rely on invasive techniques to obtain patient samples. Here, we report a non-invasive technique to generate human nose organoids (HNOs) as an alternate to biopsy derived organoids. We made air liquid interface (ALI) cultures from HNOs and assessed infection with two major human respiratory viruses, respiratory syncytial virus (RSV) and severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2). Infected HNO-ALI cultures recapitulate aspects of RSV and SARS-CoV-2 infection, including viral shedding, ciliary damage, innate immune responses, and mucus hyper-secretion. Next, we evaluated the feasibility of the HNO-ALI respiratory virus model system to test the efficacy of palivizumab to prevent RSV infection. Palivizumab was administered in the basolateral compartment (circulation) while viral infection occurred in the apical ciliated cells (airways), simulating the events in infants. In our model, palivizumab effectively prevented RSV infection in a concentration dependent manner. Thus, the HNO-ALI model can serve as an alternate to lung organoids to study respiratory viruses and testing therapeutics.

Abstract Background & Aims Human intestinal epithelial organoids (enteroids and colonoids) are tissue cultures used for understanding the physiology of the intestinal epithelium. Here, we explored the effect on the transcriptome of common variations in culture methods, including extracellular matrix substrate, format, tissue segment, differentiation status, and patient heterogeneity. Methods RNA-sequencing datasets from 251 experiments performed on 35 human enteroid and colonoid lines from 28 patients were aggregated from several groups in the Texas Medical Center. DESeq2 and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) was used to identify differentially expressed genes and enriched of pathways. Results PERMANOVA, Pearson correlations, and dendrogram analysis of all data indicated three tiers of influence of culture methods on transcriptomic variation: substrate (collagen vs. Matrigel) and format (3D, transwell, and monolayer) had the largest effect (7,271-1,305 differentially expressed genes-DEGs); segment of origin (duodenum, jejunum, ileum, colon) and differentiation status had a moderate effect (5,977-420 DEGs), and patient heterogeneity and specific experimental manipulations (e.g., pathogen infection) had the smallest effect. GSEA identified hundreds of pathways that varied between culture methods, such as IL1 cytokine signaling enriched in transwell vs. monolayer cultures, and cholesterol biosynthesis genes enriched in Matrigel vs. collagen cultures. Conclusions Surprisingly large differences in organoid transcriptome were driven by variations in culture methods such as format and substrate, whereas experimental manipulations such as infection had modest effects. These results show that common variations in culture conditions can have large effects on intestinal organoids and should be accounted for when designing experiments and comparing results between laboratories. Our data constitute the largest RNA-seq dataset interrogating human intestinal organoids.

Human intestinal enteroids (HIEs) are gaining recognition as physiologically relevant models of the intestinal epithelium. While HIEs from adults are used extensively in biomedical research, few studies have used HIEs from infants. Considering the dramatic developmental changes that occur during infancy, it is important to establish models that represent infant intestinal characteristics and physiological responses. We established jejunal HIEs from infant surgical samples and performed comparisons to jejunal HIEs from adults using RNA sequencing (RNA-Seq) and morphologic analyses. We then validated differences in key pathways through functional studies and determined whether these cultures recapitulate known features of the infant intestinal epithelium. RNA-Seq analysis showed significant differences in the transcriptome of infant and adult HIEs, including differences in genes and pathways associated with cell differentiation and proliferation, tissue development, lipid metabolism, innate immunity, and biological adhesion. Validating these results, we observed a higher abundance of cells expressing specific enterocyte, goblet cell, and enteroendocrine cell markers in differentiated infant HIE monolayers, and greater numbers of proliferative cells in undifferentiated 3D cultures. Compared to adult HIEs, infant HIEs portray characteristics of an immature gastrointestinal epithelium including significantly shorter cell height, lower epithelial barrier integrity, and lower innate immune responses to infection with an oral poliovirus vaccine. HIEs established from infant intestinal tissues reflect characteristics of the infant gut and are distinct from adult cultures. Our data support the use of infant HIEs as an

Abstract Organoids emulate many aspects of their parental tissue and have been used to study pathogen-host interactions, tissue development and regeneration, metabolic diseases, and other complex biological processes. Here, we report a robust protocol for the isolation, maintenance and differentiation of rabbit small intestinal organoids and organoid-derived cell monolayers. We also report conditions that sustain an intestinal stem cell population in spheroid culture. Rabbit intestinal spheroids and monolayer cultures propagated and expanded most efficiently in L-WRN-conditioned medium that contained the signalling factors Wnt, R-spondin and Noggin, and that had been supplemented with ROCK and TGF-β inhibitors. Organoid and monolayer differentiation was initiated by switching to a medium that contained less of the L-WRN-conditioned medium and was supplemented with ROCK and Notch signalling inhibitors. Using immunofluorescence staining and RT-qPCR, we demonstrate that organoids contained enterocytes, enteroendocrine cells, goblet cells and Paneth cells. These findings demonstrate that our rabbit intestinal organoids have many of the multi-cellular characteristics of, and closely resemble, an intestinal epithelium. This newly established organoid culture system will provide a useful tool to study rabbit gastrointestinal physiology and disease. For example, organoids and organoid-derived cells may be used to propagate and study caliciviruses and other enterotropic pathogens that cannot be grown in conventional cell culture systems.

Human noroviruses (HuNoVs) are a significant cause of both epidemic and sporadic acute gastroenteritis worldwide. The lack of a reproducible culture system for HuNoVs was a major obstacle in studying virus replication and pathogenesis for almost a half- century. This barrier was overcome with our successful cultivation of multiple HuNoV strains in human intestinal enteroids (HIEs), which has significantly advanced HuNoV research. We previously optimized culture media conditions and generated genetically-modified HIE cultures to enhance HuNoV replication in HIEs. Building upon these achievements, we now present additional advancements to this culture system, which involve testing different media, unique HIE lines, and additional virus strains. HuNoV infectivity was evaluated and compared in new HIE models, including HIEs generated from different intestinal segments of individual adult organ donors, HIEs made from human embryonic stem cell-derived human intestinal organoids that were transplanted into mice (H9tHIEs), genetically-engineered (J4FUT2 knock-in [KI], J2STAT1 knock-out [KO]) HIEs, as well as HIEs derived from a patient with common variable immunodeficiency (CVID) and from infants. Our findings reveal that small intestinal HIEs, but not colonoids, from adults, H9tHIEs, HIEs from a CVID patient, and HIEs from infants support HuNoV replication with segment and strain-specific differences in viral infection. J4FUT2-KI HIEs exhibit the highest susceptibility to HuNoV infection, allowing the cultivation of a broader range of GI and GII HuNoV strains than previously reported. Overall, these results contribute to a deeper understanding of HuNoVs and highlight the transformative potential of HIE cultures in HuNoV research.

Abstract Human noroviruses (HuNoVs) are the leading cause of epidemic and sporadic acute gastroenteritis worldwide. We previously demonstrated human intestinal stem cell-derived enteroids (HIEs) support cultivation of several HuNoV strains. However, HIEs did not support virus replication from every HuNoV-positive stool sample, which led us to test and optimize new media conditions, identify characteristics of stool samples that allow replication, and evaluate consistency of replication over time. Optimization of our HIE-HuNoV culture system has shown that: 1) A new HIE culture media made with conditioned medium from a single cell line and commercial media promote robust replication of HuNoV strains that replicated poorly in HIEs grown in our original culture media made with conditioned media from 3 separate cell lines; 2) GI.1, eleven GII genotypes (GII.1, GII.2, GII.3, GII.4, GII.6, GII.7, GII.8, GII.12, GII.13, GII.14 and GII.17) and six GII.4 variants, can be cultivated in HIEs; 3) successful replication is more likely with virus in stools with higher virus titers; 4) GII.4_Sydney_2012 virus replication was reproducible over three years; and 5) HuNoV infection is restricted to the small intestine, based on replication in duodenal and ileal HIEs but not colonoids from the same donors. These results improve the HIE culture system for HuNoV replication. Use of HIEs by several laboratories worldwide to study the molecular mechanisms that regulate HuNoV replication confirms the usefulness of this culture system and our optimized methods for virus replication will advance the development of effective therapies and methods for virus control. Importance Human noroviruses (HuNoVs) are highly contagious and cause acute and sporadic diarrheal illness in all age groups. In addition, chronic infections occur in immunocompromised cancer and transplant patients. These viruses are antigenically and genetically diverse and there are strain-specific differences in binding to cellular attachment factors. In addition, new discoveries are being made on strain-specific differences in virus entry and replication and the epithelial cell response to infection in human intestinal enteroids. Human intestinal enteroids are a biologically-relevant model to study HuNoVs; however, not all strains can be cultivated at this time. A complete understanding of HuNoV biology thus requires cultivation conditions that will allow the replication of multiple strains. We report optimization of HuNoV cultivation in human intestinal enteroid cultures to increase the numbers of cultivatable strains and the magnitude of replication, which is critical for testing antivirals, neutralizing antibodies and methods of virus inactivation.

We describe the epidemiology and clinical characteristics of 29 patients with cancer and diarrhea in whom Enteroaggregative Escherichia coli (EAEC) was initially identified by GI BioFire panel multiplex. E. coli strains were successfully isolated from fecal cultures in 14 of 29 patients. Six of the 14 strains were identified as EAEC and 8 belonged to other diverse E. coli groups of unknown pathogenesis. We investigated these strains by their adherence to human intestinal organoids, cytotoxic responses, antibiotic resistance profile, full sequencing of their genomes, and annotation of their functional virulome. Interestingly, we discovered novel and enhanced adherence and aggregative patterns for several diarrheagenic pathotypes that were not previously seen when co-cultured with immortalized cell lines. EAEC isolates displayed exceptional adherence and aggregation to human colonoids compared not only to diverse GI E. coli , but also compared to prototype strains of other diarrheagenic E. coli . Some of the diverse E. coli strains that could not be classified as a conventional pathotype also showed an enhanced aggregative and cytotoxic response. Notably, we found a high carriage rate of antibiotic resistance genes in both EAEC strains and diverse GI E. coli isolates and observed a positive correlation between adherence to colonoids and the number of metal acquisition genes carried in both EAEC and the diverse E. coli strains. This work indicates that E. coli from cancer patients constitute strains of remarkable pathotypic and genomic divergence, including strains of unknown disease etiology with unique virulomes. Future studies will allow for the opportunity to re-define E. coli pathotypes with greater diagnostic accuracy and into more clinically relevant groupings.