The major barrier to research and development of effective interventions for human noroviruses (HuNoVs) has been the lack of a robust and reproducible in vitro cultivation system. HuNoVs are the leading cause of gastroenteritis worldwide. We report the successful cultivation of multiple HuNoV strains in enterocytes in stem cell–derived, nontransformed human intestinal enteroid monolayer cultures. Bile, a critical factor of the intestinal milieu, is required for strain-dependent HuNoV replication. Lack of appropriate histoblood group antigen expression in intestinal cells restricts virus replication, and infectivity is abrogated by inactivation (e.g., irradiation, heating) and serum neutralization. This culture system recapitulates the human intestinal epithelium, permits human host-pathogen studies of previously noncultivatable pathogens, and allows the assessment of methods to prevent and treat HuNoV infections.

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 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 (J4

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

In vitro models, such as primary cells and continuous cell lines routinely used for evaluating drug candidates, have limitations in their translational relevance to human diseases. Organotypic cultures are increasingly being used to assess therapeutics for various cancers and infectious diseases. Monitoring drug cytotoxicity in cell cultures is crucial in drug development, and several commercially available kits for cytotoxicity assessment offer distinct advantages and limitations. Given the complexity of organoid cultures, including donor-driven variability, we investigated drug-treated, tissue stem cell-derived human intestinal organoid responses with commonly used cell cytotoxicity assay kits. Using seven different compounds, we compared the cytotoxicity assay performance of two different leaky membrane-based and two metabolism-based assays. Significant variability was seen in reported viability outcomes across assays and organoid lines. High baseline activity of lactate dehydrogenase (LDH) in four human intestinal organoid lines required modification of the standard LDH assay protocol. Additionally, the LDH assay reported unique resilience to damage in a genetically-modified line contrasting results compared to other assays. This study highlights factors that can impact the measurement of cell cytotoxicity in intestinal organoid models, which are emerging as valuable new tools for research and pre-clinical drug testing and suggest the need for using multiple assay types to ensure reliable cytotoxicity assessment.

The in vitro cultivation of human noroviruses allows a comparison of antibody levels measured in neutralization and histoblood group antigen (HBGA)-blocking assays.

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.

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 the infant intestinal anatomy 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 validated differences in key pathways through functional studies and determined if 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 as higher expression of enterocytes, goblet cells and enteroendocrine cells in differentiated infant HIEs, and greater numbers of proliferative cells in undifferentiated 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 ex-vivo model to advance studies of infant-specific diseases and drug discovery for this population.

Human noroviruses (HuNoVs) are the leading cause of acute gastroenteritis worldwide. Currently, there are no targeted antivirals for the treatment of HuNoV infection. Histo-blood group antigens (HBGAs) on the intestinal epithelium are cellular attachment factors for HuNoVs; molecules that block the binding of HuNoVs to HBGAs thus have the potential to be developed as antivirals. Human milk oligosaccharides (HMOs) are glycans in human milk with structures analogous to HBGAs. HMOs have been shown to act as decoy receptors to prevent the attachment of multiple enteric pathogens to host cells. Previous X-ray crystallography studies have demonstrated the binding of HMO 2'-fucosyllactose (2'FL) in the same pocket as HBGAs for some HuNoV strains. We evaluated the effect of 2'FL on the replication of a globally dominant GII.4 Sydney [P16] HuNoV strain using human intestinal enteroids (HIEs) from adults and children. A significant reduction in GII.4 Sydney [P16] replication was seen in duodenal and jejunal HIEs from multiple adult donors, all segments of the small intestine from an adult organ donor and in two pediatric duodenal HIEs. However, 2'FL did not inhibit HuNoV replication in two infant jejunal HIEs that had significantly lower expression of α1-2-fucosylated glycans. 2'FL can be synthesized in large scale, and safety and tolerance have been assessed previously. Our data suggest that 2'FL has the potential to be developed as a therapeutic for HuNoV gastroenteritis.

ABSTRACT Background & Aims The extent to which live orally-administered rotavirus (RV) vaccines elicit protective immunity is highly heterogeneous. We hypothesized microbiota composition might influence vaccine efficacy. Methods We tested this concept by examining extent to which colonizing mice with segmented filamentous bacteria (SFB) influenced RV vaccine efficacy.Influence of human microbiomes on RV vaccination was studied via administering germ-free mice fecal microbial transplants (FMT) from children with robust or minimal RV vaccine responsiveness. Post-FMT, mice were subjected to vaccination and challenge doses of RV. Results SFB administration resulted in a phenotype reminiscent of RV vaccine failure, i.e. minimal generation of RV antigens and, consequently, lack of anti-RV antibodies resulting in proneness to RV challenge once SFB levels diminished. Transplant of microbiomes from children to mice recapitulated donor vaccination phenotype. Specifically, mice receiving FMT from high-responding children exhibited high levels of fecal RV antigen shedding and RV antibodies in response to RV vaccination and, concomitantly, were impervious to RV challenge. In contrast, mice receiving FMT from children who had not responded to RV vaccination exhibited only modest responses to RV challenge and, accordingly, remained prone to RV challenge. Microbiome analysis ruled out a role for SFB but suggested that RV vaccine failure might involve Clostridium perfringens . Oral administration of cultured C. perfringens to gnotobiotic mice partially recapitulated the RV vaccine non-responder phenotype. Analysis of previously-reported microbiome data found C. perfringens abundance in children associated with RV vaccine failure. Conclusion Microbiota composition influences RV vaccine virus infection and, consequently, protective immunity. C. perfringens may be one, perhaps of many, bacterial species harbored in the intestine of RV-vaccine non-responders that influences RV vaccine outcomes.