Abstract The liver is the largest solid organ in the body and is critical for metabolic and immune functions. However, little is known about the cells that make up the human liver and its immune microenvironment. Here we report a map of the cellular landscape of the human liver using single-cell RNA sequencing. We provide the transcriptional profiles of 8444 parenchymal and non-parenchymal cells obtained from the fractionation of fresh hepatic tissue from five human livers. Using gene expression patterns, flow cytometry, and immunohistochemical examinations, we identify 20 discrete cell populations of hepatocytes, endothelial cells, cholangiocytes, hepatic stellate cells, B cells, conventional and non-conventional T cells, NK-like cells, and distinct intrahepatic monocyte/macrophage populations. Together, our study presents a comprehensive view of the human liver at single-cell resolution that outlines the characteristics of resident cells in the liver, and in particular provides a map of the human hepatic immune microenvironment.

We report the fabrication of a scaffold (hereafter referred to as AngioChip) that supports the assembly of parenchymal cells on a mechanically tunable matrix surrounding a perfusable, branched, three-dimensional microchannel network coated with endothelial cells. The design of AngioChip decouples the material choices for the engineered vessel network and for cell seeding in the parenchyma, enabling extensive remodelling while maintaining an open-vessel lumen. The incorporation of nanopores and micro-holes in the vessel walls enhances permeability, and permits intercellular crosstalk and extravasation of monocytes and endothelial cells on biomolecular stimulation. We also show that vascularized hepatic tissues and cardiac tissues engineered by using AngioChips process clinically relevant drugs delivered through the vasculature, and that millimetre-thick cardiac tissues can be engineered in a scalable manner. Moreover, we demonstrate that AngioChip cardiac tissues implanted with direct surgical anastomosis to the femoral vessels of rat hindlimbs establish immediate blood perfusion. Biodegradable, perfusable scaffolds are able to generate both in vitro cardiac and hepatic vascularized tissue models and in vivo implants for direct surgical anastomosis.

The generation of insulin-producing β-cells from human pluripotent stem cells is dependent on efficient endoderm induction and appropriate patterning and specification of this germ layer to a pancreatic fate. In this study, we elucidated the temporal requirements for TGFβ family members and canonical WNT signaling at these developmental stages and show that the duration of nodal/activin A signaling plays a pivotal role in establishing an appropriate definitive endoderm population for specification to the pancreatic lineage. WNT signaling was found to induce a posterior endoderm fate and at optimal concentrations enhanced the development of pancreatic lineage cells. Inhibition of the BMP signaling pathway at specific stages was essential for the generation of insulin-expressing cells and the extent of BMP inhibition required varied widely among the cell lines tested. Optimal stage-specific manipulation of these pathways resulted in a striking 250-fold increase in the levels of insulin expression and yielded populations containing up to 25% C-peptide+ cells.

Abstract The derivation of mature functional cholangiocytes from human pluripotent stem cells (hPSCs) would provide a model for studying the pathogenesis of cholangiopathies and for developing novel therapies to treat them. Current differentiation protocols are not efficient and give rise to cholangiocytes that are not fully mature, limiting their therapeutic applications. Here, we describe a new strategy to generate functional hPSC-derived cholangiocytes that display many characteristics of mature bile duct cells including high levels of CFTR and the presence of primary cilia capable of sensing flow. With this level of maturation, these cholangiocytes are amenable for testing the efficacy of new cystic fibrosis drugs and for studying the role of cilia in cholangiocyte development and function. Transplantation studies showed that the mature cholangiocytes generate ductal structures in the liver of immunocompromised mice providing the first indication that it may be possible to develop cell-based therapies to restore bile duct function in patients with biliary disease.

Abstract Organ-on-a-chip systems that recapitulate tissue-level functions have been proposed to improve in vitro–in vivo correlation in drug development. Significant progress has been made to control the cellular microenvironment with mechanical stimulation and fluid flow. However, it has been challenging to introduce complex 3D tissue structures due to the physical constraints of microfluidic channels or membranes in organ-on-a-chip systems. Although this problem could be addressed with the integration of 3D bioprinting, it is not an easy task because the two technologies have fundamentally different fabrication processes. Inspired by 4D bioprinting, we develop a 4D subtractive manufacturing technique where a flexible sacrificial material can be patterned on a 2D surface, change shape when exposed to aqueous hydrogel, and subsequently degrade to produce perfusable networks in a natural hydrogel matrix that can be populated with cells. The technique is applied to fabricate organ-specific vascular networks, vascularized kidney proximal tubules, and terminal lung alveoli in a customized 384-well plate and then further scaled to a 24-well plate format to make a large vascular network, vascularized liver tissues, and for integration with ultrasound imaging. This biofabrication method eliminates the physical constraints in organ-on-a-chip systems to incorporate complex ready-to-perfuse tissue structures in an open-well design.

Very recent clinical advances in stem cell derived tissue replacement and gene therapy, in addition to the rise of artificial intelligence aided scientific discovery, have placed the possibility of sophisticated human cell based therapies firmly within reach. However, development of such cells and testing of their engineered gene circuit components, has proven highly challenging, due to the need for generating stable cell lines for each design, build, test, learn engineering cycle. Current approaches to generating stable human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines are highly time consuming and suffer from lack of control, poor integration efficiency, and limited functionality. Validation in clinically relevant stem cell derived tissues is also broadly lacking. Such drawbacks are prohibitive to repeatably conducting cutting edge stem cell engineering with broad application within a realistic timeframe, and will not scale with the future of regenerative medicine. We have developed FASTSTEM (Facile Accelerated Stem cell Transgene integration with SynBio Tunable Engineering Modes), a hiPSC engineering platform that drastically reduces the time to generate differentiation ready stem cell lines from several weeks to 5 days, exhibiting a ~612-fold improvement in transgene integration rate over previous methodologies. Additional FAST-STEM innovations include: (i) rapid and highly efficient transgene integration; (ii) copy number control; (iii) simultaneous or consecutive integration of multiple gene cassettes; (iv) library screen capability. In addition to this unique functional versatility, platform transportability and broad use case for stem cell engineering was confirmed by differentiation into eight different cell types across nine different laboratories. This platform dramatically lowers the bar for integration of synthetic biology with regenerative medicine, enabling experiments which were previously deemed logistically impossible, thus paving the way for sophisticated human cell device development.

Abstract DICER1 syndrome is a tumor predisposition syndrome caused by familial genetic mutations in DICER1 . Pathogenic variants of DICER1 have been discovered in many rare cancers, including cystic liver tumors. However, the molecular mechanisms underlying liver lesions induced by these variants remain unclear. In the present study, we sought to gain a better understanding of the pathogenesis of these variants by generating a mouse model of liver‐specific DICER1 syndrome. The mouse model developed bile duct hyperplasia with fibrosis, similar to congenital hepatic fibrosis, as well as cystic liver tumors resembling those in Caroli's syndrome, intrahepatic cholangiocarcinoma, and hepatocellular carcinoma. Interestingly, the mouse model of DICER1 syndrome showed abnormal formation of primary cilia in the bile duct epithelium, which is a known cause of bile duct hyperplasia and cyst formation. These results indicated that DICER1 mutations contribute to cystic liver tumors by inducing defective primary cilia. The mouse model generated in this study will be useful for elucidating the potential mechanisms of tumorigenesis induced by DICER1 variants and for obtaining a comprehensive understanding of DICER1 syndrome. © 2024 The Pathological Society of Great Britain and Ireland.