Cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. We provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs) to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium.We reprocessed human control single-cell RNA sequencing (scRNAseq) data from 6 datasets. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by fluorescent microscopy and in situ hybridization. scRNAseq of primary lung ECs cultured in vitro was performed. The signaling network between different lung cell types was studied. For cross-species analysis or disease relevance, we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs or from human lungs with pulmonary hypertension.Six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify >15 000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including panendothelial, panvascular, and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial, and venous ECs, we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC, we identified 2 previously indistinguishable populations: pulmonary-venous ECs (COL15A1neg) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1pos) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary ECs, we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1, and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all 6 endothelial cell types, including the systemic-venous ECs and aerocytes, are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. scRNAseq of commercially available primary lung ECs demonstrated a loss of their native lung phenotype in culture. scRNAseq revealed that endothelial diversity is maintained in pulmonary hypertension. Our article is accompanied by an online data mining tool (www.LungEndothelialCellAtlas.com).Our integrated analysis provides a comprehensive and well-crafted reference atlas of ECs in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Background Despite its importance in health and disease, the cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. Here we provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs), to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium, both in health and disease. Methods We reprocessed control single cell RNA sequencing (scRNAseq) data from five datasets of whole lungs that were used for the analysis of pan-endothelial markers, we later included a sixth dataset of sorted control EC for the vascular subpopulation analysis. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by immunohistochemistry and in situ hybridization. Signaling network between different lung cell types was studied using connectomic analysis. For cross species analysis we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs. Results The six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify over 15,000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including pan-endothelial, pan-vascular and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial and venous ECs we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC we identified two previously indistinguishable populations, pulmonary-venous ECs (COL15A1 neg ) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1 pos ) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary EC we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1 and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all six endothelial cell types, including the systemic-venous EC and aerocytes are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-Receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. Our manuscript is accompanied by an online data mining tool ( www.LungEndothelialCellAtlas.com ). Conclusion Our integrated analysis provides the comprehensive and well-crafted reference atlas of lung endothelial cells in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Rationale People with pre-existing lung diseases like chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are more likely to get very sick from SARS-CoV-2 disease 2019 (COVID-19), but an interrogation of the immune response to COVID-19 infection, spatial throughout the lung structure is lacking in patients with COPD. Objectives To profile the immune microenvironment of lung parenchyma, airways, and vessels of never- and ever-smokers with or without COPD, whom all died of COVID-19, using spatial transcriptomic and proteomic profiling. Findings The parenchyma, airways, and vessels of COPD patients, compared to control lungs had: 1) significant enrichment for lung resident CD45RO + memory T cells; 2) downregulation of genes associated with T cell antigen-priming and memory T cell differentiation; 3) higher expression of proteins associated with SARS-CoV-2 entry and major receptor ubiquitously across the ROIs and in particular the lung parenchyma, despite similar SARS-CoV-2 structural gene expression levels. Conclusions The lung parenchyma, airways, and vessels of COPD patients have increased T-lymphocytes with a blunted memory T cell response and a more invasive SARS-CoV-2 infection pattern, and may underlie the higher death toll observed with COVID-19.

ABSTRACT Activation of the DNA damage response (DDR) due to chronic exposure to cigarette smoke (CS) is implicated in the pathogenesis of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). However, not all smokers develop COPD and the pathologic consequences of CS exposure are heterogenous. Cellular mechanisms that regulate the DDR and contribute to disease progression in susceptible individuals are poorly understood. Because microRNAs are well known regulators of the DDR, we evaluated microRNA expression arrays performed on lung samples from 172 subjects with and without COPD. We identified miR-24-3p as the microRNA best correlated with radiographic emphysema (ρ=-0.353, P=1.3e-04) and validated this finding in multiple cohorts. In a CS-exposure mouse model, miR-24-3p inhibition increased emphysema severity. In human airway epithelial cells, miR-24-3p suppressed apoptosis through the BH3-only protein BIM and suppressed homology-directed DNA repair and the DNA repair protein BRCA1. Finally, we found BIM and BRCA1 were increased in COPD lung tissue and inversely correlated with miR-24-3p expression. We concluded that decreased miR-24-3p expression increases COPD susceptibility and potentiates the DDR through BIM and BRCA1.

Abstract The renin-angiotensin system is a highly characterized integrative pathway in mammalian homeostasis whose clinical spectrum has been expanded to lung disorders such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD)-emphysema, idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), and COVID pathogenesis. Despite this widespread interest, specific localization of this receptor family in the mammalian lung is limited, partially due to the imprecision of available antibody reagents. In this study, we establish the expression pattern of the two predominant angiotensin receptors in the human lung, AGTR1 and AGTR2 , using complementary and comprehensive bulk and single-cell RNA-sequence datasets that are publicly available. We show these two receptors have distinct localization patterns and developmental trajectories in the human lung, pericytes for AGTR1 and a subtype of alveolar epithelial type 2 cells for AGTR2 . In the context of disease, we further pinpoint AGTR2 localization to the COPD-associated subpopulation of alveolar epithelial type 2 (AT2 B ) and AGTR1 localization to fibroblasts, where their expression is upregulated in individuals with COPD, but not in individuals with IPF. Finally, we examine the genetic variation of the angiotensin receptors, finding AGTR2 associated with lung phenotype (i.e., cystic fibrosis) via rs1403543. Together, our findings provide a critical foundation for delineating this pathway’s role in lung homeostasis and constructing rational approaches for targeting specific lung disorders.

Abstract Structural fetal diseases, such as congenital diaphragmatic hernia (CDH) can be diagnosed prenatally. Neonates with CDH are healthy in utero as gas exchange is managed by the placenta, but impaired lung function results in critical illness from the time a baby takes its first breath. During fetal development, lungs are capable of remarkable growth and the fetus does not yet require lung function for gas exchange. MicroRNA (miR) 200b and its downstream targets in the TGFβ pathway are critically involved lung branching morphogenesis. Here we characterize the expression of miR200b and the TGFβ pathway at different gestational times using a rat model of CDH. Fetal rats with CDH are deficient in miR200b at gestational day 18. We demonstrate that NPs loaded with miR200b given systemically to fetal rats result in changes in the TGFβ pathway; these epigenetic changes improve lung size, lung morphology, and lung vascularization. This is the first demonstration of in utero epigenetic therapy to improve lung growth and development in a pre-clinical model. With refinement, this technique could be applied to fetal cases of CDH or other forms of impaired lung development in a minimally invasive fashion. eTOC Synopsis In utero treatment with NPs loaded with miR200b improves lung development in a rat model of CDH. miR200b treatment epigenetic changes in the TGFβ, leads to larger lungs with more airspace and favorable pulmonary vascular remodeling.

Abstract microRNAs are non-coding RNAs that negatively regulate gene networks. Previously, we reported a systemically delivered miR-29 mimic MRG-201 that reduced fibrosis in animal models, but at doses prohibiting clinical translation. Here, we generated MRG-229, a next-gen miR-29 mimic with improved chemical stability, conjugated with the internalization moiety BiPPB (PDGFbetaR-specific bicyclic peptide). In TGF-b-treated human lung fibroblasts and precision cut lung slices, MRG-229 decreased COL1A1 and ACTA2 gene expression and reduced collagen production. In bleomycin-treated mice, intravenous or subcutaneous delivery of MRG-229 downregulated profibrotic gene programs at doses more than ten-fold lower than the original compound. In rats and non-human primates, and at clinically relevant doses, MRG-229 was well tolerated, with no adverse findings observed. In human peripheral blood decreased mir-29 concentrations were associated with increased mortality in two cohorts potentially identified as a target population for treatment. Collectively, our results provide support for the development of MRG-229 as a potential therapy in humans with IPF. One Sentence Summary One Sentence Summary: A stabilized, next-generation miR-29 mimic has been developed that demonstrates efficacy at commercially viable doses with a robust safety margin in non-human primates.

SUMMARY Tissue repair requires a highly coordinated cellular response to injury. In the lung, alveolar type 2 (AT2) cells act as stem cells and can replace both themselves and alveolar type 1 cells (AT1); however, the complex orchestration of AT2 stem cell activity following lung injury is poorly understood owing to the inability of tracking individual stem cells and their dynamic behavior over time. Here, we apply live time lapse imaging to ex vivo mouse precision cut lung slice (PCLS) culture and in vivo mouse lung to track individual GFP-labeled AT2 cells following induction of alveolar injury by bleomycin. We observe highly dynamic movement of AT2 cells, including migration within and between alveoli. To map the dynamic evolution of AT2 cell behavior, we introduce Live Cell Encoder (LCE-PHATE), a novel method for converting static snapshots from time lapse imaging into single points representative of entire, dynamic cellular trajectories. Applying LCE-PHATE, we observe the emergence of at least three distinct morphokinetic AT2 cell states associated with AT2 stem cell injury response. Finally, small molecule-based inhibition of Rho-associated protein kinase (ROCK) pathway significantly reduced motility of AT2 stem cells following injury and reduced expression of Krt8, a marker of intermediate progenitor cells. Together, our results uncover motility of alveolar stem cells as a new injury response mechanism in the lung and reveal properties of stem cell motility at high cellular resolution.