There are currently few treatment options for pulmonary fibrosis. Innovations may come from a better understanding of the cellular origin of the characteristic fibrotic lesions. We have analyzed normal and fibrotic mouse and human lungs by confocal microscopy to define stromal cell populations with respect to several commonly used markers. In both species, we observed unexpected heterogeneity of stromal cells. These include numerous cells with molecular and morphological characteristics of pericytes, implicated as a source of myofibroblasts in other fibrotic tissues. We used mouse genetic tools to follow the fates of specific cell types in the bleomcyin-induced model of pulmonary fibrosis. Using inducible transgenic alleles to lineage trace pericyte-like cells in the alveolar interstitium, we show that this population proliferates in fibrotic regions. However, neither these cells nor their descendants express high levels of the myofibroblast marker alpha smooth muscle actin (Acta2, aSMA). We then used a Surfactant protein C-CreER T2 knock-in allele to follow the fate of Type II alveolar cells (AEC2) in vivo. We find no evidence at the cellular or molecular level for epithelial to mesenchymal transition of labeled cells into myofibroblasts. Rather, bleomycin accelerates the previously reported conversion of AEC2 into AEC1 cells. Similarly, epithelial cells labeled with our Scgb1a1-CreER allele do not give rise to fibroblasts but generate both AEC2 and AEC1 cells in response to bleomycin-induced lung injury. Taken together, our results show a previously unappreciated heterogeneity of cell types proliferating in fibrotic lesions and exclude pericytes and two epithelial cell populations as the origin of myofibroblasts.

Successful repair after tissue injury and inflammation requires resolution of the inflammatory response and removal of extracellular matrix breakdown products. We have examined whether the cell-surface adhesion molecule and hyaluronan receptor CD44 plays a role in resolving lung inflammation. CD44-deficient mice succumb to unremitting inflammation following noninfectious lung injury, characterized by impaired clearance of apoptotic neutrophils, persistent accumulation of hyaluronan fragments at the site of tissue injury, and impaired activation of transforming growth factor–β 1 . This phenotype was partially reversed by reconstitution with CD44 + cells, thus demonstrating a critical role for this receptor in resolving lung inflammation.

Fibroblast heterogeneity has long been recognized in mouse and human lungs, homeostasis, and disease states. However, there is no common consensus on fibroblast subtypes, lineages, biological properties, signaling, and plasticity, which severely hampers our understanding of the mechanisms of fibrosis. To comprehensively classify fibroblast populations in the lung using an unbiased approach, single-cell RNA sequencing was performed with mesenchymal preparations from either uninjured or bleomycin-treated mouse lungs. Single-cell transcriptome analyses classified and defined six mesenchymal cell types in normal lung and seven in fibrotic lung. Furthermore, delineation of their differentiation trajectory was achieved by a machine learning method. This collection of single-cell transcriptomes and the distinct classification of fibroblast subsets provide a new resource for understanding the fibroblast landscape and the roles of fibroblasts in fibrotic diseases.

Tissue fibrosis is a major cause of morbidity, and idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a terminal illness characterized by unremitting matrix deposition in the lung. The mechanisms that control progressive fibrosis are unknown. Myofibroblasts accumulate at sites of tissue remodeling and produce extracellular matrix components such as collagen and hyaluronan (HA) that ultimately compromise organ function. We found that targeted overexpression of HAS2 (HA synthase 2) by myofibroblasts produced an aggressive phenotype leading to severe lung fibrosis and death after bleomycin-induced injury. Fibroblasts isolated from transgenic mice overexpressing HAS2 showed a greater capacity to invade matrix. Conditional deletion of HAS2 in mesenchymal cells abrogated the invasive fibroblast phenotype, impeded myofibroblast accumulation, and inhibited the development of lung fibrosis. Both the invasive phenotype and the progressive fibrosis were inhibited in the absence of CD44. Treatment with a blocking antibody to CD44 reduced lung fibrosis in mice in vivo. Finally, fibroblasts isolated from patients with IPF exhibited an invasive phenotype that was also dependent on HAS2 and CD44. Understanding the mechanisms leading to an invasive fibroblast phenotype could lead to novel approaches to the treatment of disorders characterized by severe tissue fibrosis.

Reduced hyaluronan–TLR4 signaling in a stem cell population of the lung contributes to a lack of renewal of these cells and promotes fibrosis in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Successful recovery from lung injury requires the repair and regeneration of alveolar epithelial cells to restore the integrity of gas-exchanging regions within the lung and preserve organ function. Improper regeneration of the alveolar epithelium is often associated with severe pulmonary fibrosis, the latter of which involves the recruitment and activation of fibroblasts, as well as matrix accumulation. Type 2 alveolar epithelial cells (AEC2s) are stem cells in the adult lung that contribute to the lung repair process. The mechanisms that regulate AEC2 renewal are incompletely understood. We provide evidence that expression of the innate immune receptor Toll-like receptor 4 (TLR4) and the extracellular matrix glycosaminoglycan hyaluronan (HA) on AEC2s are important for AEC2 renewal, repair of lung injury and limiting the extent of fibrosis. Either deletion of TLR4 or HA synthase 2 in surfactant-protein-C-positive AEC2s leads to impaired renewal capacity, severe fibrosis and mortality. Furthermore, AEC2s from patients with severe pulmonary fibrosis have reduced cell surface HA and impaired renewal capacity, suggesting that HA and TLR4 are key contributors to lung stem cell renewal and that severe pulmonary fibrosis is the result of distal epithelial stem cell failure.

Abstract The heterogeneity of fibroblasts in the murine and human lung during homeostasis and disease is increasingly recognized. It remains unclear if the different phenotypes identified to date are characteristic of unique subpopulations with unique progenitors or whether they arise by a process of differentiation from common precursors. Our understanding of this ubiquitous cell type is limited by an absence of well validated, specific, markers with which to identify each cell type and a clear consensus on the distinct populations present in the lung. Here we describe single cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis on mesenchymal cells from the murine lung throughout embryonic (E) development (E9.5 – 17.5), at post-natal day (P1 – 15), as well as in the adult and the aged murine lungs before and after bleomycin-induced fibrosis. We carried out complementary scRNA-seq on human lung tissue from a P1 lung, a month 21 lung and lung tissue from healthy donors and patients with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). The murine and human data were supplemented with publicly available scRNA-seq datasets. We consistently identified lipofibroblasts, myofibroblasts, pericytes, mesothelial cells and smooth muscle cells. In addition, we identified a novel population delineated by Ebf1 (early B-cell factor 1) expression and an intermediate subtype. Comparative analysis with human mesenchymal cells revealed homologous mesenchymal subpopulations with remarkably conserved transcriptomic signatures. Comparative analysis of changes in gene expression in the fibroblast subpopulations from age matched non-fibrotic and fibrotic lungs in the mouse and human demonstrates that many of these subsets contribute to matrix gene expression in fibrotic conditions. Subtype selective transcription factors were identified and putative divergence of the clusters during development were delineated. Prospective isolation of these fibroblast subpopulations, localization of signature gene markers, and lineage-tracing each cluster are under way in the laboratory. This analysis will enhance our understanding of fibroblast heterogeneity in homeostasis and fibrotic disease conditions.

ABSTRACT Aging is a critical risk factor in progressive lung fibrotic diseases such as idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). Loss of integrity of type 2 alveolar epithelial cells (AEC2s) is the main causal event in the pathogenesis of IPF. To systematically examine the genomic program changes of AEC2s with aging and lung injury, we performed unbiased single cell RNA-seq analyses of lung epithelial cells from either uninjured or bleomycin-injured young and old mice. Major lung epithelial cell types were readily identified with canonical cell markers in our dataset. Heterogenecity of AEC2s was apparent, and AEC2s were then classified into three subsets according to their gene signatures. Genes related to lipid metabolism and glycolysis were significantly altered within these three clusters of AEC2s, and also affected by aging and lung injury. Importantly, IPF AEC2s showed similar genomic programming and metabolic changes as that of AEC2s from bleomycin injured old mouse lungs relative to controls. Furthermore, perturbation of both lipid metabolism and glycolysis significantly changed progenitor renewal capacity in 3-Demensional organoid culture of AEC2s. Taken togather, this work identified metabolic defects of AEC2s in aging and during lung injury. Strategies to rectify these altered programs would promote AEC2 renewal which in turn improves lung repair. One sentence summary Metabolic defects of alveolar progenitors in aging and during lung injury impair their renewal.

COVID-19, SARS, and MERS are featured by fibrinolytic dysfunction. To test the role of the fibrinolytic niche in the regeneration of alveolar epithelium, we compared the self-renewing capacity of alveolar epithelial type 2 (AT2) cells and its differentiation to AT1 cells between wild type (wt) and fibrinolytic niche deficient mice (Plau-/- and Serpine1Tg). A significant reduction in both proliferation and differentiation of deficient AT2 cells was observed in vivo and in 3D organoid cultures. This decrease was mainly restored by uPA derived A6 peptide, a binding fragment to CD44 receptors. The proliferative and differential rate of CD44+ AT2 cells was greater than that of CD44- controls. There was a reduction in transepithelial ion transport in deficient monolayers compared to wt cells. Moreover, we found a marked suppression in total AT2 cells and CD44+ subpopulation in lungs from brain dead patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS) and a mouse model infected by influenza viruses. Thus, we demonstrate that the fibrinolytic niche can regulate AT2-mediated homeostasis and regeneration via a novel uPA-A6-CD44+-ENaC cascade.

SUMMARY Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a fatal form of interstitial lung disease and aging has been identified as a risk factor to the disease. Alveolar type II cells (AEC2s) function as progenitor cells in the lung. Growing evidences indicate that IPF results from repeating AEC2 injury and inadequate epithelial repair. We previously reported that there was a significant loss of alveolar progenitors in the lungs of patients with IPF. In our current study, we performed single cell RNA-seq of epithelial cells from lungs of patients with IPF and healthy donors as well as epithelial cells from old and young mouse lungs with bleomycin injury. We identified a defect of zinc metabolism of AEC2s from IPF lungs and bleomycin-injured old mouse lungs. We further discovered that a specific zinc transporter ZIP8 was down regulated in IPF AEC2s and AEC2s from aged mice. Loss of ZIP8 expression is associated with impaired AEC2 renewal through sirtuin signaling in aging and IPF. Targeted deletion of Zip8 in murine AEC2 compartment led to reduced AEC2 renewal capacity, impaired AEC2 recovery, and worsened lung fibrosis after bleomycin injury. In summary, we have identified novel metabolic defects of AEC2s during aging and in IPF which contribute to the pathogenesis of lung fibrosis. Therapeutic strategies to restore critical components of these metabolic programs could improve AEC2 progenitor activity and mitigate ongoing fibrogenesis. In Brief Liang et al. performed single cell RNA-seq (scRNA-seq) of epithelial cells in IPF and in mice and discovered a zinc metabolic defect of alveolar progenitor cells (AEC2) in IPF and injured old mice characterized by down-regulation of a specific zinc transporter ZIP8. Manipulation of ZIP8 and zinc in 3D organoid culture of AEC2 in vitro and targeted deletion of Zip8 in AEC2s in vivo demonsrated a role of ZIP8 in promoting AEC2 progenitor function. Highlights ScRNA-seq revealed dysregulation of zinc metabolism in AEC2s and decreased stem cell signaling in IPF Reduced SLC39A8 and related gene expression of IPF AEC2s and aged mouse AEC2s ZIP8-dependent zinc metabolism is required for AEC2 renewal Targeted deletion of Slc39a8 impaired AEC2 renewal and promoted lung fibrosis