Summary

Background

 Stem-cell-based, tissue engineered transplants might offer new therapeutic options for patients, including children, with failing organs. The reported replacement of an adult airway using stem cells on a biological scaffold with good results at 6 months supports this view. We describe the case of a child who received a stem-cell-based tracheal replacement and report findings after 2 years of follow-up. 

Methods

 A 12-year-old boy was born with long-segment congenital tracheal stenosis and pulmonary sling. His airway had been maintained by metal stents, but, after failure, a cadaveric donor tracheal scaffold was decellularised. After a short course of granulocyte colony stimulating factor, bone marrow mesenchymal stem cells were retrieved preoperatively and seeded onto the scaffold, with patches of autologous epithelium. Topical human recombinant erythropoietin was applied to encourage angiogenesis, and transforming growth factor β to support chondrogenesis. Intravenous human recombinant erythropoietin was continued postoperatively. Outcomes were survival, morbidity, endoscopic appearance, cytology and proteomics of brushings, and peripheral blood counts. 

Findings

 The graft revascularised within 1 week after surgery. A strong neutrophil response was noted locally for the first 8 weeks after surgery, which generated luminal DNA neutrophil extracellular traps. Cytological evidence of restoration of the epithelium was not evident until 1 year. The graft did not have biomechanical strength focally until 18 months, but the patient has not needed any medical intervention since then. 18 months after surgery, he had a normal chest CT scan and ventilation-perfusion scan and had grown 11 cm in height since the operation. At 2 years follow-up, he had a functional airway and had returned to school. 

Interpretation

 Follow-up of the first paediatric, stem-cell-based, tissue-engineered transplant shows potential for this technology but also highlights the need for further research. 

Funding

 Great Ormond Street Hospital NHS Trust, The Royal Free Hampstead NHS Trust, University College Hospital NHS Foundation Trust, and Region of Tuscany.

X-ray observations of the core of the Perseus cluster reveal a remarkably quiescent atmosphere in which the gas has a line-of-sight velocity dispersion of about 164 kilometres per second in the region 30–60 kiloparsecs from the central nucleus; turbulent pressure support in the gas is four per cent of the thermodynamic pressure, necessitating only a small correction to the total cluster mass determined from hydrostatic equilibrium. The Hitomi collaboration reports X-ray observations of the core of the Perseus cluster of galaxies — the brightest X-ray-emitting cluster in the sky. Such clusters typically consist of tens to thousands of galaxies bound together by gravity and are studied as models of both small-scale cosmology and large-scale astrophysical processes. The data reveal a remarkably quiescent atmosphere, where gas velocities are quite low, with a line-of-sight velocity dispersion of about 164 kilometres per second at a distance of 30–60 kiloparsecs from the central nucleus. Clusters of galaxies are the most massive gravitationally bound objects in the Universe and are still forming. They are thus important probes1 of cosmological parameters and many astrophysical processes. However, knowledge of the dynamics of the pervasive hot gas, the mass of which is much larger than the combined mass of all the stars in the cluster, is lacking. Such knowledge would enable insights into the injection of mechanical energy by the central supermassive black hole and the use of hydrostatic equilibrium for determining cluster masses. X-rays from the core of the Perseus cluster are emitted by the 50-million-kelvin diffuse hot plasma filling its gravitational potential well. The active galactic nucleus of the central galaxy NGC 1275 is pumping jetted energy into the surrounding intracluster medium, creating buoyant bubbles filled with relativistic plasma. These bubbles probably induce motions in the intracluster medium and heat the inner gas, preventing runaway radiative cooling—a process known as active galactic nucleus feedback2,3,4,5,6. Here we report X-ray observations of the core of the Perseus cluster, which reveal a remarkably quiescent atmosphere in which the gas has a line-of-sight velocity dispersion of 164 ± 10 kilometres per second in the region 30–60 kiloparsecs from the central nucleus. A gradient in the line-of-sight velocity of 150 ± 70 kilometres per second is found across the 60-kiloparsec image of the cluster core. Turbulent pressure support in the gas is four per cent of the thermodynamic pressure, with large-scale shear at most doubling this estimate. We infer that a total cluster mass determined from hydrostatic equilibrium in a central region would require little correction for turbulent pressure.

Abstract Liver synthetic and metabolic function can only be optimised by the growth of cells within a supportive liver matrix. This can be achieved by the utilisation of decellularised human liver tissue. Here we demonstrate complete decellularization of whole human liver and lobes to form an extracellular matrix scaffold with a preserved architecture. Decellularized human liver cubic scaffolds were repopulated for up to 21 days using human cell lines hepatic stellate cells (LX2), hepatocellular carcinoma (Sk-Hep-1) and hepatoblastoma (HepG2), with excellent viability, motility and proliferation and remodelling of the extracellular matrix. Biocompatibility was demonstrated by either omental or subcutaneous xenotransplantation of liver scaffold cubes (5 × 5 × 5 mm) into immune competent mice resulting in absent foreign body responses. We demonstrate decellularization of human liver and repopulation with derived human liver cells. This is a key advance in bioartificial liver development.

Abstract Organoids have extensive therapeutic potential and are increasingly opening up new avenues within regenerative medicine. However, their clinical application is greatly limited by the lack of effective GMP-compliant systems for organoid expansion in culture. Here, we envisage that the use of extracellular matrix (ECM) hydrogels derived from decellularized tissues (DT) can provide an environment capable of directing cell growth. These gels possess the biochemical signature of tissue-specific ECM and have the potential for clinical translation. Gels from decellularized porcine small intestine (SI) mucosa/submucosa enable formation and growth of endoderm-derived human organoids, such as gastric, hepatic, pancreatic, and SI. ECM gels can be used as a tool for direct human organoid derivation, for cell growth with a stable transcriptomic signature, and for in vivo organoid delivery. The development of these ECM-derived hydrogels opens up the potential for human organoids to be used clinically.

It is not fully understood why COVID-19 is typically milder in children

High-resolution volume reconstruction from multiple motion-corrupted stacks of 2D slices plays an increasing role for fetal brain Magnetic Resonance Imaging (MRI) studies. Currently existing reconstruction methods are time-consuming and often require user interactions to localize and extract the brain from several stacks of 2D slices. We propose a fully automatic framework for fetal brain reconstruction that consists of four stages: 1) fetal brain localization based on a coarse segmentation by a Convolutional Neural Network (CNN), 2) fine segmentation by another CNN trained with a multi-scale loss function, 3) novel, single-parameter outlier-robust super-resolution reconstruction, and 4) fast and automatic high-resolution visualization in standard anatomical space suitable for pathological brains. We validated our framework with images from fetuses with normal brains and with variable degrees of ventriculomegaly associated with open spina bifida, a congenital malformation affecting also the brain. Experiments show that each step of our proposed pipeline outperforms state-of-the-art methods in both segmentation and reconstruction comparisons including expert-reader quality assessments. The reconstruction results of our proposed method compare favorably with those obtained by manual, labor-intensive brain segmentation, which unlocks the potential use of automatic fetal brain reconstruction studies in clinical practice.

In Brief Background: It is important to identify new sources of transplantable organs because of the critical shortage of donor organs. Tissue engineering holds the potential to address this issue through the implementation of decellularization–recellularization technology. Objective: To produce and examine acellular renal extracellular matrix (ECM) scaffolds as a platform for kidney bioengineering. Methods: Porcine kidneys were decellularized with distilled water and sodium dodecyl sulfate–based solution. After rinsing with buffer solution to remove the sodium dodecyl sulfate, the so-obtained renal ECM scaffolds were processed for vascular imaging, histology, and cell seeding to investigate the vascular patency, degree of decellularization, and scaffold biocompatibility in vitro. Four whole renal scaffolds were implanted in pigs to assess whether these constructs would sustain normal blood pressure and to determine their biocompatibility in vivo. Pigs were sacrificed after 2 weeks and the explanted scaffolds were processed for histology. Results: Renal ECM scaffolds were successfully produced from porcine kidneys. Scaffolds retained their essential ECM architecture and an intact vascular tree and allowed cell growth. On implantation, unseeded scaffolds were easily reperfused, sustained blood pressure, and were tolerated throughout the study period. No blood extravasation occurred. Pathology of explanted scaffolds showed maintenance of renal ultrastructure. Presence of inflammatory cells in the pericapsular region and complete thrombosis of the vascular tree were evident. Conclusions: Our investigations show that pig kidneys can be successfully decellularized to produce renal ECM scaffolds. These scaffolds maintain their basic components, are biocompatible, and show intact, though thrombosed, vasculature. Porcine kidneys can be decellularized to produce extracellular matrix scaffolds that preserve most of the original structural and biochemical components. Such constructs maintain their innate 3-dimensional architecture as well as the structure of the vascular tree. Therefore, they may represent the ideal platform for renal bioengineering research.

Rationale: Stem cell–based tracheal replacement represents an emerging therapeutic option for patients with otherwise untreatable airway diseases including long-segment congenital tracheal stenosis and upper airway tumors. Clinical experience demonstrates that restoration of mucociliary clearance in the lungs after transplantation of tissue-engineered grafts is critical, with preclinical studies showing that seeding scaffolds with autologous mucosa improves regeneration. High epithelial cell–seeding densities are required in regenerative medicine, and existing techniques are inadequate to achieve coverage of clinically suitable grafts.Objectives: To define a scalable cell culture system to deliver airway epithelium to clinical grafts.Methods: Human respiratory epithelial cells derived from endobronchial biopsies were cultured using a combination of mitotically inactivated fibroblasts and Rho-associated protein kinase (ROCK) inhibition using Y-27632 (3T3+Y). Cells were analyzed by immunofluorescence, quantitative polymerase chain reaction, and flow cytometry to assess airway stem cell marker expression. Karyotyping and multiplex ligation-dependent probe amplification were performed to assess cell safety. Differentiation capacity was tested in three-dimensional tracheospheres, organotypic cultures, air–liquid interface cultures, and an in vivo tracheal xenograft model. Ciliary function was assessed in air–liquid interface cultures.Measurements and Main Results: 3T3-J2 feeder cells and ROCK inhibition allowed rapid expansion of airway basal cells. These cells were capable of multipotent differentiation in vitro, generating both ciliated and goblet cell lineages. Cilia were functional with normal beat frequency and pattern. Cultured cells repopulated tracheal scaffolds in a heterotopic transplantation xenograft model.Conclusions: Our method generates large numbers of functional airway basal epithelial cells with the efficiency demanded by clinical transplantation, suggesting its suitability for use in tracheal reconstruction.

Abstract Coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is a global public health emergency. COVID-19 typically manifests as a respiratory illness but an increasing number of clinical reports describe gastrointestinal (GI) symptoms. This is particularly true in children in whom GI symptoms are frequent and viral shedding outlasts viral clearance from the respiratory system. By contrast, fetuses seem to be rarely affected by COVID-19, although the virus has been detected in placentas of affected women. These observations raise the question of whether the virus can infect and replicate within the stomach once ingested. Moreover, it is not yet clear whether active replication of SARS-CoV-2 is possible in the stomach of children or in fetuses at different developmental stages. Here we show the novel derivation of fetal gastric organoids from 8-21 post-conception week (PCW) fetuses, and from pediatric biopsies, to be used as an in vitro model for SARS-CoV-2 gastric infection. Gastric organoids recapitulate human stomach with linear increase of gastric mucin 5AC along developmental stages, and expression of gastric markers pepsinogen, somatostatin, gastrin and chromogranin A. In order to investigate SARS-CoV-2 infection with minimal perturbation and under steady-state conditions, we induced a reversed polarity in the gastric organoids (RP-GOs) in suspension. In this condition of exposed apical polarity, the virus can easily access viral receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The pediatric RP-GOs are fully susceptible to infection with SARS-CoV-2, where viral nucleoprotein is expressed in cells undergoing programmed cell death, while the efficiency of infection is significantly lower in fetal organoids. The RP-GOs derived from pediatric patients show sustained robust viral replication of SARS-CoV-2, compared with organoids derived from fetal stomachs. Transcriptomic analysis shows a moderate innate antiviral response and the lack of differentially expressed genes belonging to the interferon family. Collectively, we established the first expandable human gastric organoid culture across fetal developmental stages, and we support the hypothesis that fetal tissue seems to be less susceptible to SARS-CoV-2 infection, especially in early stages of development. However, the virus can efficiently infect gastric epithelium in pediatric patients, suggesting that the stomach might have an active role in fecal-oral transmission of SARS-CoV-2.