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.

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.

Summary The airway epithelium is a key protective barrier, the integrity of which is preserved by the self-renewal and differentiation of basal stem cells. Epithelial cells are central to the pathogenesis of multiple lung diseases. In chronic lung diseases, increasing age is a principle risk factor. Few studies have explored the differences between airway epithelial cells in children and adults and how the function of basal stem cells changes during ageing is poorly understood. Here, we analyze airway epithelial cells from children and adults in homeostatic conditions (laser capture-microdissected whole epithelium and fluorescence-activated cell-sorted basal cells) and in proliferation-inducing cell culture conditions. We find that, while the cellular composition of the pediatric and adult tracheobronchial epithelium is broadly similar, in cell culture, pediatric airway epithelial cells displayed higher colony-forming ability, sustained in vitro growth and outcompeted adult cells in competitive proliferation assays. In RNA sequencing experiments, we observed potentially important differences between epithelium from children and adults, including higher baseline interferon-associated gene expression in pediatric epithelium. Our results demonstrate cell-intrinsic differences in transcriptional profile and regenerative capacity between proximal airway epithelial cells of children and adults. Graphical abstract

Abstract Incomplete lung development, also known as pulmonary hypoplasia, is a recognized cause of neonatal death and poor outcome for survivors. To date, there is no effective treatment that promotes fetal lung growth and maturation. Herein, we describe a novel stem cell-based approach that enhances fetal lung development via the administration of extracellular vesicles (EVs) derived from amniotic fluid stem cells (AFSCs). In experimental models of pulmonary hypoplasia, administration of AFSC-EVs promoted lung branching morphogenesis and alveolarization, and stimulated pulmonary epithelial cell and fibroblast differentiation. This regenerative ability was confirmed in two models of injured human lung cells, where human AFSC-EVs obtained following good manufacturing practices restored pulmonary epithelial homeostasis. AFSC-EV beneficial effects were exerted via the release of RNA cargo, primarily miRNAs, that regulate the expression of genes involved in fetal lung development. Our findings suggest that AFSC-EVs hold regenerative ability for underdeveloped fetal lungs, demonstrating potential for therapeutic application. One Sentence Summary Fetal lung regeneration via administration of extracellular vesicles derived from amniotic fluid stem cells

Background Temporary fetoscopic endoluminal tracheal occlusion (FETO) promotes lung growth and increases survival in selected fetuses with congenital diaphragmatic hernia (CDH). FETO is performed percutaneously by inserting into the trachea a balloon designed for vascular occlusion. However, reports on the potential postnatal side-effects of the balloon are scarce. This study aimed to evaluate the prevalence of tracheomalacia in infants with CDH managed with and without FETO and other consequences related to the use of the balloon. Methods In this multicentre, retrospective cohort study, we included infants who were live born with CDH, either with FETO or without, who were managed postnatally at four centres (UZ Leuven, Leuven, Belgium; Antoine Béclère, Clamart, France; BCNatal, Barcelona, Spain; and HCor-Heart Hospital, São Paulo, Brazil) between April 5, 2002, and June 2, 2021. We primarily assessed the prevalence of all (symptomatic and asymptomatic) tracheomalacia as reported in medical records among infants with and without FETO. Secondarily we assessed the prevalence of symptomatic tracheomalacia and its resolution as reported in medical records, and compared tracheal diameters as measured on postnatal x-rays. Crude and adjusted risk ratios (aRRs) and 95% CIs were calculated via modified Poisson regression models with robust error variances for potential association between FETO and tracheomalacia. Variables included in the adjusted model were the side of the hernia, observed-to-expected lung-to-head ratio, and gestational age at birth. Crude and adjusted mean differences and 95% CIs were calculated via linear regression models to assess the presence and magnitude of association between FETO and tracheal diameters. In infants who had undergone FETO we also assessed the localisation of balloon remnants on x-rays, and the methods used for reversal of occlusion and potential complications associated with balloon remnants as documented in clinical records. Finally we investigated whether the presence of balloon remnants was influenced by the interval between balloon removal and delivery. Findings 505 neonates were included in the study, of whom 287 had undergone FETO and 218 had not. Tracheomalacia was reported in 18 (6%) infants who had undergone FETO and in three (1%) who had not (aRR 6·17 [95% CI 1·83–20·75]; p=0·0030). Tracheomalacia was first reported in the FETO group at a median of 5·0 months (IQR 0·8–13·0). Symptomatic tracheomalacia was reported in 13 (5%) infants who had undergone FETO, which resolved in ten (77%) children by 55·0 months (IQR 14·0–83·0). On average, infants who had undergone FETO had a 31·3% wider trachea (with FETO tracheal diameter 7·43 mm [SD 1·24], without FETO tracheal diameter 5·10 mm [SD 0·84]; crude mean difference 2·32 [95% CI 2·11–2·54]; p<0·0001; adjusted mean difference 2·62 [95% CI 2·35–2·89]; p<0·0001). At birth, the metallic component was visible within the body in 75 (37%) of 205 infants with available thoraco-abdominal x-rays: it was located in the gastrointestinal tract in 60 (80%) and in the lung in 15 (20%). No side-effects were reported for any of the infants during follow-up. The metallic component was more likely to be in the lung than either outside the body or the gastrointestinal tract when the interval between occlusion reversal and birth was less than 24 h. Interpretation Although FETO was associated with an increased tracheal diameter and an increased probability of tracheomalacia, symptomatic tracheomalacia typically resolved over time. There is a higher risk of retention of metallic balloon components if reversal of the occlusion occurs less than 24 h before delivery. Finally, there were no reported side-effects of the metallic component of the balloon persisting in the body during follow-up. Longer-term follow-up is needed to ensure that no tracheal problems arise later in life. Funding None.

Objective Hirschsprung disease (HSCR) is a severe congenital disorder affecting 1:5000 live births. HSCR results from the failure of enteric nervous system (ENS) progenitors to fully colonise the gastrointestinal tract during embryonic development. This leads to aganglionosis in the distal bowel, resulting in disrupted motor activity and impaired peristalsis. Currently, the only viable treatment option is surgical resection of the aganglionic bowel. However, patients frequently suffer debilitating, lifelong symptoms, with multiple surgical procedures often necessary. Hence, alternative treatment options are crucial. An attractive strategy involves the transplantation of ENS progenitors generated from human pluripotent stem cells (hPSCs). Design ENS progenitors were generated from hPSCs using an accelerated protocol and characterised, in detail, through a combination of single-cell RNA sequencing, protein expression analysis and calcium imaging. We tested ENS progenitors’ capacity to integrate and affect functional responses in HSCR colon, after ex vivo transplantation to organotypically cultured patient-derived colonic tissue, using organ bath contractility. Results We found that our protocol consistently gives rise to high yields of a cell population exhibiting transcriptional and functional hallmarks of early ENS progenitors. Following transplantation, hPSC-derived ENS progenitors integrate, migrate and form neurons/glia within explanted human HSCR colon samples. Importantly, the transplanted HSCR tissue displayed significantly increased basal contractile activity and increased responses to electrical stimulation compared with control tissue. Conclusion Our findings demonstrate, for the first time, the potential of hPSC-derived ENS progenitors to repopulate and increase functional responses in human HSCR patient colonic tissue.