Summary The human endometrium undergoes recurring cycles of growth, differentiation, and breakdown in response to sex hormones. Dysregulation of epithelial-stromal communication during hormone cycles is linked to myriad gynecological disorders for which treatments remain inadequate. Here, we describe a completely defined, synthetic extracellular matrix that enables co-culture of human endometrial epithelial and stromal cells in a manner that captures healthy and disease states across a simulated menstrual cycle. We parsed cycle-dependent endometrial integrin expression and matrix composition to define candidate cell-matrix interaction cues for inclusion in a polyethylene glycol (PEG)-based hydrogel crosslinked with matrix metalloproteinase-labile peptides. We semi-empirically screened a parameter space of biophysical and molecular features representative of the endometrium to define compositions suitable for hormone-driven expansion and differentiation of epithelial organoids, stromal cells, and co-cultures of the two cell types. Each cell type exhibited characteristic morphological and molecular responses to hormone changes when co-encapsulated in hydrogels tuned to a stiffness regime similar to the native tissue and functionalized with a collagen-derived adhesion peptide (GFOGER) and a fibronectin-derived peptide (PHSRN-K-RGD). Analysis of cell-cell crosstalk during IL-1β-induced inflammation revealed dysregulation of epithelial proliferation mediated by stromal cells. Altogether, we demonstrate the development of a fully synthetic matrix to sustain the dynamic changes of the endometrial microenvironment and support its applications to understand menstrual health and endometriotic diseases. Abstract Figure

Summary Association between the microbiome, IBD and liver diseases are known, yet cause and effect remain elusive. By connecting human microphysiological systems of the gut, liver and circulating Treg/Th17 cells, we modeled progression of ulcerative colitis (UC) ex vivo. We show that microbiome-derived short-chain fatty acids (SCFA) may either improve or worsen disease severity, depending on the activation state of CD4 T cells. Employing multiomics, we found SCFA increased production of ketone bodies, glycolysis and lipogenesis, while markedly reducing innate immune activation of the UC gut. However, during acute T cell-mediated inflammation, SCFA exacerbated CD4 + T cell effector function, partially through metabolic reprograming, leading to gut barrier disruption and hepatic injury. These paradoxical findings underscore the emerging utility of human physiomimetic technology in combination with systems immunology to study causality and the fundamental entanglement of immunity, metabolism and tissue homeostasis.

Summary The capacity to generate functional hepatocytes from renewable human pluripotent stem cells (hPSCs) could address limited supplies of primary human hepatocytes. However, hepatocytes differentiated from hPSCs in vitro are functionally immature. To understand mechanisms regulating maturation of in vitro derived hepatocytes, we developed a 3D spheroid differentiation system and compared gene regulatory elements in uncultured human primary hepatocytes with those in hepatocytes that were differentiated in 2D or 3D conditions from human PSCs by RNA-seq, ATAC-seq, and H3K27Ac ChIP-seq. Three-dimensional differentiation improved enhancer activity and expression of transcription factor ONECUT1 , but was insufficient to upregulate human-specific mature hepatocytes marker gene CYP3A4 or super-enhancer regulated transcription factor gene NFIC . Regulome comparisons showed reduced enrichment of thyroid receptor THRB motifs in accessible chromatin and in active enhancers without reduced transcription of THRB , suggesting the regulation at the level of THRB ligands in PSC-differentiated hepatocytes. Addition of thyroid hormone T3 to the PSC-differentiated hepatocytes increased CYP3A4 expression. T3 increased binding of THRB to the CYP3A4 proximal enhancer and restored the super-enhancer status and gene expression of NFIC and reduced expression of AFP . The resultant hPSC-hepatocytes showed gene expression, epigenetic status and super-enhancer landscape closer to primary hepatocytes and activated regulatory regions including non-coding SNPs associated with liver-related diseases. Transplanting the 3D PSC-hepatocytes into immunocompromised mice resulted in engraftment of human hepatocytes in the mouse liver parenchyma without disrupting normal liver histology at 6 months after transplantation. This work provides insights into the functions of nuclear receptor THRB and highlights the importance of the environmental factors-nuclear receptors axis in regulating maturation of human PSC-differentiated cell types.

An in vitro gut-immune co-culture model with apical and basal accessibility, designed to more closely resemble a human intestinal microenvironment, was employed to study the role of the Nlinked protein glycosylation (Pgl) pathway in Campylobacter jejuni pathogenicity. The gutimmune co-culture (GIC) was developed to model important aspects of the human small intestine by the inclusion of mucin producing goblet cells, human enterocytes, and dendritic cells, bringing together a mucus-containing epithelial monolayer with elements of the innate immune system. The utility of the system was demonstrated by characterizing host-pathogen interactions facilitated by N-linked glycosylation, such as host epithelial barrier functions, bacterial invasion and immunogenicity. Changes in human intestinal barrier functions in the presence of 11168 C. jejuni (wildtype) strains were quantified using GICs. The glycosylationdeficient strain 11168 ΔpglE was 100-fold less capable of adhering to and invading this intestinal model in cell infectivity assays. Quantification of inflammatory signaling revealed that 11168ΔpglE differentially modulated inflammatory responses in different intestinal microenvironments, suppressive in some but activating in others. Virulence-associated outer membrane vesicles produced by wildtype and 11168ΔpglE C. jejuni were shown to have differential composition and function, with both leading to immune system activation when provided to the gut-immune co-culture model. This analysis of aspects of C. jejuni infectivity in the presence and absence of its N-linked glycome, is enabled by application of the gut-immune model and we anticipate that this system will be applicable to further studies of C. jejuni and other enteropathogens of interest.

The most clinically relevant risk factor for Clostridioides difficile -associated disease (CDAD) is recent antibiotic treatment. Though most broad-spectrum antibiotics significantly disrupt the structure of the gut microbiota, only particular ones increase CDAD risk, suggesting additional factors might increase the risk from certain antibiotics. Here we show that commensal-independent effects of antibiotics collectively prime an in vitro germ-free human gut for CDAD. We found a marked loss of mucosal barrier and immune function with CDAD-associated antibiotic pretreatment distinct from pretreatment with an antibiotic unassociated with CDAD, which did not reduce innate immune or mucosal barrier functions. Importantly, pretreatment with CDAD-associated antibiotics sensitized mucosal barriers to C. difficile toxin activity in primary cell-derived enteroid monolayers. These data implicate commensal-independent host changes in the increased risk of CDAD with specific antibiotics. Our findings are contrary to the previously held belief that antibiotics allow for CDAD solely through disruption of the microbiome. We anticipate this work to suggest potential avenues of research for host-directed treatment and preventive therapies for CDAD, and to impact human tissue culturing protocols.

Abstract The gut microbiome plays an important role in human health and disease. Gnotobiotic animal and in vitro cell-based models provide some informative insights into mechanistic crosstalk. However, there is no existing system for a chronic co-culture of a human colonic mucosal barrier with super oxygen-sensitive commensal microbes, hindering the study of human-microbe interactions in a controlled manner. Here, we investigated the effects of an abundant super oxygen-sensitive commensal anaerobe, Faecalibacterium prausnitzii , on a primary human mucosal barrier using a Gut-MIcrobiome (GuMI) physiome platform that we designed and fabricated. Chronic continuous co-culture of F. prausnitzii for two days with colon epithelia, enabled by continuous flow of completely anoxic apical media and aerobic basal media, resulted in a strictly anaerobic apical environment fostering growth of and butyrate production by F. prausnitzii , while maintaining a stable colon epithelial barrier. We identified elevated differentiation and hypoxia-responsive genes and pathways in the platform compared with conventional aerobic static culture of the colon epithelia, attributable to a combination of anaerobic environment and continuous medium replenishment. Furthermore, we demonstrated anti-inflammatory effects of F. prausnitzii through HDAC and the TLR-NFKB axis. Finally, we identified that butyrate largely contributes to the anti-inflammatory effects by downregulating TLR3 and TLR4. Our results are consistent with some clinical observations regarding F. prausnitzii , thus motivating further studies employing this platform with more complex engineered colon tissues for understanding the interaction between the human colonic mucosal barrier and microbiota, pathogens, or engineered bacteria.

Epithelial organoids are now an important tool in fields ranging from regenerative medicine to drug discovery. Organoid culture requires Matrigel, a complex, tumor-derived, extracellular matrix. An alternative completely synthetic matrix could improve culture reproducibility, clarify mechanistic phenomena, and enable applications involving human implantation. Here, we designed synthetic matrices with tunable biomolecular and biophysical properties that allowed us to identify critical gel parameters in organoid formation. Inspired by known epithelial integrin expression in the proliferative niche of the human intestine, we identified an α2β1 integrin-binding peptide as a critical component of the synthetic matrix that supports human duodenal colon and endometrial organoid propagation. We show that organoids emerge from single cells, retain their proliferative capacity, are functionally responsive to basolateral stimulation and have correct apicobasal polarity upon induction of differentiation. The local biophysical presentation of the cues, rather than bulk mechanical properties, appears to be the dominant parameter governing epithelial cell proliferation and organoid formation in the synthetic matrix.

Organoid cultures are proving to be powerful in vitro models that closely mimic the cellular constituents of their native tissue. The organoids are typically expanded and cultured in a 3D environment using either naturally derived or synthetic extracellular matrices. Assessing the morphology and growth characteristics of these cultures has been difficult due to the many imaging artifacts that accompany the corresponding images. Unlike single cell cultures, there are no reliable segmentation techniques that allow for the localization and quantification of organoids in their 3D culture environment. Here we describe OrgaQuant, a deep convolutional neural network implementation that can locate and quantify the size distribution of intestinal organoids in brightfield images. OrgaQuant is an end-to-end trained neural network that requires no parameter tweaking, thus it can be fully automated to analyze thousands of images with no user intervention. To develop OrgaQuant we created a unique dataset of manually annotated intestinal organoid images and trained an object detection pipeline using TensorFlow. We have made the dataset, trained model and inference scripts publically available along with detailed usage instructions.