Replicate key structures and functions in a liver chip integrating shear flow and primary hepatic cells.

ABSTRACT Introduction Biliary atresia (BA) is an obstructive cholangiopathy that initially affects the extrahepatic bile ducts (EHBDs) of neonates. The etiology is uncertain, but evidence points to a prenatal cause; however, the response of the fetal EHBD to injury remains unknown. The objective of this study was to define the fetal response to EHBD injury and to determine whether it follows a fetal wound healing paradigm. Methods Mouse, rat, sheep, and human EHBD samples were studied at different developmental time points. Models included a fetal sheep model of prenatal hypoxia, human BA EHBD remnants and liver samples taken at the time of the Kasai procedure, EHBDs isolated from neonatal rats and mice, and spheroids and other models generated from primary neonatal mouse cholangiocytes. Results A wide layer of high molecular weight HA encircling the lumen was characteristic of the normal perinatal but not adult EHBD. This layer, which was surrounded by collagen, expanded in injured ducts in parallel with extensive peribiliary gland (PBG) hyperplasia, increased mucus production and elevated serum bilirubin levels. BA EHBD remnants similarly showed increased HA centered around ductular structures compared with age-appropriate controls. High molecular weight HA typical of the fetal/neonatal ducts caused increased cholangiocyte spheroid growth, whereas low molecular weight HA induced abnormal epithelial morphology; low molecular weight HA caused matrix swelling in a bile duct-on-a-chip device. Conclusion The fetal/neonatal EHBD, including in human EHBD remnants from Kasai surgeries, demonstrated an injury response with high levels of HA typical of the regenerative, scarless program termed fetal wound healing. Although generally beneficial, the expanded peri-luminal HA layer may swell and lead to elevated bilirubin levels and obstruction of the EHBD.

Abstract Type I collagen is the most abundant structural protein in the body and, with other fibrillar collagens, forms the fibrous network of the extracellular matrix (ECM). Another group of ECM polymers, the glycosaminoglycans (GAGs) and GAG-modified proteoglycans, play important roles in regulating collagen behaviors and contribute to the compositional, structural and mechanical complexity of the ECM. While the binding between collagen and small leucine-rich proteoglycans (SLRPs) has been studied in detail, the interactions between collagen and the large bottlebrush proteoglycan versican are not well understood. Here, we report that versican binds collagen directly and regulates collagen structure and mechanics. Versican colocalizes with collagen fibers in vivo and binds to collagen via its C-terminal G3 domain (a non-GAG-modified domain present in all known versican isoforms) in vitro ; it promotes the deposition of a highly-aligned collagen-rich matrix by fibroblasts. Versican also shows an unexpected effect on the rheology of collagen gels in vitro , causing decreased stiffness and attenuated shear strain stiffening, and the cleavage of versican in liver results in reduced tissue compression stiffening. Thus, versican is an important collagen binding partner, playing a role in modulating collagen organization and mechanics.

Abstract Primary sclerosing cholangitis (PSC) is a chronic cholestatic liver disease in which the bile ducts of the liver become inflamed and scarred. Scarred bile ducts eventually narrow and obstruct and can cause additional liver pathology including liver failure, repeated infections, and tumors. The pathogenesis of PSC remains largely unknown, partly due to difficulty in obtaining cholangiocytes and partly due to a paucity of in vitro models that capture the various factors contributing to disease progression. Here we report the development of a human vascularized bile duct-on-a-chip that models blood vessels and bile ducts structurally and functionally in three dimensions and includes cholangiocytes derived from control and PSC patient tissue and bile. The flow of blood and bile was modeled by perfusion of cell-lined channels, and cholangiocytes and endothelial cells displayed differential responses to perfusion. Normal and PSC cholangiocytes polarized normally, formed mature tight junctions and displayed similar permeability, comparable to ex vivo measurements. The model with PSC cholangiocytes, however, became more inflammatory than the normal under the stimulation of IL-17A, which induced PBMC and differentiated Th17 cells in the vascular channel to transmigrate more through the endothelial layer of the vascular compartment. In sum, this human vascularized bile duct-on-a-chip recapitulated the vascular-biliary interface structurally and functionally and represents a novel multicellular platform to study inflammatory and fibrotic cholangiopathies such as PSC.

Arboviruses can be paternally transmitted by male insects to offspring for long-term persistence, but the mechanism remains largely unknown. Here, we use a model system of a destructive rice reovirus and its leafhopper vector to find that insect ribosome-rescuer Pelo-Hbs1 complex expressed on the sperm surface mediates paternal arbovirus transmission. This occurs through targeting virus-containing tubules constituted by viral nonstructural protein Pns11 to sperm surface via Pns11-Pelo interaction. Tubule assembly is dependent on Hsp70 activity, while Pelo-Hbs1 complex inhibits tubule assembly via suppressing Hsp70 activity. However, virus-activated ubiquitin ligase E3 mediates Pelo ubiquitinated degradation, synergistically causing Hbs1 degradation. Importantly, Pns11 effectively competes with Pelo for binding to E3, thus antagonizing E3-mediated Pelo-Hbs1 degradation. These processes cause a slight reduction of Pelo-Hbs1 complex in infected testes, promoting effective tubule assembly. Our findings provide insight into how insect sperm-specific Pelo-Hbs1 complex is modulated to promote paternal virus transmission without disrupting sperm function.

Many plant arboviruses are persistently transmitted by piercing-sucking insect vectors. However, it remains largely unknown how conserved insect Toll immune response exerts antiviral activity and how plant viruses antagonize it to facilitate persistent viral transmission. Here, we discover that southern rice black-streaked dwarf virus (SRBSDV), a devastating planthopper-transmitted rice reovirus, activates the upstream Toll receptors expression but suppresses the downstream MyD88-Dorsal-defensin cascade, resulting in the attenuation of insect Toll immune response. Toll pathway-induced the small antibacterial peptide defensin directly interacts with viral major outer capsid protein P10 and thus binds to viral particles, finally blocking effective viral infection in planthopper vector. Furthermore, viral tubular protein P7-1 directly interacts with and promotes RING E3 ubiquitin ligase-mediated ubiquitinated degradation of Toll pathway adaptor protein MyD88 through the 26 proteasome pathway, finally suppressing antiviral defensin production. This virus-mediated attenuation of Toll antiviral immune response to express antiviral defensin ensures persistent virus infection without causing evident fitness costs for the insects. E3 ubiquitin ligase also is directly involved in the assembly of virus-induced tubules constructed by P7-1 to facilitate viral spread in planthopper vector, thereby acting as a pro-viral factor. Together, we uncover a previously unknown mechanism used by plant arboviruses to suppress Toll immune response through the ubiquitinated degradation of the conserved adaptor protein MyD88, thereby facilitating the coexistence of arboviruses with their vectors in nature.

Background & Aims: The extrahepatic bile duct is the primary tissue initially affected by the cholangiopathy biliary atresia. Biliary atresia affects neonates exclusively and current animal models suggest that the developing bile duct is uniquely susceptible to damage. In this study, we aimed to define the anatomical and functional differences between the neonatal and adult mouse extrahepatic bile ducts. Methods: We studied mouse passaged cholangiocytes, mouse BALB/c neonatal and adult primary cholangiocytes and isolated extrahepatic bile ducts, and a collagen reporter mouse. Methods included transmission electron microscopy, lectin staining, immunostaining, rhodamine uptake assays, bile acid toxicity assays, and in vitro modeling of the matrix. Results: The cholangiocyte monolayer of the neonatal extrahepatic bile duct was immature, lacking the uniform apical glycocalyx and mature cell-cell junctions typical of adult cholangiocytes. Functional studies showed that the glycocalyx protected against bile acid injury and that neonatal cholangiocyte monolayers were more permeable than adult monolayers. In adult ducts, the submucosal space was filled with collagen I, elastin, hyaluronic acid, and proteoglycans. In contrast, the neonatal submucosa had little collagen I and elastin, although both increased rapidly after birth. In vitro modeling suggested that the composition of the neonatal submucosa relative to the adult submucosa led to increased diffusion of bile. A Col-GFP reporter mouse showed that cells in the neonatal but not adult submucosa were actively producing collagen. Conclusion: We identified four key differences between the neonatal and adult extrahepatic bile duct. We showed that these features may have functional implications, suggesting the neonatal extrahepatic bile ducts are particularly susceptible to injury and fibrosis.

Chronic cholestatic liver diseases such as primary biliary cholangitis (PBC) and primary sclerosing cholangitis (PSC) are frequently associated with damage to the barrier function of the biliary epithelium, but barrier function is difficult to study in vivo and has not been recapitulated in vitro. Here we report the development of a bile duct-on-a-chip that phenocopies not only the tubular architecture of the bile duct in three dimensions, but also its barrier functions. We demonstrated that mouse cholangiocytes in the channel of the device became polarized and formed mature tight junctions, and that the permeability of the cholangiocyte monolayer was comparable to that measured ex vivo for the rat bile duct. Permeability decreased significantly when cells formed a compacted monolayer with cell densities comparable to that seen in vivo. This device enabled independent access to the apical and basolateral surfaces of the cholangiocyte channel, allowing proof-of-concept toxicity studies with the biliary toxin biliatresone and the bile acid glycochenodeoxycholic acid. The cholangiocyte basolateral side was more vulnerable than the apical side to treatment with either agent, suggesting a protective adaptation of the apical surface that is normally exposed to bile. Further studies revealed a protective role of the cholangiocyte apical glycocalyx, wherein disruption of the glycocalyx with neuraminidase increased the permeability of the cholangiocyte monolayer after treatment with glycochenodeoxycholic acid. Conclusion: This bile duct-on-a-chip captured essential features of a simplified bile duct in structure and organ-level functions and represents a novel in vitro platform to study the pathophysiology of the bile duct using cholangiocytes from a variety of sources.

Autophagy is a conserved catabolic process crucial for maintaining cellular homeostasis and has emerged as a promising therapeutic target for many diseases. Mechanistically novel small-molecule autophagy regulators are highly desirable from a pharmacological point of view. Here, we report the macroautophagy-inhibitory effect of hapalindole Q, a member of the structurally intriguing but biologically understudied hapalindole family of indole terpenoids. This compound promotes the noncanonical degradation of Yes-associated protein 1 (YAP1), the downstream effector of the Hippo signaling pathway, via chaperone-mediated autophagy, disrupting proper distribution of Rab7 and suppressing autophagosome−lysosome fusion in macroautophagy. Its binding to YAP1 is further confirmed by using biophysical techniques. A preliminary structure−activity relationship study reveals that the hapalindole Q scaffold, rather than the isothiocyanate group, is essential for YAP1 binding and degradation. This work not only identifies a macroautophagy inhibitor with a distinct mechanism of action but also provided a molecular scaffold for direct targeting of YAP1, which may benefit the development of therapeutics for both autophagy-related and Hippo−YAP-related diseases.