Abstract Over the last century, outbreaks and pandemics have occurred with disturbing regularity, necessitating advance preparation and large-scale, coordinated response. Here, we developed a machine learning predictive model of disease severity and length of hospitalization for COVID-19, which can be utilized as a platform for future unknown viral outbreaks. We combined untargeted metabolomics on plasma data obtained from COVID-19 patients (n = 111) during hospitalization and healthy controls (n = 342), clinical and comorbidity data (n = 508) to build this patient triage platform, which consists of three parts: (i) the clinical decision tree, which amongst other biomarkers showed that patients with increased eosinophils have worse disease prognosis and can serve as a new potential biomarker with high accuracy (AUC = 0.974), (ii) the estimation of patient hospitalization length with ± 5 days error (R 2 = 0.9765) and (iii) the prediction of the disease severity and the need of patient transfer to the intensive care unit. We report a significant decrease in serotonin levels in patients who needed positive airway pressure oxygen and/or were intubated. Furthermore, 5-hydroxy tryptophan, allantoin, and glucuronic acid metabolites were increased in COVID-19 patients and collectively they can serve as biomarkers to predict disease progression. The ability to quickly identify which patients will develop life-threatening illness would allow the efficient allocation of medical resources and implementation of the most effective medical interventions. We would advocate that the same approach could be utilized in future viral outbreaks to help hospitals triage patients more effectively and improve patient outcomes while optimizing healthcare resources.

Calcineurin inhibitors (CNIs) constitute the backbone of modern acute graft-versus-host disease (aGVHD) prophylaxis regimens but have limited efficacy in the prevention and treatment of chronic GVHD (cGVHD). We investigated the effect of CNIs on immune tolerance after stem cell transplantation with discovery-based single-cell gene expression and T cell receptor (TCR) assays of clonal immunity in tandem with traditional protein-based approaches and preclinical modeling. While cyclosporin and tacrolimus suppressed the clonal expansion of CD8+ T cells during GVHD, alloreactive CD4+ T cell clusters were preferentially expanded. Moreover, CNIs mediated reversible dose-dependent suppression of T cell activation and all stages of donor T cell exhaustion. Critically, CNIs promoted the expansion of both polyclonal and TCR-specific alloreactive central memory CD4+ T cells (TCM) with high self-renewal capacity that mediated cGVHD following drug withdrawal. In contrast to posttransplant cyclophosphamide (PT-Cy), CSA was ineffective in eliminating IL-17A-secreting alloreactive T cell clones that play an important role in the pathogenesis of cGVHD. Collectively, we have shown that, although CNIs attenuate aGVHD, they paradoxically rescue alloantigen-specific TCM, especially within the CD4+ compartment in lymphoid and GVHD target tissues, thus predisposing patients to cGVHD. These data provide further evidence to caution against CNI-based immune suppression without concurrent approaches that eliminate alloreactive T cell clones.

Abstract Arterial remodeling is an important adaptive mechanism that maintains normal fluid shear stress in a variety of physiologic and pathologic conditions. Inward remodeling, a process that leads to reduction in arterial diameter, plays a critical role in progression of such common diseases as hypertension and atherosclerosis. Yet despite its pathogenic importance, molecular mechanisms controlling inward remodeling remain undefined. Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) perform a number of functions ranging from control of proliferation to migration and cell fate transitions. While the MAPK ERK1/2 signaling pathway has been extensively examined in the endothelium, less is known about the role of the MEKK3/ERK5 pathway in vascular remodeling. To better define the role played by this signaling cascade, we studied the effect of endothelial-specific deletion of its key upstream MAP3K, MEKK3, in adult mice. The gene’s deletion resulted in a gradual inward remodeling of both pulmonary and systematic arteries leading to spontaneous hypertension in both vascular circuits and accelerated progression of atherosclerosis in hyperlipidemic mice. Molecular analysis revealed activation of TGFβ signaling both in vitro and in vivo. Endothelial-specific TGFβR1 knockout prevented inward arterial remodeling in MEKK3 endothelial knockout mice. These data point to the unexpected participation of endothelial MEKK3 in regulation of TGFβR1-Smad2/3 signaling and inward arterial remodeling in artery diseases. Significance Inward remodeling of arteries to reduce lumen diameter is a major factor in disease progression and morbidity in multiple vascular diseases, including hypertension and atherosclerosis. However, molecular mechanisms controlling inward arterial remodeling remain largely undefined. In this study, we identify endothelial MEKK3 as an unexpected regulator of inward remodeling via inhibition of TGFβ-Smad2/3 signaling. Genetic deletion of MEKK3 in adult endothelium results in induction of TGFβ-Smad2/3 signaling, endothelial-to-mesenchymal transition and inward remodeling in both pulmonary and arterial circuits. The latter process results in pulmonary and systemic hypertension and accelerates atherosclerosis. These results provide a new basis for understanding the inward artery remodeling that leads to reduced blood flow to affected tissues and exacerbates hypertension in vascular disease.

A novel compositionally-complex flexible (Mg0.2Al0.2Fe0.2Ni0.2Co0.2)2Ti2.8O8 (abbreviated as CCC) ceramic with pseudobrookite structure was synthesized by solid-state reaction method. As compared to the fabrication process of flexible aluminum titanate ceramic (C. Babelot, 2011), the sintering temperature was significantly reduced from 1600 °C to 1200 °C by co-doping. And, the combinations of displacement (0.11–0.25 mm) and bending strength (10–40 MPa) were achieved by controlling the sintering condition. Among these, the specimen sintered at 1200 °C for 2 h (abbreviated as CCC-1200-2) presents a single-phase crystal structure and uniform elemental distribution. After that, its near-zero thermal expansion coefficient of 0.47 × 10−6 K−1 at low temperature was obtained and the nonlinear thermal expansion behavior was observed. Lastly, the thermal stability of sample CCC-1200-2 was checked out by annealing the samples between 900 °C and 1600 °C for various times up to 100 h. As a result, this study successfully fabricated the flexible CCC ceramics with improved mechanical properties, high thermal stability, and low sintering requirements, providing a new technology strategy for pseudobrookite-type ceramics and compositionally-complex ceramics fabrication.

Abstract 1,4-Dioxane (1,4-DX) is an environmental contaminant found in drinking water throughout the United States (US). While it is a suspected liver carcinogen, there is no federal or state maximum contaminant level for 1,4-DX in drinking water. Very little is known about the mechanisms by which this chemical elicits liver carcinogenicity. In the present study, female BDF-1 mice were exposed to 1,4-DX (0, 50, 500 and 5,000 mg/L) in their drinking water for one or four weeks, to explore the toxic effects. Histopathological studies and a multi-omics approach (transcriptomics and metabolomics) were performed to investigate potential mechanisms of toxicity. Immunohistochemical analysis of the liver revealed increased H2AXγ-positive hepatocytes (a marker of DNA double strand breaks), and an expansion of precholangiocytes (reflecting both DNA damage and repair mechanisms) after exposure. Liver transcriptomics revealed 1,4-DX-induced perturbations in signaling pathways predicted to impact the oxidative stress response, detoxification, and DNA damage. Liver, kidney, feces and urine metabolomic profiling revealed no effect of 1,4-DX exposure, and bile acid quantification in liver and feces similarly showed no effect of exposure. We speculate that the results may be reflective of DNA damage being counterbalanced by the repair response, with the net result being a null overall effect on the systemic biochemistry of the exposed mice. Our results show a novel approach for the investigation of environmental chemicals that do not elicit cell death but have activated the repair systems in response to 1,4-DX exposure.

Reduced glutathione (GSH) is an abundant antioxidant that regulates intracellular redox homeostasis by scavenging reactive oxygen species (ROS). Glutamate-cysteine ligase catalytic (GCLC) subunit is the rate-limiting step in GSH biosynthesis. Using the Pax6-Cre driver mouse line, we deleted expression of the Gclc gene in all pancreatic endocrine progenitor cells. Intriguingly, Gclc knockout (KO) mice, following weaning, exhibited an age-related, progressive diabetes phenotype, manifested as strikingly increased blood glucose and decreased plasma insulin levels. This severe diabetes trait is preceded by pathologic changes in islet of weanling mice. Gclc KO weanlings showed progressive abnormalities in pancreatic morphology including: islet-specific cellular vacuolization, decreased islet-cell mass, and alterations in islet hormone expression. Islets from newly-weaned mice displayed impaired glucose-stimulated insulin secretion, decreased insulin hormone gene expression, oxidative stress, and increased markers of cellular senescence. Our results suggest that GSH biosynthesis is essential for normal development of the mouse pancreatic islet, and that protection from oxidative stress-induced cellular senescence might prevent abnormal islet-cell damage during embryogenesis.

The IκB kinase ε (IKKε) is a key molecule at the crossroads of inflammation and cancer. Known for its role as an activator of NFκB and IRF3 signalling leading to cytokine secretion, the kinase is also a breast cancer oncogene, overexpressed in a variety of tumours. However, to what extent IKKε remodels cellular metabolism is currently unknown. Here we used a combination of metabolomics and phosphoproteomics to show that IKKε orchestrates a complex metabolic reprogramming that affects mitochondrial metabolism and serine biosynthesis. Acting independently of its canonical signalling role, IKKε upregulates the serine biosynthesis pathway (SBP) mainly by limiting glucose and pyruvate derived anaplerosis of the TCA cycle. In turn, this elicits activation of the transcription factor ATF4 and upregulation of the SBP genes. Importantly, pharmacological inhibition of the IKKε-induced metabolic phenotype reduces proliferation of breast cancer cells. Finally, we show that in a set of basal ER negative and highly proliferative human breast cancer tumours, IKKε and PSAT1 expression levels are positively correlated corroborating the link between IKKε and the SBP in the clinical context.