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.

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.

Glutamate cysteine ligase catalytic subunit (Gclc) is the catalytic subunit for the glutamate-cysteine ligase (Gcl) enzyme. Gcl catalyzes the rate limiting step in glutathione (GSH) synthesis. Gclc is highly expressed in the developing eye. To define the regulatory role of Gclc in eye development, we developed a novel, Le-Cre transgene-driven, Gclc knockout mouse model. Gclc f/f / Le-Cre Tg/− mice present with deformation of the retina, cornea, iris, and lens, consistent with a microphthalmia phenotype. Controlling for the microphthalmia phenotype of Gclc wt/wt / Le-Cre Tg/− mice revealed that Gclc f/f / Le-Cre Tg/− mice have a more severe microphthalmia phenotype. Thus, the loss of Gclc expression exacerbates the microphthalmia phenotype in Le-Cre mice. Gclc f/f / Le-Cre Tg/− eyes present with reduced retinal and lens epithelium proliferation and increased lens cell death. Imaging mass spectrometry of ocular tissues revealed changes in the intensity and distribution of several lipid species and proteins in the retina and corneas of Gclc f/f / Le-Cre Tg/− eyes. Lastly, using splice-blocking morpholinos and CRISPR/Cas9, we created two gclc knockdown zebrafish models, both of which display a microphthalmia phenotype. Combined, the mouse and zebrafish results indicate that, in chordates, Gclc has a conserved role in regulating eye development. In summary, these novel animal models are useful tools for elucidating the mechanisms involved in microphthalmia development.

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.

Abstract Recent reports have challenged the notion that the lens is immune-privileged. However, these studies have not fully identified the molecular mechanism(s) that promote immune surveillance of the lens. Using a mouse model of targeted glutathione (GSH) deficiency in ocular surface tissues, we have investigated the role of oxidative stress in upregulating cytokine expression and promoting immune surveillance of the eye. RNA-sequencing of lenses from postnatal day (P) 1- aged Gclc f/f ;Le-Cre Tg/− (KO) and Gclc f/f ;Le-Cre −/− control (CON) mice revealed upregulation of many cytokines (e.g., CCL4, GDF15, CSF1) and immune response genes in the lenses of KO mice. The eyes of KO mice had a greater number of cells in the aqueous and vitreous humors at P1, P20 and P50 than age-matched CON and Gclc w/w ;Le-Cre Tg/− (CRE) mice. Histological analyses revealed the presence of innate immune cells (i.e., macrophages, leukocytes) in ocular structures of the KO mice. At P20, the expression of cytokines and ROS content was higher in the lenses of KO mice than in those from age-matched CRE and CON mice, suggesting that oxidative stress may induce cytokine expression. In vitro administration of the oxidant, hydrogen peroxide, and the depletion of GSH (using buthionine sulfoximine (BSO)) in 21EM15 lens epithelial cells induced cytokine expression, an effect that was prevented by co-treatment of the cells with N- acetyl-L-cysteine (NAC), a antioxidant. The in vivo and ex vivo induction of cytokine expression by oxidative stress was associated with the expression of markers of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), α-SMA, in lens cells. Given that EMT of lens epithelial cells causes posterior capsule opacification (PCO), we propose that oxidative stress induces cytokine expression, EMT and the development of PCO in a positive feedback loop. Collectively these data indicate that oxidative stress induces inflammation of lens cells which promotes immune surveillance of ocular structures. Highlights Immune surveillance of ocular structures occurs in mouse eyes deficient in glutathione. Oxidative stress upregulates the expression of pro-inflammatory cytokines (e.g., GDF15, CSF1) in lens cells in vitro and in vivo . The upregulation of cytokines in lens cells is associated with markers of an epithelial-to-mesenchymal transition phenotype. Oxidative stress-induced inflammation and associated epithelial-to-mesenchymal transition may play a role in the development of posterior capsule opacification.