Lung alveoli, which are unique to air-breathing organisms, have been challenging to generate from pluripotent stem cells (PSCs) in part because there are limited model systems available to provide the necessary developmental roadmaps for in vitro differentiation. Here we report the generation of alveolar epithelial type 2 cells (AEC2s), the facultative progenitors of lung alveoli, from human PSCs. Using multicolored fluorescent reporter lines, we track and purify human SFTPC+ alveolar progenitors as they emerge from endodermal precursors in response to stimulation of Wnt and FGF signaling. Purified PSC-derived SFTPC+ cells form monolayered epithelial "alveolospheres" in 3D cultures without the need for mesenchymal support, exhibit self-renewal capacity, and display additional AEC2 functional capacities. Footprint-free CRISPR-based gene correction of PSCs derived from patients carrying a homozygous surfactant mutation (SFTPB121ins2) restores surfactant processing in AEC2s. Thus, PSC-derived AEC2s provide a platform for disease modeling and future functional regeneration of the distal lung.

Summary The incompletely understood pathogenesis of pulmonary fibrosis (PF) and lack of reliable preclinical disease models have limited development of effective therapies. An emerging literature now implicates alveolar epithelial type 2 cell (AEC2) dysfunction as an initiating pathogenic event in the onset of a variety of PF syndromes, including adult idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and childhood interstitial lung disease (chILD). However, inability to access primary AEC2s from patients, particularly at early disease stages, has impeded identification of disease-initiating mechanisms. Here we present an in vitro reductionist model system that permits investigation of epithelial-intrinsic events that lead to AEC2 dysfunction over time using patient-derived cells that carry a disease-associated variant, SFTPC I73T , known to be expressed solely in AEC2s. After generating patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) and engineering their gene-edited (corrected) counterparts, we employ directed differentiation to produce pure populations of syngeneic corrected and mutant AEC2s, which we expand >10 15 fold in vitro , providing a renewable source of cells for modeling disease onset. We find that mutant iPSC-derived AEC2s (iAEC2s) accumulate large amounts of misprocessed pro-SFTPC protein which mistrafficks to the plasma membrane, similar to changes observed in vivo in the donor patient’s AEC2s. These changes result in marked reduction in AEC2 progenitor capacity and several downstream perturbations in AEC2 proteostatic and bioenergetic programs, including a late block in autophagic flux, accumulation of dysfunctional mitochondria with consequent time-dependent metabolic reprograming from oxidative phosphorylation to glycolysis, and activation of an NF-κB dependent inflammatory response. Treatment of SFTPC I73T expressing iAEC2s with hydroxychloroquine, a medication commonly prescribed to these patients, results in aggravation of autophagy perturbations and metabolic reprogramming. Thus, iAEC2s provide a patientspecific preclinical platform for modeling the intrinsic epithelial dysfunction associated with the inception of interstitial lung disease.

The derivation of self-renewing tissue-specific stem cells from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) would shorten the time needed to engineer mature cell types in vitro and would have broad reaching implications for the field of regenerative medicine. Here we report the directed differentiation of human iPSCs into putative airway basal cells (iBCs), a population resembling the epithelial stem cell of lung airways. Using a dual fluorescent reporter system (NKX2-1GFP;TP63tdTomato) we track and purify these cells over time, as they first emerge from iPSC-derived foregut endoderm as developmentally immature NKX2-1GFP+ lung progenitors which then augment a TP63 program during subsequent proximal airway epithelial patterning. These cells clonally proliferate, initially as NKX2-1GFP+/TP63tdTomato+ immature airway progenitors that lack expression of the adult basal cell surface marker NGFR. However, in response to primary basal cell medium, NKX2-1GFP+/ TP63tdTomato+ cells upregulate NGFR and display the molecular and functional phenotype of airway basal stem cells, including the capacity to clonally self-renew or undergo multilineage ciliated and secretory epithelial differentiation in air-liquid interface cultures. iBCs and their differentiated progeny recapitulate several fundamental physiologic features of normal primary airway epithelial cells and model perturbations that characterize acquired and genetic airway diseases. In an asthma model of mucus metaplasia, the inflammatory cytokine IL-13 induced an increase in MUC5AC+ cells similar to primary cells. CFTR-dependent chloride flux in airway epithelium generated from cystic fibrosis iBCs or their syngeneic CFTR-corrected controls exhibited a pattern consistent with the flux measured in primary diseased and normal human airway epithelium, respectively. Finally, multiciliated cells generated from an individual with primary ciliary dyskinesia recapitulated the ciliary beat and ultrastructural defects observed in the donor. Thus, we demonstrate the successful de novo generation of a tissue-resident stem cell-like population in vitro from iPSCs, an approach which should facilitate disease modeling and future regenerative therapies for a variety of diseases affecting the lung airways.

Systemic amyloidosis represents a class of disorders in which misfolded proteins are secreted by effector organs and deposited as proteotoxic aggregates at downstream target tissues. Despite being well-described clinically, the contribution of effector organs such as the liver to the pathogenesis of these diseases is poorly understood. Here, we utilize a patient-specific induced pluripotent stem cell (iPSC)-based model of hereditary transthyretin (TTR) amyloid disease (ATTR amyloidosis) in order to define the contributions of hepatic cells to the distal proteotoxicity of secreted TTR. To this end, we employ a gene correction strategy to generate isogenic, ATTR amyloidosis patient-specific iPSCs expressing either amyloidogenic or wild-type TTR. We further utilize this gene editing strategy in combination with single cell RNAseq to identify multiple hepatic proteostasis factors, including many components of adaptive unfolded protein response (UPR) signaling pathways, whose expression correlates with the production of destabilized TTR variants in iPSC-derived hepatic cells. We further demonstrate that enhancing ER proteostasis within ATTR amyloidosis iPSC-derived hepatic lineages via stress-independent activation of aforementioned adaptive UPR signaling preferentially reduces the secretion of destabilized amyloidogenic TTR. Together, these results suggest the potential of the liver to chaperone-at-a-distance and impact pathogenesis at downstream target cells in the context of systemic amyloid disease, and further highlight the promise of UPR modulating therapeutics for the treatment of TTR-mediated and other amyloid diseases.* A1AT : alpha-1 antitrypsin Aß : amyloid ß AD : Alzheimer’s disease AFP : alpha fetoprotein ALB : albumin ATTR amyloidosis : transthyretin amyloidosis DLT : domino liver transplant FDR : false discovery rate GSEA : gene set enrichment analysis HLC : hepatocyte-like cell iPSC : induced pluripotent stem cell LC/MS : liquid chromatography/mass spectrometry PCA : principle component analysis PSC : pluripotent stem cell scRNAseq : single cell RNA sequencing TALEN : transcription activator-like effector nuclease TF : transferrin TMT : tandem mass tag TTR : transthyretin UPR : unfolded protein response