The ability to generate lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells (hPSCs) would have applications in regenerative medicine, modeling of lung disease, drug screening and studies of human lung development. We have established, based on developmental paradigms, a highly efficient method for directed differentiation of hPSCs into lung and airway epithelial cells. Long-term differentiation of hPSCs in vivo and in vitro yielded basal, goblet, Clara, ciliated, type I and type II alveolar epithelial cells. The type II alveolar epithelial cells were capable of surfactant protein-B uptake and stimulated surfactant release, providing evidence of specific function. Inhibiting or removing retinoic acid, Wnt and BMP-agonists to signaling pathways critical for early lung development in the mouse-recapitulated defects in corresponding genetic mouse knockouts. As this protocol generates most cell types of the respiratory system, it may be useful for deriving patient-specific therapeutic cells.

Chen et al. generate lung bud organoids from human pluripotent stem cells that recapitulate early lung development, such as branching airway formation and early alveolar structures, which could potentially be used to model lung disease. Recapitulation of lung development from human pluripotent stem cells (hPSCs) in three dimensions (3D) would allow deeper insight into human development, as well as the development of innovative strategies for disease modelling, drug discovery and regenerative medicine1. We report here the generation from hPSCs of lung bud organoids (LBOs) that contain mesoderm and pulmonary endoderm and develop into branching airway and early alveolar structures after xenotransplantation and in Matrigel 3D culture. Expression analysis and structural features indicated that the branching structures reached the second trimester of human gestation. Infection in vitro with respiratory syncytial virus, which causes small airway obstruction and bronchiolitis in infants2, led to swelling, detachment and shedding of infected cells into the organoid lumens, similar to what has been observed in human lungs3. Introduction of mutation in HPS1, which causes an early-onset form of intractable pulmonary fibrosis4,5, led to accumulation of extracellular matrix and mesenchymal cells, suggesting the potential use of this model to recapitulate fibrotic lung disease in vitro. LBOs therefore recapitulate lung development and may provide a useful tool to model lung disease.

A genetic cause for severe influenza Although chicken soup and plenty of rest get most kids through an influenza virus infection, some require hospitalization. Ciancanelli et al. report on one child who suffered severely from influenza because of null mutations in the gene for transcription factor IRF7. Cells isolated from this patient could not make enough secreted antiviral proteins, called interferons, to halt viral replication. The requirement for IRF7 seems quite specific, because this patient recovers normally from other common childhood viral infections. Science , this issue p. 448

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.

Recent synergistic advances in organ-on-chip and tissue engineering technologies offer opportunities to create in vitro -grown tissue or organ constructs that can faithfully recapitulate their in vivo counterparts. Such in vitro tissue or organ constructs can be utilized in multiple applications, including rapid drug screening, high-fidelity disease modeling, and precision medicine. Here, we report an imaging-guided bioreactor that allows in situ monitoring of the lumen of ex vivo airway tissues during controlled in vitro tissue manipulation and cultivation of isolated rat trachea. Using this platform, we demonstrated selective removal of the rat tracheal epithelium (i.e., de-epithelialization) without disrupting the underlying subepithelial cells and extracellular matrix. Through different tissue evaluation assays, such as immunofluorescent staining, DNA/protein quantification, and electron beam microscopy, we showed that the epithelium of the tracheal lumen can be effectively removed with negligible disruption in the underlying tissue layers, such as cartilage and blood vessel. Notably, using a custom-built micro-optical imaging device integrated with the bioreactor, the trachea lumen was visualized at the cellular level in real time, and removal of the endogenous epithelium and distribution of locally delivered exogenous cells were demonstrated in situ . Moreover, the de-epithelialized trachea supported on the bioreactor allowed attachment and growth of exogenous cells seeded topically on its denuded tissue surface. Collectively, the results suggest that our imaging-enabled rat trachea bioreactor and selective cell replacement method can facilitate creating of bioengineered in vitro airway tissue that can be used in different biomedical applications.

Cell culture models based on directed differentiation of human embryonic stem cells (hESCs) may reveal why certain constellations of genetic changes drive carcinogenesis in specialized human cell lineages. Here we demonstrate that up to 10 percent of lung progenitor cells derived from hESCs can be induced to form pulmonary neuroendocrine cells (PNECs), the putative normal precursors to small cell lung cancers (SCLCs), by inhibition of NOTCH signaling. By using small inhibitory RNAs in these cultures to reduce levels of retinoblastoma (RB) protein, the product of a gene commonly mutated in SCLCs, we can significantly expand the number of PNECs. Similarly reducing levels of TP53 protein, the product of another tumor suppressor gene commonly mutated in SCLCs, or expressing mutant KRAS or EGFR genes, did not induce or expand PNECs, consistent with lineage-specific sensitivity to loss of RB function. Tumors resembling early stage SCLC grew in immunodeficient mice after subcutaneous injection of PNEC-containing cultures in which expression of both RB and TP53 was blocked. Single-cell RNA profiles of PNECs are heterogeneous; when RB levels are reduced, the profiles show similarities to RNA profiles from early stage SCLC; when both RB and TP53 levels are reduced, the transcriptome is enriched with cell cycle-specific RNAs. Taken together, these findings suggest that genetic manipulation of hESC-derived pulmonary cells will enable studies of the initiation, progression, and treatment of this recalcitrant cancer.