Abstract Aging is associated with immunological changes that compromise response to infections and vaccines, exacerbate inflammatory diseases and could potentially mitigate tissue repair. Even so, age-related changes to the immune response to tissue damage and regenerative medicine therapies remain unknown. Here, we characterized how aging induces senescence and immunological changes that inhibit tissue repair and therapeutic response to a clinical regenerative biological scaffold derived from extracellular matrix. Tissue signatures of inflammation and interleukin (IL)-17 signaling increased with injury and treatment in aged animals, and computational analysis uncovered age-associated senescent-T cell communication that promotes type 3 immunity in T cells. Local inhibition of type 3 immune activation using IL17-neutralizing antibodies improved healing and restored therapeutic response to the regenerative biomaterial, promoting muscle repair in older animals. These results provide insights into tissue immune dysregulation that occurs with aging that can be targeted to rejuvenate repair.

Abstract Senescent cells (SnCs) contribute to normal tissue development and repair but accumulate with aging where they are implicated in a number of pathologies and diseases. Despite their pathological role and therapeutic interest, SnC phenotype and function in vivo remains unclear due to the challenges in identifying and isolating these rare cells. Here, we developed an in vivo -derived senescence gene expression signature using a model of the foreign body response (FBR) fibrosis in a p16 Ink4a - reporter mouse, a cell cycle inhibitor commonly used to identify SnCs. We identified stromal cells (CD45 - CD31 - CD29 + ) as the primary p16 Ink4a expressing cell type in the FBR and collected the cells to produce a SnC transcriptomic signature with bulk RNA sequencing. To computationally identify SnCs in bulk and single-cell data sets across species and tissues, we used this signature with transfer learning to generate a SnC signature score (SenSig). We found senescent pericyte and cartilage-like fibroblasts in newly collected single cell RNAseq (scRNASeq) data sets of murine and human FBR suggesting populations associated with angiogenesis and secretion of fibrotic extracellular matrix, respectively. Application of the senescence signature to human scRNAseq data sets from idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and the basal cell carcinoma microenvironment identified both conserved and tissue-specific SnC phenotypes, including epithelial-derived basaloid and endothelial cells. In a wound healing model, ligand-receptor signaling prediction identified putative interactions between SnC SASP and myeloid cells that were validated by immunofluorescent staining and in vitro coculture of SnCs and macrophages. Collectively, we have found that our SenSig transfer learning strategy from an in vivo signature outperforms in vitro -derived signatures and identifies conserved and tissue-specific SnCs and their SASP, independent of p16 Ink4a expression, and may be broadly applied to elucidate SnC identity and function in vivo .

Although the lung is an obvious target for site-specific delivery of many therapeutics for respiratory airway diseases such as asthma, COPD, and cystic fibrosis, novel strategies are needed to avoid key physiologic barriers for efficient delivery and controlled release of therapeutics to the lungs. Specifically, deposition into the deep lung requires particles with a 1-5 µm aerodynamic diameter; however, particles with a geometric diameter less than 6 µm are rapidly cleared by alveolar macrophages. Additionally, epithelial, endothelial, and fibroblast cells prefer smaller (< 300 nm) nanoparticles for efficient endocytosis. Here we address these contradictory design requirements by using a nanoparticle-inside-microgel system (Nano-in-Microgel). Using an improved maleimide-thiol based Michael Addition during (water-in-oil) Emulsion (MADE) method, we fabricated both trypsin-responsive and neutrophil elastase-responsive polymeric Nano-in-Microgel to show the versatility of the system in easily exchanging enzyme-responsive crosslinkers for disease-specific proteases. By varying the initial macromer concentration, from 20-50 % w/v, the size distribution means ranged from 4-8 µm, enzymatic degradation of the microgels is within 30 minutes, and in vitro macrophage phagocytosis is lower for the higher % w/v. We further demonstrated that in vivo lung delivery of the multi-stage carriers through the pulmonary route yields particle retention up to several hours and followed by clearance within in naïve mice. Our results provide a further understanding of how enzymatically-degradable multi-stage polymeric carriers can be used for pulmonary drug delivery.![Figure][1] [1]: pending:yes

The human bone marrow (hBM) is a complex organ critical for hematopoietic and immune homeostasis, and where many cancers metastasize. Yet, understanding the fundamental biology of the hBM in health and diseases remain difficult due to complexity of studying or manipulating the BM in humans. Accurate in vitro models of the hBM microenvironment are critical to further our understanding of the BM niche and advancing new clinical interventions. Although, in vitro culture models that recapitulate some key components of the BM niche have been reported, there are no examples of a fully human, in vitro , organoid platform that incorporates the various niches of the hBM - specifically the endosteal, central marrow, and perivascular niches – thus limiting their physiological relevance. Here we report an hBM-on-a-chip that incorporates these three niches in a single micro-physiological device. Osteogenic differentiation of hMSCs produced robust mineralization on the PDMS surface (“bone layer”) and subsequent seeding of endothelial cells and hMSCs in a hydrogel network (“central marrow”) created an interconnected vascular network (“perivascular niche”) on top. We show that this multi-niche hBM accurately mimics the ECM composition, allows hematopoietic progenitor cell proliferation and migration, and is affected by radiation. A key finding is that the endosteal niche significantly contributes to hBM physiology. Taken together, this multi-niche micro-physiological system opens up new opportunities in hBM research and therapeutics development, and can be used to better understand hBM physiology, normal and impaired hematopoiesis, and hBM pathologies, including cancer metastasis, multiple myelomas, and BM failures.

Abstract The immune system is increasingly recognized as an important regulator of tissue repair. We developed a regenerative immunotherapy from the helminth Schistosoma mansoni soluble egg antigen (SEA) to stimulate production of interleukin (IL)-4 and other type 2-associated cytokines without negative infection-related sequelae. The regenerative SEA (rSEA) applied to a murine muscle injury induced accumulation of IL-4 expressing T helper cells, eosinophils, and regulatory T cells, and decreased expression of IL-17A in gamma delta (γδ) T cells, resulting in improved repair and decreased fibrosis. Encapsulation and controlled release of rSEA in a hydrogel further enhanced type 2 immunity and larger volumes of tissue repair. The broad regenerative capacity of rSEA was validated in articular joint and corneal injury models. These results introduce a new regenerative immunotherapy approach using natural helminth-derivatives. One-Sentence Summary Helminth-derived soluble egg antigen regenerative immunotherapies promote tissue repair in multiple injury models.