Abstract The reported requirement of functional Toll-like receptor (TLR)4 for resistance to Gram-negative pyelonephritis prompted us to localize the expression of TLR2 and TLR4 mRNA in the kidney at the cellular level by in situ hybridization. The majority of the constitutive TLR2 and TLR4 mRNA expression was found to be strategically located in the renal epithelial cells. Assuming that the TLR mRNA expression is representative of apical protein expression, this suggests that these cells are able to detect and react with bacteria present in the lumen of the tubules. To gain insight in the regulation of TLR expression during inflammation, we used a model for renal inflammation. Renal inflammation evoked by ischemia markedly enhanced synthesis of TLR2 and TLR4 mRNA in the distal tubular epithelium, the thin limb of Henle’s loop, and collecting ducts. The increased renal TLR4 mRNA expression was associated with significant elevation of renal TLR4 protein expression as evaluated by Western blotting. Using RT-PCR, the enhanced TLR2 and TLR4 mRNA expression was shown to be completely dependent on the action of IFN-γ and TNF-α. These results indicate a potential mechanism of increased immunosurveillance during inflammation at the site in which ascending bacteria enter the kidney tissue, i.e., the collecting ducts and the distal part of the nephron.

Abstract Human lung function is intricately linked to blood flow and breathing cycles, but it remains unknown how these dynamic cues shape human airway epithelial biology. Here we report a state-of-the-art protocol for studying effects of physiological airflow and stretch on differentiation, cellular composition, and mucociliary clearance of human primary airway epithelial cells cultured on a perfused airway chip. Perfused epithelial tissue cultures developed a large airway-like cellular composition with accelerated maturation and polarization of mucociliary clearance when compared to traditional (static) culture methods. Additional application of airflow and stretch to the airway chip resulted in a cellular composition more comparable to the small(er) airways, reduced baseline secretion of interleukin-8 and other inflammatory proteins, and reduced gene expression of matrix metalloproteinase (MMP) 9, fibronectin, and other extracellular matrix factors. These results indicate that breathing-like mechanical stimuli are important modulators of airway epithelial cell differentiation and homeostasis and that their fine-tuned application could generate models of specific epithelial regions, pathologies, and mucociliary (dys)function.

ABSTRACT Mucociliary clearance is a key mechanical defense mechanism of human airways, and clearance failure is linked to major respiratory diseases, such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and asthma. While single-cell transcriptomics have unveiled the cellular complexity of the human airway epithelium, our understanding of the mechanics that link epithelial structure to clearance function mainly stem from animal models. This reliance on animal data limits crucial insights into human airway barrier function and hampers the human-relevant in vitro modeling of airway diseases. Our study fills this crucial knowledge gap and for the first time (1) maps the distribution of ciliated and secretory cell types on the mucosal surface along the proximo-distal axis of the rat and human airway tree, (2) identifies species-specific differences in ciliary beat and clearance function, and (3) elucidates structural parameters of airway epithelia that predict clearance function in both native and in vitro tissues alike. Our broad range of experimental approaches and physics-based modeling translate into generalizable parameters to quantitatively benchmark the human-relevancy of mucociliary clearance in experimental models, and to characterize distinct disease states.