Summary Association between the microbiome, IBD and liver diseases are known, yet cause and effect remain elusive. By connecting human microphysiological systems of the gut, liver and circulating Treg/Th17 cells, we modeled progression of ulcerative colitis (UC) ex vivo. We show that microbiome-derived short-chain fatty acids (SCFA) may either improve or worsen disease severity, depending on the activation state of CD4 T cells. Employing multiomics, we found SCFA increased production of ketone bodies, glycolysis and lipogenesis, while markedly reducing innate immune activation of the UC gut. However, during acute T cell-mediated inflammation, SCFA exacerbated CD4 + T cell effector function, partially through metabolic reprograming, leading to gut barrier disruption and hepatic injury. These paradoxical findings underscore the emerging utility of human physiomimetic technology in combination with systems immunology to study causality and the fundamental entanglement of immunity, metabolism and tissue homeostasis.

The most clinically relevant risk factor for Clostridioides difficile -associated disease (CDAD) is recent antibiotic treatment. Though most broad-spectrum antibiotics significantly disrupt the structure of the gut microbiota, only particular ones increase CDAD risk, suggesting additional factors might increase the risk from certain antibiotics. Here we show that commensal-independent effects of antibiotics collectively prime an in vitro germ-free human gut for CDAD. We found a marked loss of mucosal barrier and immune function with CDAD-associated antibiotic pretreatment distinct from pretreatment with an antibiotic unassociated with CDAD, which did not reduce innate immune or mucosal barrier functions. Importantly, pretreatment with CDAD-associated antibiotics sensitized mucosal barriers to C. difficile toxin activity in primary cell-derived enteroid monolayers. These data implicate commensal-independent host changes in the increased risk of CDAD with specific antibiotics. Our findings are contrary to the previously held belief that antibiotics allow for CDAD solely through disruption of the microbiome. We anticipate this work to suggest potential avenues of research for host-directed treatment and preventive therapies for CDAD, and to impact human tissue culturing protocols.

Abstract Disruptions in the gut epithelial barrier can lead to the development of chronic indications such as inflammatory bowel disease (IBD). Historically, barrier function has been assessed in cancer cell lines, which do not contain all human intestinal cell types, leading to poor translatability. To bridge this gap, we adapted human primary gut organoids grown as monolayers to assess barrier function. In this work we describe and characterize a novel 96-well human gut organoid-derived monolayer system that enables medium/high-throughput quantitative assessment of candidate therapeutics. Normal human intestine differentiation patterns and barrier function were characterized and confirmed to recapitulate key aspects of in vivo biology. Next, cellular response to TNF-α (a central driver of IBD) was determined using a diverse cadre of readouts.These outputs included transcription factor phosphorylation, target gene expression, cytokine/chemokine production, and barrier function. Additionally, we showed that TNF-α pathway antagonists rescued damage caused by TNF-α in a dose-dependent manner, indicating that this system is suitable for quantitative assessment of barrier modulating factors. Taken together, we have established a robust primary cell-based 96-well system capable of interrogating questions around mucosal response. This system is well suited to provide pivotal functional data to support translational target and drug discovery efforts.

Abstract The gut microbiome plays an important role in human health and disease. Gnotobiotic animal and in vitro cell-based models provide some informative insights into mechanistic crosstalk. However, there is no existing system for a chronic co-culture of a human colonic mucosal barrier with super oxygen-sensitive commensal microbes, hindering the study of human-microbe interactions in a controlled manner. Here, we investigated the effects of an abundant super oxygen-sensitive commensal anaerobe, Faecalibacterium prausnitzii , on a primary human mucosal barrier using a Gut-MIcrobiome (GuMI) physiome platform that we designed and fabricated. Chronic continuous co-culture of F. prausnitzii for two days with colon epithelia, enabled by continuous flow of completely anoxic apical media and aerobic basal media, resulted in a strictly anaerobic apical environment fostering growth of and butyrate production by F. prausnitzii , while maintaining a stable colon epithelial barrier. We identified elevated differentiation and hypoxia-responsive genes and pathways in the platform compared with conventional aerobic static culture of the colon epithelia, attributable to a combination of anaerobic environment and continuous medium replenishment. Furthermore, we demonstrated anti-inflammatory effects of F. prausnitzii through HDAC and the TLR-NFKB axis. Finally, we identified that butyrate largely contributes to the anti-inflammatory effects by downregulating TLR3 and TLR4. Our results are consistent with some clinical observations regarding F. prausnitzii , thus motivating further studies employing this platform with more complex engineered colon tissues for understanding the interaction between the human colonic mucosal barrier and microbiota, pathogens, or engineered bacteria.

Summary Donor-to-donor variability in primary human organoid cultures has not been well characterized. As these cultures contain multiple cell types, there is greater concern that variability could lead to increased noise. In this work we investigated donor-to-donor variability in human gut adult stem cell (ASC) organoids. We examined intestinal developmental pathways during culture differentiation in ileum- and colon-derived cultures established from multiple donors, showing that differentiation patterns were consistent among cultures. This finding indicates that donor-to-donor variability in this system remains at a manageable level. Intestinal metabolic activity was evaluated by targeted analysis of central carbon metabolites and by analyzing hormone production patterns. Both experiments demonstrated similar metabolic functions among donors. Importantly, this activity reflected intestinal biology, indicating that these ASC organoid cultures are appropriate for studying metabolic processes. This work establishes a framework for generating high confidence data using human primary cultures through thorough characterization of variability.