Angiogenesis is the generation of mature vascular networks from pre-existing vessels. Angiogenesis is crucial during the organism' development, for wound healing and for the female reproductive cycle. Several murine experimental systems are well suited for studying developmental and pathological angiogenesis. They include the embryonic hindbrain, the post-natal retina and allantois explants. In these systems vascular networks are visualised by appropriate staining procedures followed by microscopical analysis. Nevertheless, quantitative assessment of angiogenesis is hampered by the lack of readily available, standardized metrics and software analysis tools. Non-automated protocols are being used widely and they are, in general, time - and labour intensive, prone to human error and do not permit computation of complex spatial metrics. We have developed a light-weight, user friendly software, AngioTool, which allows for quick, hands-off and reproducible quantification of vascular networks in microscopic images. AngioTool computes several morphological and spatial parameters including the area covered by a vascular network, the number of vessels, vessel length, vascular density and lacunarity. In addition, AngioTool calculates the so-called “branching index” (branch points / unit area), providing a measurement of the sprouting activity of a specimen of interest. We have validated AngioTool using images of embryonic murine hindbrains, post-natal retinas and allantois explants. AngioTool is open source and can be downloaded free of charge.

ABSTRACT Epicardial activation appears to be required for cardiac regeneration. Although reverting quiescent adult epicardium to an active neonatal or foetal state will likely represent a key therapeutic approach for human cardiac regeneration, the exact molecular differences between human adult and foetal epicardium are not understood. We used single-cell RNA sequencing to compare epicardial cells from both foetal and adult hearts. We found two foetal epicardial cell types, mesothelial and fibroblast-like, with only the mesothelial population present in adults. We also identified foetal-specific epicardial genes associated with regeneration and angiogenesis, and found that adult epicardium may be primed for immune and inflammatory responses. We predict that restoring the foetal epicardial state in human hearts would increase adult angiogenic potential. Finally, we demonstrated that human embryonic stem-cell derived epicardium is a valid model for the foetal epicardium and for investigating epicardial-mediated cardiac regeneration in humans. Our study defines regenerative programs in human foetal epicardium that are absent in the adult, brings human context to animal studies, and provides a roadmap for directing the epicardium in human heart regeneration.

Abstract The yolk sac (YS) represents an evolutionarily-conserved extraembryonic structure that ensures timely delivery of nutritional support and oxygen to the developing embryo. However, the YS remains ill-defined in humans. We therefore assemble a complete single cell 3D map of human YS from 3-8 post conception weeks by integrating multiomic protein and gene expression data. We reveal the YS as a site of primitive and definitive haematopoiesis including a YS-specific accelerated route to macrophage production, a source of nutritional/metabolic support and a regulator of oxygen-carrying capacity. We reconstruct the emergence of primitive haematopoietic stem and progenitor cells from YS hemogenic endothelium and their decline upon stromal support modulation as intraembryonic organs specialise to assume these functions. The YS therefore functions as ‘three organs in one’ revealing a multifaceted relay of vital organismal functions as pregnancy proceeds. One Sentence Summary Human yolk sac is a key staging post in a relay of vital organismal functions during human pregnancy.

Human prenatal skin is populated by innate immune cells including macrophages, and whether they act solely in immunity or have additional functions in morphogenesis is unclear. We assembled the first comprehensive multi-omic reference atlas of prenatal human skin (7-16 post-conception weeks), combining single cell and spatial transcriptomic data, to characterise the skin9s microenvironmental cellular organisation. This revealed that crosstalk between non-immune and immune cells underpins formation of hair follicles, has implications for scarless wound healing, and is critical for skin angiogenesis. We benchmarked a skin organoid model, derived from human embryonic stem (ES) and induced pluripotent stem (iPS) cells, against prenatal and adult skin, demonstrating close recapitulation of the epidermal and dermal skin components during hair follicle development. Notably, the skin organoid lacked immune cells and had markedly diminished endothelial cell heterogeneity and quantity. From our in vivo skin cell atlas data, we found that macrophages and macrophage-derived growth factors play a key role in driving endothelial development prenatally. Indeed, vascular network formation was enhanced following transfer of autologous iPS-derived macrophages into both endothelial cell angiogenesis assays and skin organoid cultures. In summary, innate immune cells moonlight as key players in skin morphogenesis beyond their conventional immune roles, a function they achieve via extensive crosstalk with non-immune cells. Finally, we leveraged our human prenatal skin cell atlas to further our understanding of the pathogenesis of genetic hair and skin disorders.

Cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) is a potentially fatal clonal malignancy of T cells primarily affecting the skin. The most common form of CTCL, mycosis fungoides (MF), can be difficult to diagnose resulting in treatment delay. The pathogenesis of CTCL is not fully understood due to limited data from patient studies. We performed single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics profiling of skin from patients with MF-type CTCL, and an integrated comparative analysis with human skin cell atlas datasets from healthy skin, atopic dermatitis and psoriasis. We reveal the co-optation of Th2-immune gene programmes by malignant CTCL cells and modelling of the tumour microenvironment to support their survival. We identify MHC-II+ fibroblast subsets reminiscent of lymph node T-zone reticular cells and monocyte-derived dendritic cells that can maintain Th2-like tumour cells. CTCL Th2-like tumour cells are spatially associated with B cells, forming aggregates reminiscent of tertiary lymphoid structures which are more prominent with progressive disease. Finally, we validated the enrichment of B cells in CTCL skin infiltrates and its association with disease progression across three independent patient cohorts. Our findings provide diagnostic aids, potential biomarkers for disease staging and therapeutic strategies for CTCL.