ABSTRACT Rationale Congenital diaphragmatic hernia (CDH) is characterized by incomplete closure of the diaphragm and lung hypoplasia. The pathophysiology of lung defects in CDH is poorly understood. Objectives To establish a translational model of human airway epithelium in CDH for pathogenic investigation and therapeutic testing. Methods We developed a robust methodology of epithelial progenitor derivation from tracheal aspirates of newborns. Basal stem cells (BSCs) from CDH patients and preterm and term, non-CDH controls were derived and analyzed by bulk RNA-sequencing, ATAC-sequencing, and air-liquidinterface differentiation. Lung sections from fetal human CDH samples and the nitrofen rat model of CDH were subjected to histological assessment of epithelial defects. Therapeutics to restore epithelial differentiation were evaluated in human epithelial cell culture and the nitrofen rat model of CDH. Measurements and Main Results Transcriptomic and epigenetic profiling of CDH and non-CDH basal stem cells reveals a disease-specific, proinflammatory signature independent of severity or hernia size. In addition, CDH basal stem cells exhibit defective epithelial differentiation in vitro that recapitulates epithelial phenotypes found in fetal human CDH lung samples and fetal tracheas of the nitrofen rat model of CDH. Furthermore, steroid treatment normalizes epithelial differentiation phenotypes of human CDH basal stem cells in vitro and in nitrofen rat tracheas in vivo . Conclusions Our findings have identified an underlying proinflammatory signature and BSC differentiation defects as a potential therapeutic target for airway epithelial defects in CDH.

Abstract Background & Objective Abnormal lung development is the main cause of morbidity and mortality in neonates with congenital diaphragmatic hernia (CDH), a common birth defect (1:2500) of largely unknown pathobiology. Recent studies discovered that inflammatory processes, and specifically NF-κB associated pathways are enriched in human and experimental CDH. However, the molecular signaling of NF-κB in abnormal CDH lung development and its potential as a therapeutic target requires further investigation. Methods & Results Using sections and hypoplastic lung explant cultures from the nitrofen rat model of CDH and human fetal CDH lungs, we demonstrate that NF-κB and its downstream transcriptional targets are hyperactive during abnormal lung formation in CDH. NF-κB activity was especially elevated in the airway epithelium of nitrofen and human CDH lungs at different developmental stages. Fetal rat lung explants had impaired pseudoglandular airway branching after exposure to nitrofen, together with increased phosphorylation and transcriptional activity of NF-κB. Dexamethasone, the broad and clinically applicable anti-inflammatory NF-κB antagonist, rescued lung branching and normalized NF-κB signaling in hypoplastic lung explants. Moreover, specific NF-κB inhibition with curcumenol similarly rescued ex vivo lung hypoplasia and restored NF-κB signaling. Lastly, we showed that prenatal intraperitoneal dexamethasone administration to pregnant rat dams carrying fetuses with hypoplastic lungs, significantly improves lung branching and normalizes NF-κB in vivo . Conclusions: Our results indicate that NF-κB is aberrantly activated in human and nitrofen CDH lungs. Anti-inflammatory treatment with dexamethasone and/ or specific NF-κB inhibition should be investigated further as a therapeutic avenue to target lung hypoplasia in CDH.

Respiratory syncytial virus (RSV) can cause severe disease especially in infants; however, mechanisms of age-associated disease severity remain elusive. Here, employing human bronchial epithelium models generated from tracheal aspirate-derived basal stem cells of neonates and adults, we investigated whether age regulates RSV-epithelium interaction to determine disease severity. We show that following RSV infection, only neonatal epithelium model exhibited cytopathy and mucus hyperplasia, and neonatal epithelium had more robust viral spread and inflammatory responses than adult epithelium. Mechanistically, RSV-infected neonatal ciliated cells displayed age-related impairment of STAT3 activation, rendering susceptibility to apoptosis, which facilitated viral spread. In contrast, SARS-CoV-2 infection of ciliated cells had no effect on STAT3 activation and was not affected by age. Taken together, our findings identify an age-related and RSV-specific interaction with neonatal bronchial epithelium that critically contributes to severity of infection, and STAT3 activation offers a potential strategy to battle severe RSV disease in infants.