Lung alveoli, which are unique to air-breathing organisms, have been challenging to generate from pluripotent stem cells (PSCs) in part because there are limited model systems available to provide the necessary developmental roadmaps for in vitro differentiation. Here we report the generation of alveolar epithelial type 2 cells (AEC2s), the facultative progenitors of lung alveoli, from human PSCs. Using multicolored fluorescent reporter lines, we track and purify human SFTPC+ alveolar progenitors as they emerge from endodermal precursors in response to stimulation of Wnt and FGF signaling. Purified PSC-derived SFTPC+ cells form monolayered epithelial "alveolospheres" in 3D cultures without the need for mesenchymal support, exhibit self-renewal capacity, and display additional AEC2 functional capacities. Footprint-free CRISPR-based gene correction of PSCs derived from patients carrying a homozygous surfactant mutation (SFTPB121ins2) restores surfactant processing in AEC2s. Thus, PSC-derived AEC2s provide a platform for disease modeling and future functional regeneration of the distal lung.

Recessive mutations in the ATP-binding cassette transporter A3 (ABCA3) cause lethal neonatal respiratory failure and childhood interstitial lung disease. Most ABCA3 mutations are private.To determine genotype-phenotype correlations for recessive ABCA3 mutations.We reviewed all published and unpublished ABCA3 sequence and phenotype data from our prospective genetic studies of symptomatic infants and children at Washington and Johns Hopkins Universities. Mutations were classified based on their predicted disruption of protein function: frameshift and nonsense mutations were classified as "null," whereas missense, predicted splice site mutations, and insertion/deletions were classified as "other." We compared age of presentation and outcomes for the three genotypes: null/null, null/other, and other/other.We identified 185 infants and children with homozygous or compound heterozygous ABCA3 mutations and lung disease. All of the null/null infants presented with respiratory failure at birth compared with 75% of infants with null/other or other/other genotypes (P = 0.00011). By 1 year of age, all of the null/null infants had died or undergone lung transplantation compared with 62% of the null/other and other/other children (P < 0.0001).Genotype-phenotype correlations exist for homozygous or compound heterozygous mutations in ABCA3. Frameshift or nonsense ABCA3 mutations are predictive of neonatal presentation and poor outcome, whereas missense, splice site, and insertion/deletions are less reliably associated with age of presentation and prognosis. Counseling and clinical decision making should acknowledge these correlations.

Summary The incompletely understood pathogenesis of pulmonary fibrosis (PF) and lack of reliable preclinical disease models have limited development of effective therapies. An emerging literature now implicates alveolar epithelial type 2 cell (AEC2) dysfunction as an initiating pathogenic event in the onset of a variety of PF syndromes, including adult idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and childhood interstitial lung disease (chILD). However, inability to access primary AEC2s from patients, particularly at early disease stages, has impeded identification of disease-initiating mechanisms. Here we present an in vitro reductionist model system that permits investigation of epithelial-intrinsic events that lead to AEC2 dysfunction over time using patient-derived cells that carry a disease-associated variant, SFTPC I73T , known to be expressed solely in AEC2s. After generating patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) and engineering their gene-edited (corrected) counterparts, we employ directed differentiation to produce pure populations of syngeneic corrected and mutant AEC2s, which we expand >10 15 fold in vitro , providing a renewable source of cells for modeling disease onset. We find that mutant iPSC-derived AEC2s (iAEC2s) accumulate large amounts of misprocessed pro-SFTPC protein which mistrafficks to the plasma membrane, similar to changes observed in vivo in the donor patient’s AEC2s. These changes result in marked reduction in AEC2 progenitor capacity and several downstream perturbations in AEC2 proteostatic and bioenergetic programs, including a late block in autophagic flux, accumulation of dysfunctional mitochondria with consequent time-dependent metabolic reprograming from oxidative phosphorylation to glycolysis, and activation of an NF-κB dependent inflammatory response. Treatment of SFTPC I73T expressing iAEC2s with hydroxychloroquine, a medication commonly prescribed to these patients, results in aggravation of autophagy perturbations and metabolic reprogramming. Thus, iAEC2s provide a patientspecific preclinical platform for modeling the intrinsic epithelial dysfunction associated with the inception of interstitial lung disease.