Bone-marrow–derived stromal cells are known to protect against acute lung injury. Jahar Bhattacharya and colleagues now show that one way these cells offer such protection is to transfer their mitochondria to the injured lung epithelia to improve the bioenergetics of the recipient cells, thus probably allowing them to recover from injury more efficiently. Bone marrow–derived stromal cells (BMSCs) protect against acute lung injury (ALI). To determine the role of BMSC mitochondria in this protection, we airway-instilled mice first with lipopolysaccharide (LPS) and then with either mouse BMSCs (mBMSCs) or human BMSCs (hBMSCs). Live optical studies revealed that the mBMSCs formed connexin 43 (Cx43)-containing gap junctional channels (GJCs) with the alveolar epithelia in these mice, releasing mitochondria-containing microvesicles that the epithelia engulfed. The presence of BMSC-derived mitochondria in the epithelia was evident optically, as well as by the presence of human mitochondrial DNA in mouse lungs instilled with hBMSCs. The mitochondrial transfer resulted in increased alveolar ATP concentrations. LPS-induced ALI, as indicated by alveolar leukocytosis and protein leak, inhibition of surfactant secretion and high mortality, was markedly abrogated by the instillation of wild-type mBMSCs but not of mutant, GJC-incompetent mBMSCs or mBMSCs with dysfunctional mitochondria. This is the first evidence, to our knowledge, that BMSCs protect against ALI by restituting alveolar bioenergetics through Cx43-dependent alveolar attachment and mitochondrial transfer.

The ability to generate lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells (hPSCs) would have applications in regenerative medicine, modeling of lung disease, drug screening and studies of human lung development. We have established, based on developmental paradigms, a highly efficient method for directed differentiation of hPSCs into lung and airway epithelial cells. Long-term differentiation of hPSCs in vivo and in vitro yielded basal, goblet, Clara, ciliated, type I and type II alveolar epithelial cells. The type II alveolar epithelial cells were capable of surfactant protein-B uptake and stimulated surfactant release, providing evidence of specific function. Inhibiting or removing retinoic acid, Wnt and BMP-agonists to signaling pathways critical for early lung development in the mouse-recapitulated defects in corresponding genetic mouse knockouts. As this protocol generates most cell types of the respiratory system, it may be useful for deriving patient-specific therapeutic cells.

Chen et al. generate lung bud organoids from human pluripotent stem cells that recapitulate early lung development, such as branching airway formation and early alveolar structures, which could potentially be used to model lung disease. Recapitulation of lung development from human pluripotent stem cells (hPSCs) in three dimensions (3D) would allow deeper insight into human development, as well as the development of innovative strategies for disease modelling, drug discovery and regenerative medicine1. We report here the generation from hPSCs of lung bud organoids (LBOs) that contain mesoderm and pulmonary endoderm and develop into branching airway and early alveolar structures after xenotransplantation and in Matrigel 3D culture. Expression analysis and structural features indicated that the branching structures reached the second trimester of human gestation. Infection in vitro with respiratory syncytial virus, which causes small airway obstruction and bronchiolitis in infants2, led to swelling, detachment and shedding of infected cells into the organoid lumens, similar to what has been observed in human lungs3. Introduction of mutation in HPS1, which causes an early-onset form of intractable pulmonary fibrosis4,5, led to accumulation of extracellular matrix and mesenchymal cells, suggesting the potential use of this model to recapitulate fibrotic lung disease in vitro. LBOs therefore recapitulate lung development and may provide a useful tool to model lung disease.

Tissue-resident macrophages are shown to stop lipopolysaccharide-induced inflammation by spreading an anti-inflammatory calcium signal to alveolar epithelial cells through connexin-43-positive gap junction channels. Macrophages are responsible for initiating the immune response to invading pathogens, but because they are usually studied in vitro the mechanisms that generate immune responses in situ in the relevant tissues remain largely unknown. Jahar Bhattacharya and colleagues used real-time optical imaging to observe the behaviour of lung macrophages genetically engineered to express fluorescence in live alveoli of mouse lungs. During lipopolysaccharide-induced inflammation, a model for pathogenic challenge, tissue-resident macrophages initiate the immune response, and concomitantly suppress it, thereby reducing tissue injury, by forming communicating channels with adjoining epithelia. The channels are formed by connexin 43, a gap junction protein that on this evidence is a possible target for new therapeutics for inflammatory lung disease. The tissue-resident macrophages of barrier organs constitute the first line of defence against pathogens at the systemic interface with the ambient environment. In the lung, resident alveolar macrophages (AMs) provide a sentinel function against inhaled pathogens1. Bacterial constituents ligate Toll-like receptors (TLRs) on AMs2, causing AMs to secrete proinflammatory cytokines3 that activate alveolar epithelial receptors4, leading to recruitment of neutrophils that engulf pathogens5,6. Because the AM-induced response could itself cause tissue injury, it is unclear how AMs modulate the response to prevent injury. Here, using real-time alveolar imaging in situ, we show that a subset of AMs attached to the alveolar wall form connexin 43 (Cx43)-containing gap junction channels with the epithelium. During lipopolysaccharide-induced inflammation, the AMs remained sessile and attached to the alveoli, and they established intercommunication through synchronized Ca2+ waves, using the epithelium as the conducting pathway. The intercommunication was immunosuppressive, involving Ca2+-dependent activation of Akt, because AM-specific knockout of Cx43 enhanced alveolar neutrophil recruitment and secretion of proinflammatory cytokines in the bronchoalveolar lavage. A picture emerges of a novel immunomodulatory process in which a subset of alveolus-attached AMs intercommunicates immunosuppressive signals to reduce endotoxin-induced lung inflammation.

Mesenchymal stem cells (MSCs), which potentially transdifferentiate into multiple cell types, are increasingly reported to be beneficial in models of organ system injury. However, the molecular mechanisms underlying interactions between MSCs and host cells, in particular endothelial cells (ECs), remain unclear. We show here in a matrigel angiogenesis assay that MSCs are capable of inhibiting capillary growth. After addition of MSCs to EC-derived capillaries in matrigel at EC:MSC ratio of 1:1, MSCs migrated toward the capillaries, intercalated between ECs, established Cx43-based intercellular gap junctional communication (GJC) with ECs, and increased production of reactive oxygen species (ROS). These events led to EC apoptosis and capillary degeneration. In an in vivo tumor model, direct MSC inoculation into subcutaneous melanomas induced apoptosis and abrogated tumor growth. Thus, our findings show for the first time that at high numbers, MSCs are potentially cytotoxic and that when injected locally in tumor tissue they might be effective antiangiogenesis agents suitable for cancer therapy.

Acute lung immunity to inhaled pathogens elicits defensive pneumonitis that may convert to the Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), causing high mortality. Mechanisms underlying the conversion are not understood, but are of intense interest because of the ARDS-induced mortality in the ongoing Covid-19 pandemic. Here, by optical imaging of live lungs we show that key to the lethality is the functional status of mitochondrial Ca2+ buffering across the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) in the alveolar type 2 cells (AT2), which protect alveolar stability. In mice subjected to ARDS by airway exposure to lipopolysaccharide (LPS), or to Pseudomonas aeruginosa, there was marked loss of MCU expression in AT2. The ability of mice to survive ARDS depended on the extent to which the MCU expression recovered, indicating that the viability of Ca2+ buffering by AT2 mitochondria critically determines ARDS severity. Mitochondrial transfer to enhance AT2 MCU expression might protect against ARDS.

Abstract Aging is associated with both overt and subclinical lung fibrosis, which increases risk for mortality from viruses and other respiratory pathogens. The molecular programs that induce fibrosis in the aging lung are not well understood. To overcome this knowledge gap, we undertook multimodal profiling of distal lung samples from healthy human donors across the lifespan. Telomere shortening, a cause of cell senescence and fibrosis, was progressive with age in a sample of 86 lungs and was associated with foci of DNA damage. Bulk RNA sequencing confirmed activation of cellular senescence and pro-fibrotic pathways as well as genes necessary for collagen processing with increasing age. These findings were validated in independent datasets for lung and sun-exposed skin, but not other organs including heart, liver and kidney. Cell type deconvolution analysis revealed a progressive loss of lung epithelial cells and an increasing proportion of fibroblasts. Consistent with the observed pro-fibrotic transcriptional profile, second harmonic imaging demonstrated increased density of interstitial collagen in aged human lungs. Furthermore, regions of parenchymal fibrosis were associated with decreased alveolar expansion and surfactant secretion. These findings reveal the transcriptional and structural features of fibrosis and associated physiologic impairments in normal lung aging.

Abstract High mortality in Acute Lung Injury (ALI) results from sustained proinflammatory signaling by alveolar receptors, such as TNFα receptor type 1 (TNFR1). Factors that determine the sustained signaling are not known. Unexpectedly, optical imaging of live alveoli revealed a major TNFα-induced surge of alveolar TNFR1 due to a Ca 2+ -dependent mechanism that decreased the cortical actin fence. Mouse mortality due to inhaled LPS was associated with cofilin activation, actin loss and the TNFR1 surge. The constitutively active form of the GTPase, Rac1 (V12Rac1), given intranasally as a non-covalent construct with a cell-permeable peptide, enhanced alveolar F-actin and blocked the TNFR1 surge. V12Rac1 also protected against ALI-induced mortality resulting from intranasal (i.n.) instillation of LPS, or of Pseudomonas aeruginosa . We propose a new therapeutic paradigm in which actin enhancement by exogenous Rac1 strengthens the alveolar actin fence, protecting against proinflammatory receptor hyperexpression, hence blocking ALI.

Although lung immunity is pathogen induced, the immunity can also be induced by mechanical distortion of the lung. The causal basis of the lung's mechanosensitive immunity remains unclear. Here, through live optical imaging of mouse lungs, we show that alveolar stretch due to hyperinflation induced prolonged cytosolic Ca2+ increases in sessile alveolar macrophages (AMs). Knockout studies revealed that the Ca2+ increases resulted from Ca2+ diffusion from the alveolar epithelium to sessile AMs through connexin 43 (Cx43)-containing gap junctions. Lung inflammation and injury in mice exposed to injurious mechanical ventilation were inhibited by AM-specific Cx43 knockout, or AM-specific delivery of a calcium inhibitor. We conclude, Cx43 gap junctions and calcium mobilization in sessile AMs determine the lung's mechanosensitive immunity, providing a therapeutic strategy against hyperinflation-induced lung injury.