Rationale: Coronavirus disease (COVID-19) is a global threat to health. Its inflammatory characteristics are incompletely understood.Objectives: To define the cytokine profile of COVID-19 and to identify evidence of immunometabolic alterations in those with severe illness.Methods: Levels of IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10, and sTNFR1 (soluble tumor necrosis factor receptor 1) were assessed in plasma from healthy volunteers, hospitalized but stable patients with COVID-19 (COVIDstable patients), patients with COVID-19 requiring ICU admission (COVIDICU patients), and patients with severe community-acquired pneumonia requiring ICU support (CAPICU patients). Immunometabolic markers were measured in circulating neutrophils from patients with severe COVID-19. The acute phase response of AAT (alpha-1 antitrypsin) to COVID-19 was also evaluated.Measurements and Main Results: IL-1β, IL-6, IL-8, and sTNFR1 were all increased in patients with COVID-19. COVIDICU patients could be clearly differentiated from COVIDstable patients, and demonstrated higher levels of IL-1β, IL-6, and sTNFR1 but lower IL-10 than CAPICU patients. COVID-19 neutrophils displayed altered immunometabolism, with increased cytosolic PKM2 (pyruvate kinase M2), phosphorylated PKM2, HIF-1α (hypoxia-inducible factor-1α), and lactate. The production and sialylation of AAT increased in COVID-19, but this antiinflammatory response was overwhelmed in severe illness, with the IL-6:AAT ratio markedly higher in patients requiring ICU admission (P < 0.0001). In critically unwell patients with COVID-19, increases in IL-6:AAT predicted prolonged ICU stay and mortality, whereas improvement in IL-6:AAT was associated with clinical resolution (P < 0.0001).Conclusions: The COVID-19 cytokinemia is distinct from that of other types of pneumonia, leading to organ failure and ICU need. Neutrophils undergo immunometabolic reprogramming in severe COVID-19 illness. Cytokine ratios may predict outcomes in this population.

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.

Abstract Cystic fibrosis (CF) is a monogenic lung disease caused by dysfunction of the cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR) anion channel, resulting in significant morbidity and mortality. The progress in elucidating the role of the CFTR channel using established animal and cell-based models led to the recent discovery of effective CFTR modulators for most individuals with CF. However, a subset of individuals with CF do not respond to these modulators and there is an urgent need to develop novel therapeutic strategies. In this study, we assembled a panel of iPSCs derived from individuals with common or rare variants representative of three distinct classes of CFTR dysfunction. To measure CFTR function in patient-specific iPSCs we adapted two established in vitro assays of CFTR function to iPSC-derived airway cells. In both a 3-D spheroid assay using forskolin-induced swelling as well as planar cultures composed of polarized mucociliary airway epithelial cells, we quantified CFTR baseline function and response to CFTR modulators and detected genotype-specific differences. Our results demonstrate the potential of the human iPSC platform as a research tool to study cystic fibrosis and in particular accelerate therapeutic development for CF caused by rare mutations.

Necrosome activation following TLR- or cytokine receptor-signaling results in cell death by necroptosis which is characterized by the rupture of cell membranes and the consequent release of intracellular contents to the extracellular milieu. While necroptosis exacerbates various inflammatory diseases, the mechanisms through which the inflammatory responses are regulated are not clear. We show that the necrosome activation of macrophages results in an upregulation of various pathways, including the mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, which results in an elevation of the inflammatory response and consequent expression of several cytokines and chemokines. Programming for this upregulation of inflammatory response occurs during the early phase of necrosome activation and proceeds independently of cell death but depends on the activation of the receptor-interacting protein kinase-1 (RipK1). Interestingly, necrosome activation also results in an upregulation of IFNβ, which in turn exerts an inhibitory effect on the maintenance of inflammatory response through the repression of MAPK-signaling and an upregulation of Zfp36. Activation of the interferon-induced gene factor-3 (ISGF3) results in the expression of ZFP36 (TTP), which induces the post-transcriptional degradation of mRNAs of various inflammatory cytokines and chemokines through the recognition of AU-rich elements in their 3'UTR. Furthermore, ZFP-36 inhibits IFNβ-, but not TNFα- induced necroptosis. Overall, these results reveal the molecular mechanism through which IFNβ, a pro-inflammatory cytokine, induces the expression of ZFP-36, which in turn inhibits necroptosis and halts the maintenance of the inflammatory response.

Alveolar epithelial type 2 cells (AEC2s) are the facultative progenitors responsible for maintaining lung alveoli throughout life, yet are difficult to access from patients for biomedical research or lung regeneration applications. Here we engineer AEC2s from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) in vitro and use single cell RNA sequencing (scRNA-seq) to profile the detailed kinetics of their differentiation over time. We focus on both the desired target cells as well as those that appear to diverge to alternative endodermal fates. By combining scRNA-seq with lentiviral barcoding to trace differentiating clones, we reveal the bifurcating cell fate trajectories followed as primordial lung progenitors differentiate into mature AEC2s. We define the global transcriptomic signatures of primary developing human AEC2s from fetal through adult stages in order to identify the subset of in vitro differentiating cells that appear to recapitulate the path of in vivo development. In addition, we develop computational methods based on Continuous State Hidden Markov Models (CSHMM) to identify the precise timing and type of signals, such as over-exuberant Wnt responses, that induce some early multipotent NKX2-1+ progenitors to lose lung fate as they clonally diverge into a variety of non-lung endodermal lineages. Finally, we find that this initial developmental plasticity is regulatable via Wnt modulation, and subsides over time, ultimately resulting in iPSC-derived AEC2s that exhibit a stable phenotype and nearly limitless self-renewal capacity in vitro. Our methods and computational approaches can be widely applied to study and control directed differentiation, producing an inexhaustible supply of mature lineages, exemplified here by the generation of AEC2s.