Abstract Structural fetal diseases, such as congenital diaphragmatic hernia (CDH) can be diagnosed prenatally. Neonates with CDH are healthy in utero as gas exchange is managed by the placenta, but impaired lung function results in critical illness from the time a baby takes its first breath. During fetal development, lungs are capable of remarkable growth and the fetus does not yet require lung function for gas exchange. MicroRNA (miR) 200b and its downstream targets in the TGFβ pathway are critically involved lung branching morphogenesis. Here we characterize the expression of miR200b and the TGFβ pathway at different gestational times using a rat model of CDH. Fetal rats with CDH are deficient in miR200b at gestational day 18. We demonstrate that NPs loaded with miR200b given systemically to fetal rats result in changes in the TGFβ pathway; these epigenetic changes improve lung size, lung morphology, and lung vascularization. This is the first demonstration of in utero epigenetic therapy to improve lung growth and development in a pre-clinical model. With refinement, this technique could be applied to fetal cases of CDH or other forms of impaired lung development in a minimally invasive fashion. eTOC Synopsis In utero treatment with NPs loaded with miR200b improves lung development in a rat model of CDH. miR200b treatment epigenetic changes in the TGFβ, leads to larger lungs with more airspace and favorable pulmonary vascular remodeling.

In utero gene editing has the potential to modify disease causing genes in multiple developing tissues before birth, possibly allowing for normal organ development, disease improvement, and conceivably, cure. In cystic fibrosis (CF), a disease that arises from mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene, there are signs of multiorgan disease affecting the function of the respiratory, gastrointestinal, and reproductive systems already present at birth. Thus, treating CF patients early is crucial for preventing or delaying irreversible organ damage. Here we demonstrate proof-of-concept of multiorgan mutation correction in CF using peptide nucleic acids (PNAs) encapsulated in polymeric nanoparticles and delivered systemically in utero. In utero editing was associated with sustained postnatal CFTR activity, at a level similar to that of wild-type mice, in both respiratory and gastrointestinal tissue, without detection of off-target mutations in partially homologous loci. This work suggests that systemic in utero gene editing represents a viable strategy for treating monogenic diseases before birth that impact multiple tissue types.