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.

The pathogenesis of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), an intractable interstitial lung disease, is unclear. Recessive mutations in some genes implicated in Hermansky-Pudlak syndrome (HPS) cause HPS-associated interstitial pneumonia (HPSIP), a clinical entity that is similar to IPF. We previously reported that HPS1−/− embryonic stem cell-derived 3D lung organoids showed fibrotic changes. Here, we show that the introduction of all HPS mutations associated with HPSIP promotes fibrotic changes in lung organoids, while the deletion of HPS8, which is not associated with HPSIP, does not. Genome-wide expression analysis revealed the upregulation of interleukin-11 (IL-11) in epithelial cells from HPS mutant fibrotic organoids. IL-11 was detected predominantly in type 2 alveolar epithelial cells in end-stage IPF, but was expressed more broadly in HPSIP. Finally, IL-11 induced fibrosis in WT organoids, while its deletion prevented fibrosis in HPS4−/− organoids, suggesting IL-11 as a therapeutic target. hPSC-derived 3D lung organoids are, therefore, a valuable resource to model fibrotic lung disease.

Although strategies for directed differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into lung and airway have been established, terminal maturation of the cells remains a vexing problem. We show here that in Collagen I 3D cultures in the absence of glycogen synthase kinase 3 (GSK3) inhibition, hPSC-derived lung progenitors (LPs) undergo multilineage maturation into proximal cells arranged in pseudostratified epithelia, type I alveolar epithelial cells and morphologically mature type II cells. Enhanced cell cycling, one of the signaling outputs of GSK3 inhibition, plays a role in the maturation-inhibiting effect of GSK3 inhibition. Using this model, we show NOTCH signaling induced a distal at the expense of a proximal and ciliated cell fate, while WNT signaling promoted a proximal, club cell fate, thus implicating both signaling pathways in proximodistal specification in human lung development. These findings establish an approach to achieve multilineage maturation of lung and airway cells from hPSCs, demonstrate a pivotal role of GSK3 in the maturation of lung progenitors, and provide novel insight into proximodistal specification during human lung development.

The peripheral nervous system (PNS) is essential for proper body function. A high percentage of the world’s population suffers from nerve degeneration or peripheral nerve damage. Despite this, there are major gaps in the knowledge of human PNS development and degeneration; therefore, there are no available treatments. Familial dysautonomia (FD) is a devastating disorder caused by a homozygous point mutation in the gene ELP1 . FD specifically affects the development and causes degeneration of the PNS. We previously used patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) to show that peripheral sensory neurons (SNs) recapitulate the developmental and neurodegenerative defects observed in FD. Here, we conducted a chemical screen to identify compounds that rescue the SN differentiation inefficiency in FD. We identified that genipin restores neural crest and SN development in patient-derived iPSCs and in two mouse models of FD. Additionally, genipin prevented FD degeneration in SNs derived from patients with FD, suggesting that it could be used to ameliorate neurodegeneration. Moreover, genipin cross-linked the extracellular matrix (ECM), increased the stiffness of the ECM, reorganized the actin cytoskeleton, and promoted transcription of yes-associated protein–dependent genes. Last, genipin enhanced axon regeneration in healthy sensory and sympathetic neurons (part of the PNS) and in prefrontal cortical neurons (part of the central nervous system) in in vitro axotomy models. Our results suggest that genipin has the potential to treat FD-related neurodevelopmental and neurodegenerative phenotypes and to enhance neuronal regeneration of healthy neurons after injury. Moreover, this suggests that the ECM can be targeted to treat FD.

ABSTRACT The high pathogenicity of SARS-CoV-2 requires it to be handled under biosafety level 3 conditions. Consequently, Spike protein pseudotyped vectors are a useful tool to study viral entry and its inhibition, with retroviral, lentiviral (LV) and vesicular stomatitis virus (VSV) vectors the most commonly used systems. Methods to increase the titer of such vectors commonly include concentration by ultracentrifugation and truncation of the Spike protein cytoplasmic tail. However, limited studies have examined whether such a modification also impacts the protein’s function. Here, we optimized concentration methods for SARS-CoV-2 Spike pseudotyped VSV vectors, finding that tangential flow filtration produced vectors with more consistent titers than ultracentrifugation. We also examined the impact of Spike tail truncation on transduction of various cell types and sensitivity to convalescent serum neutralization. We found that tail truncation increased Spike incorporation into both LV and VSV vectors and resulted in enhanced titers, but had no impact on sensitivity to convalescent serum inhibition. In addition, we analyzed the effect of the D614G mutation, which became a dominant SARS-CoV-2 variant early in the pandemic. Our studies revealed that, similar to the tail truncation, D614G independently increases Spike incorporation and vector titers, but that this effect is masked by also including the cytoplasmic tail truncation. Therefore, the use of full-length Spike protein, combined with tangential flow filtration, is recommended as a method to generate high titer pseudotyped vectors that retain native Spike protein functions. IMPORTANCE Pseudotyped viral vectors are useful tools to study the properties of viral fusion proteins, especially those from highly pathogenic viruses. The Spike protein of SARS-CoV-2 has been investigated using pseudotyped lentiviral and VSV vector systems, where truncation of its cytoplasmic tail is commonly used to enhance Spike incorporation into vectors and to increase the titers of the resulting vectors. However, our studies have shown that such effects can also mask the phenotype of the D614G mutation in the ectodomain of the protein, which was a dominant variant early in the COVID-19 pandemic. To better ensure the authenticity of Spike protein phenotypes when using pseudotyped vectors, we therefore recommend using full-length Spike proteins, combined with tangential flow filtration methods of concentration, if higher titer vectors are required.

Although lung disease is a major cause of mortality, the mechanisms involved in human lung regeneration are unclear because of the lack of experimental models. Here we report a novel model where human pluripotent stem cell-derived expandable cell lines sharing features of airway secretory and basal cells engraft in the distal rat lung after conditioning by locoregional de-epithelialization followed by irradiation and immunosuppression. The engrafting cells, which we named distal lung epithelial progenitors (DLEPs), contributed to alveolar epithelial cells and generated 'KRT5-pods', structures involved in distal lung repair after severe injury, but only rarely to distal airways. Most strikingly, however, injury induced by the conditioning regimen was largely prevented by the engrafting DLEPs. The approach described here provides a model to study mechanisms involved in human lung regeneration, and potentially lays the foundation for the preclinical development of cell therapy to treat lung injury and disease.