Abstract Lung regeneration deteriorates with aging leading to increased susceptibility to pathologic conditions, including fibrosis. Here, we investigated bleomycin-induced lung injury responses in young and aged mice at single-cell resolution to gain insights into the cellular and molecular contributions of aging to fibrosis. Analysis of 52,542 cells in young (8 weeks) and aged (72 weeks) mice identified 15 cellular clusters, many of which exhibited distinct injury responses that associated with age. We identified Pdgfra + alveolar fibroblasts as a major source of collagen expression following bleomycin challenge, with those from aged lungs exhibiting a more persistent activation compared to young ones. We also observed age-associated transcriptional abnormalities affecting lung progenitor cells, including ATII pneumocytes and general capillary (gCap) endothelial cells (ECs). Transcriptional analysis combined with lineage tracing identified a sub-population of gCap ECs marked by the expression of Tropomyosin Receptor Kinase B (TrkB) that appeared in bleomycin-injured lungs and accumulated with aging. This newly emerged TrkB + EC population expressed common gCap EC markers but also exhibited a distinct gene expression signature associated with aberrant YAP/TAZ signaling, mitochondrial dysfunction, and hypoxia. Finally, we defined ACKR1 + venous ECs that exclusively emerged in injured lungs of aged animals and were closely associated with areas of collagen deposition and inflammation. Immunostaining and FACS analysis of human IPF lungs demonstrated that ACKR1 + venous ECs were dominant cells within the fibrotic regions and accumulated in areas of myofibroblast aggregation. Together, these data provide high-resolution insights into the impact of aging on lung cell adaptability to injury responses.

Abstract Understanding the dynamic pathogenesis and treatment response in pulmonary diseases requires probing the lung at cellular resolution in real-time. Despite recent progress in intravital imaging, optical imaging of the lung during active respiration and circulation has remained challenging. Here, we introduce the crystal ribcage: a transparent ribcage that (i) allows truly multiscale optical imaging of the lung in health and disease from whole-organ to single cell, (ii) enables the modulation of lung biophysics and immunity through intravascular, intrapulmonary, intraparenchymal, and optogenetic interventions, and (iii) preserves the 3-D architecture, air-liquid interface, cellular diversity, and respiratory-circulatory functions of the lung. Utilizing these unprecedented capabilities on murine models of primary and metastatic lung tumors, respiratory infection, pulmonary fibrosis, emphysema, and acute lung injury we probed how disease progression remodels the respiratory-circulatory functions at the single alveolus and capillary levels. In cancer, we identified the earliest stage of tumorigenesis that compromises alveolar and capillary functions, a key state with consequences on tumor progression and treatment response. In pneumonia, we mapped mutual links between the recruited immune cells and the alveolar-capillary functions. We found that neutrophil migration is strongly and reversibly responsive to vascular pressure with implications for understanding of how lung physiology, altered by disease and anatomical location, affects immune cell activities. The crystal ribcage and its broad applications presented here will facilitate further studies of real-time remodeling of the alveoli and capillaries during pathogenesis of nearly any pulmonary disease, leading to the identification of new targets for treatment strategies.

Abstract Introduction It is not uncommon for patients to experience postoperative neurologic deficit, thoracic radiculopathy, abdominal pain, or lower extremity paresthesia after the implantation of thoracic spinal cord stimulator (SCS) paddle leads. Smaller thoracic canal diameters have previously been associated with postoperative neurologic deficits. Objective This imaging study examined whether postoperative SCS neurologic complaints other than neurologic deficit may be correlated with thoracic spinal canal diameter. Methods Patients who underwent thoracic laminotomy for SCS paddle lead placement between January 2018 and March 2023 were identified. Preoperative thoracic canal diameter was measured on MRI or CT imaging in the sagittal plane from T5/6 to T11/12. The canal diameters of patients with and without new postoperative neurologic complaints were compared. Results Two hundred forty‐six patients underwent thoracic laminotomy for SCS paddle lead placement. Thoracic radiculopathy, abdominal pain, and lower extremity paresthesia occurred in 3.7% (9/246), 2.8% (7/246), and 2.0% (5/246) patients, respectively. The mean canal diameter for patients without neurologic complaint, thoracic radiculopathy, abdominal pain, and lower extremity paresthesia was 13.1 mm, 12.0 mm ( p < 0.0001), 12.1 mm ( p < 0.01), and 12.8 mm ( p = 0.365), respectively. Conclusion A smaller thoracic canal diameter is associated with postoperative thoracic radiculopathy and abdominal pain. We believe that surgical planning to create adequate space for SCS leads is critical in preventing postoperative neurologic complaints of deficit, thoracic radiculopathy, and abdominal pain.

Progressive lung fibrosis is associated with poorly understood aging-related endothelial cell dysfunction. To gain insight into endothelial cell alterations in lung fibrosis we performed single cell RNA-sequencing of bleomycin-injured lungs from young and aged mice. Analysis reveals activated cell states enriched for hypoxia, glycolysis and YAP/TAZ activity in ACKR1+ venous and TrkB+ capillary endothelial cells. Endothelial cell activation is prevalent in lungs of aged mice and can also be detected in human fibrotic lungs. Longitudinal single cell RNA-sequencing combined with lineage tracing demonstrate that endothelial activation resolves in young mouse lungs but persists in aged ones, indicating a failure of the aged vasculature to return to quiescence. Genes associated with activated lung endothelial cells states in vivo can be induced in vitro by activating YAP/TAZ. YAP/TAZ also cooperate with BDNF, a TrkB ligand that is reduced in fibrotic lungs, to promote capillary morphogenesis. These findings offer insights into aging-related lung endothelial cell dysfunction that may contribute to defective lung injury repair and persistent fibrosis.

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is characterized by the sustained activation of interstitial fibroblasts leading to excessive collagen deposition and progressive organ failure. Epigenetic and metabolic abnormalities have been shown to contribute to the persistent activated state of scar-forming fibroblasts. However, how epigenetic changes regulate fibroblast metabolic responses to promote fibroblast activation and progressive fibrosis remains largely unknown. Here we show that the epigenetic regulator chromobox protein homolog 5 (CBX5) is critical to the transition of quiescent fibroblasts to activated collagen-producing fibroblasts in response to bleomycin induced lung injury. Loss of mesenchymal CBX5 attenuated fibrosis development, and this effect was accompanied by the downregulation of pathogenic fibroblast genes, including