SARS-CoV-2 has caused the COVID-19 pandemic. There is an urgent need for physiological models to study SARS-CoV-2 infection using human disease-relevant cells. COVID-19 pathophysiology includes respiratory failure but involves other organ systems including gut, liver, heart, and pancreas. We present an experimental platform comprised of cell and organoid derivatives from human pluripotent stem cells (hPSCs). A Spike-enabled pseudo-entry virus infects pancreatic endocrine cells, liver organoids, cardiomyocytes, and dopaminergic neurons. Recent clinical studies show a strong association with COVID-19 and diabetes. We find that human pancreatic beta cells and liver organoids are highly permissive to SARS-CoV-2 infection, further validated using adult primary human islets and adult hepatocyte and cholangiocyte organoids. SARS-CoV-2 infection caused striking expression of chemokines, as also seen in primary human COVID-19 pulmonary autopsy samples. hPSC-derived cells/organoids provide valuable models for understanding the cellular responses of human tissues to SARS-CoV-2 infection and for disease modeling of COVID-19.

There is an urgent need to create novel models using human disease-relevant cells to study severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) biology and to facilitate drug screening. Here, as SARS-CoV-2 primarily infects the respiratory tract, we developed a lung organoid model using human pluripotent stem cells (hPSC-LOs). The hPSC-LOs (particularly alveolar type-II-like cells) are permissive to SARS-CoV-2 infection, and showed robust induction of chemokines following SARS-CoV-2 infection, similar to what is seen in patients with COVID-19. Nearly 25% of these patients also have gastrointestinal manifestations, which are associated with worse COVID-19 outcomes1. We therefore also generated complementary hPSC-derived colonic organoids (hPSC-COs) to explore the response of colonic cells to SARS-CoV-2 infection. We found that multiple colonic cell types, especially enterocytes, express ACE2 and are permissive to SARS-CoV-2 infection. Using hPSC-LOs, we performed a high-throughput screen of drugs approved by the FDA (US Food and Drug Administration) and identified entry inhibitors of SARS-CoV-2, including imatinib, mycophenolic acid and quinacrine dihydrochloride. Treatment at physiologically relevant levels of these drugs significantly inhibited SARS-CoV-2 infection of both hPSC-LOs and hPSC-COs. Together, these data demonstrate that hPSC-LOs and hPSC-COs infected by SARS-CoV-2 can serve as disease models to study SARS-CoV-2 infection and provide a valuable resource for drug screening to identify candidate COVID-19 therapeutics. The use of lung and colonic organoid systems to assess the susceptibility of lung and gut cells to SARS-CoV-2 and to screen FDA-approved drugs that have antiviral activity against SARS-CoV-2 is demonstrated.

This study aims to analyze the different clinical characteristics between children and their families infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2. Clinical data from nine children and their 14 families were collected, including general status, clinical, laboratory test, and imaging characteristics. All the children were detected positive result after their families onset. Three children had fever (22.2%) or cough (11.2%) symptoms and six (66.7%) children had no symptom. Among the 14 adult patients, the major symptoms included fever (57.1%), cough (35.7%), chest tightness/pain (21.4%), fatigue (21.4%) and sore throat (7.1%). Nearly 70% of the patients had normal (71.4%) or decreased (28.6%) white blood cell counts, and 50% (7/14) had lymphocytopenia. There were 10 adults (71.4%) showed abnormal imaging. The main manifestations were pulmonary consolidation (70%), nodular shadow (50%), and ground glass opacity (50%). Five discharged children were admitted again because their stool showed positive result in SARS-CoV-2 PCR. COVID-19 in children is mainly caused by family transmission, and their symptoms are mild and prognosis is better than adult. However, their PCR result in stool showed longer time than their families. Because of the mild or asymptomatic clinical process, it is difficult to recognize early for pediatrician and public health staff.

Summary Paragraph The current COVID-19 pandemic is caused by SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2). There are currently no therapeutic options for mitigating this disease due to lack of a vaccine and limited knowledge of SARS-CoV-2 biology. As a result, there is an urgent need to create new disease models to study SARS-CoV-2 biology and to screen for therapeutics using human disease-relevant tissues. COVID-19 patients typically present with respiratory symptoms including cough, dyspnea, and respiratory distress, but nearly 25% of patients have gastrointestinal indications including anorexia, diarrhea, vomiting, and abdominal pain. Moreover, these symptoms are associated with worse COVID-19 outcomes 1 . Here, we report using human pluripotent stem cell-derived colonic organoids (hPSC-COs) to explore the permissiveness of colonic cell types to SARS-CoV-2 infection. Single cell RNA-seq and immunostaining showed that the putative viral entry receptor ACE2 is expressed in multiple hESC-derived colonic cell types, but highly enriched in enterocytes. Multiple cell types in the COs can be infected by a SARS-CoV-2 pseudo-entry virus, which was further validated in vivo using a humanized mouse model. We used hPSC-derived COs in a high throughput platform to screen 1280 FDA-approved drugs against viral infection. Mycophenolic acid and quinacrine dihydrochloride were found to block the infection of SARS-CoV-2 pseudo-entry virus in COs both in vitro and in vivo , and confirmed to block infection of SARS-CoV-2 virus. This study established both in vitro and in vivo organoid models to investigate infection of SARS-CoV-2 disease-relevant human colonic cell types and identified drugs that blocks SARS-CoV-2 infection, suitable for rapid clinical testing.

Abstract Type 1 diabetes (T1D) is a complex autoimmune disease characterized by the loss of pancreatic islet beta cells. The mechanisms of T1D genetic risk remain poorly understood. Here, we present a multi-omic integrative study of single-cell/nucleus molecular profiles of gene expression and chromatin accessibility in the same biological samples from healthy and beta cell autoantibody + (AAB+) human pancreatic islets to characterize mechanisms of islet-mediated T1D genetic risk. We additionally performed single-cell/nucleus multi-omic profiling of healthy islets under two stimulatory conditions used as in vitro models of T1D (cytokine cocktail and CVB4 infection) to evaluate how environmental exposures recapitulate multi-omic signatures of T1D. In total, we analyzed 121,272 cells/nuclei across 34 libraries, identifying 10 distinct cell types. We identified cell-type-specific and disease-associated cis -regulatory elements and nominated likely target genes. We provide evidence that T1D genetic risk is mediated through multiple pancreatic cell populations, including islet endocrine cells (beta, alpha, gamma, and delta), exocrine acinar and ductal cells, and immune cells. Finally, we identified three independent T1D risk variants acting through pancreatic islet endocrine cells at the TOX, RASGRP1 , and DLK1/MEG3 loci. Together, this work improves our understanding of how non-coding genetic variants encode T1D risk through a complex interplay of different cell types in the pancreas.

There is a paucity of human models to study immune-mediated host damage. Here, we utilized the GeoMx spatial multi-omics platform to analyze immune cell changes in COVID-19 pancreatic autopsy samples, revealing an accumulation of proinflammatory macrophages. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis of human islets exposed to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) or coxsackievirus B4 (CVB4) viruses identified activation of proinflammatory macrophages and β cell pyroptosis. To distinguish viral versus proinflammatory-macrophage-mediated β cell pyroptosis, we developed human pluripotent stem cell (hPSC)-derived vascularized macrophage-islet (VMI) organoids. VMI organoids exhibited enhanced marker expression and function in both β cells and endothelial cells compared with separately cultured cells. Notably, proinflammatory macrophages within VMI organoids induced β cell pyroptosis. Mechanistic investigations highlighted TNFSF12-TNFRSF12A involvement in proinflammatory-macrophage-mediated β cell pyroptosis. This study established hPSC-derived VMI organoids as a valuable tool for studying immune-cell-mediated host damage and uncovered the mechanism of β cell damage during viral exposure.

Summary Glycosyltransferases (GTs) are enzymes that transfer sugars to various targets. They play important roles in diverse biological processes, including photosynthesis, cell motility, exopolysaccharide biosynthesis, and lipid metabolism; however, their involvement in regulating carbon metabolism in Synechocystis sp. PCC 6803 has not been reported. We identified a novel GT protein, Slr1064, involved in carbon metabolism. The effect of slr1064 deletion on the growth of Synechocystis cells and functional mechanisms of Slr1064 on carbon metabolism were thoroughly investigated through physiological, biochemistry, proteomic, and metabolic analyses. We found that this GT, which is mainly distributed in the membrane compartment, is essential for the growth of Synechocystis under heterotrophic and mixotrophic conditions, but not under autotrophic conditions. The deletion of slr1064 hampers the turnover rate of Gap2 under mixotrophic conditions and disrupts the assembly of the PRK/GAPDH/CP12 complex under dark culture conditions. Additionally, UDP‐GlcNAc, the pivotal metabolite responsible for the O‐GlcNAc modification of GAPDH, is downregulated in the Δ slr1064 . Our work provides new insights into the role of GTs in carbon metabolism in Synechocystis and elucidate the mechanism by which carbon metabolism is regulated in this important model organism.

There is a paucity of human models to study immune-mediated host damage. Here, we utilized the GeoMx spatial multi-omics platform to analyze immune cell changes in COVID-19 pancreatic autopsy samples, revealing an accumulation of proinflammatory macrophages. Single cell RNA-seq analysis of human islets exposed to SARS-CoV-2 or Coxsackievirus B4 (CVB4) viruses identified activation of proinflammatory macrophages and β cell pyroptosis. To distinguish viral versus proinflammatory macrophage-mediated β cell pyroptosis, we developed human pluripotent stem cell (hPSC)-derived vascularized macrophage-islet (VMI) organoids. VMI organoids exhibited enhanced marker expression and function in both β cells and endothelial cells compared to separately cultured cells. Notably, proinflammatory macrophages within VMI organoids induced β cell pyroptosis. Mechanistic investigations highlighted TNFSF12-TNFRSF12A involvement in proinflammatory macrophage-mediated β cell pyroptosis. This study established hPSC- derived VMI organoids as a valuable tool for studying immune cell-mediated host damage and uncovered mechanism of β cell damage during viral exposure.

Abstract To interfere with the biology of SARS-CoV-2, the virus responsible for the COVID-19 pandemic, we focused on restoring the transcriptional response induced by infection. Utilizing expression patterns of SARS-CoV-2-infected cells, we identified a region in gene expression space that was unique to virus infection and inversely proportional to the transcriptional footprint of known compounds characterized in the Library of Integrated Network-based Cellular Signatures. Here we demonstrate the successful identification of compounds that display efficacy in blocking SARS-CoV-2 replication based on their ability to counteract the virus-induced transcriptional landscape. These compounds were found to potently reduce viral load despite having no impact on viral entry or modulation of the host antiviral response in the absence of virus. RNA-Seq profiling implicated the induction of the cholesterol biosynthesis pathway as the underlying mechanism of inhibition and suggested that targeting this aspect of host biology may significantly reduce SARS-CoV-2 viral load.

Summary Paragraph The SARS-CoV-2 virus has caused already over 3.5 million COVID-19 cases and 250,000 deaths globally. There is an urgent need to create novel models to study SARS-CoV-2 using human disease-relevant cells to understand key features of virus biology and facilitate drug screening. As primary SARS-CoV-2 infection is respiratory-based, we developed a lung organoid model using human pluripotent stem cells (hPSCs) that could be adapted for drug screens. The lung organoids, particularly aveolar type II cells, express ACE2 and are permissive to SARS-CoV-2 infection. Transcriptomic analysis following SARS-CoV-2 infection revealed a robust induction of chemokines and cytokines with little type I/III interferon signaling, similar to that observed amongst human COVID-19 pulmonary infections. We performed a high throughput screen using hPSC-derived lung organoids and identified FDA-approved drug candidates, including imatinib and mycophenolic acid, as inhibitors of SARS-CoV-2 entry. Pre- or post-treatment with these drugs at physiologically relevant levels decreased SARS-CoV-2 infection of hPSC-derived lung organoids. Together, these data demonstrate that hPSC-derived lung cells infected by SARS-CoV-2 can model human COVID-19 disease and provide a valuable resource to screen for FDA-approved drugs that might be repurposed and should be considered for COVID-19 clinical trials.