# Modeling esophageal/respiratory birth defects in human pluripotent  stem cell (PSC)-derived fetal tissues

> **NIH NIH P01** · CINCINNATI CHILDRENS HOSP MED CTR · 2021 · $323,042

## Abstract

Summary: Modeling EA/TEF In Human PSC-­Derived Embryonic Tissues 
 
 
During  development  of  the  vertebrate  embryo,  a  common  foregut  tube  gives  rise  to  the  esophagus  and 
respiratory  tract  and  this  involves  an  array  of  complex  molecular  and  morphological  processes.  The  dorsal 
foregut tube forms the esophagus and the ventral domain forms the respiratory tract, and failure to do so can 
result in tracheaesophageal birth defects such as esophageal atresia and tracheoesophageal fistula (EA/TEF). 
As  discussed  in  project  2,  much  is  known  about  how  Wnt  and  BMP  signaling  promote  a  respiratory  fate  by 
activation  of  the  transcription  factor  Nkx2.1.  In  contrast,  little  is  known  about  pro-­esophageal  factors.  Mouse 
and  human  studies  demonstrate  that  the  HMG-­box  transcription  factor  Sox2  is  involved  in  segregation  of  the 
esophageal  and  respiratory  lineages,  however  whether  Sox2  promotes  an  esophageal  fate  or  acts 
predominantly to repress respiratory-­inducing pathways the dorsal foregut is unclear. We hypothesize that both 
mechanisms are involved in normal esophageal development. 
 
In  humans,  most  genes  that  cause  EA/TEF  remain  unidentified.  However,  heterozygous  mutations  in  SOX2 
can  cause  of  EA  and  TEF,  which  is  in  contrast  to  mice  with  heterozygous  loss  of  Sox2,  which  are  normal. 
Complete loss of Sox2 from the foregut endoderm of mouse embryos results in esophageal agenesis, however 
Sox2 is also expressed during development of the enteric nervous system (ENS) of the esophagus. Given that 
patients  with  EA  can  have  motility  defects,  we  hypothesize  some  EA-­associated  genes  may  affect  ENS 
development. However, a study of how EA-­associated mutations differentially affect the epithelium and/or ENS 
of  the  esophagus  has  never  been  done  in  any  species,  let  alone  humans.  We  propose  several  novel  PSC-­
based approaches to study how Sox2 and other EA-­associated genes impact Human esophagus specification, 
epithelial  morphogenesis,  and  functional  innervation  using  human  pluripotent  stem  cell-­derived  esophageal 
organoids with an enteric nervous system.   
 
In  this  project  we  aim  to  identify  the  mechanisms  underlying  esophageal  specification  and 
development in humans by first focusing on the key esophageal factor Sox2. We hypothesize that SOX2 
acts  both  to  repress  the  respiratory  lineage,  and  promote  an  esophageal  fate  via  an  unidentified  gene 
regulatory network. We will use a human PSC-­derived foregut model in combination with SOX2 gain-­ and loss-­
of-­function  to  identify  a  respiratory  GRN  that  is  repressed  by  SOX2  and  an  esophageal  GRN  that  is  SOX2-­
dependant. Conversely we will determine if NKX2.1 represses the esophageal fate. We will take advantage of 
the expandable nature of human foregut cultures to identify direct transcriptional targ...

## Key facts

- **NIH application ID:** 10174986
- **Project number:** 5P01HD093363-05
- **Recipient organization:** CINCINNATI CHILDRENS HOSP MED CTR
- **Principal Investigator:** James M Wells
- **Activity code:** P01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2021
- **Award amount:** $323,042
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2017-08-15 → 2022-05-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/10174986

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 10174986, Modeling esophageal/respiratory birth defects in human pluripotent  stem cell (PSC)-derived fetal tissues (5P01HD093363-05). Retrieved via AI Analytics 2026-05-23 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/10174986. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*