The hypoxic response is an ancient stress response triggered by low ambient oxygen (O2) (ref. 1) and controlled by hypoxia-inducible transcription factor-1 (HIF-1), whose alpha subunit is rapidly degraded under normoxia but stabilized when O2-dependent prolyl hydroxylases (PHDs) that target its O2-dependent degradation domain are inhibited. Thus, the amount of HIF-1alpha, which controls genes involved in energy metabolism and angiogenesis, is regulated post-translationally. Another ancient stress response is the innate immune response, regulated by several transcription factors, among which NF-kappaB plays a central role. NF-kappaB activation is controlled by IkappaB kinases (IKK), mainly IKK-beta, needed for phosphorylation-induced degradation of IkappaB inhibitors in response to infection and inflammation. IKK-beta is modestly activated in hypoxic cell cultures when PHDs that attenuate its activation are inhibited. However, defining the relationship between NF-kappaB and HIF-1alpha has proven elusive. Using in vitro systems, it was reported that HIF-1alpha activates NF-kappaB, that NF-kappaB controls HIF-1alpha transcription and that HIF-1alpha activation may be concurrent with inhibition of NF-kappaB. Here we show, with the use of mice lacking IKK-beta in different cell types, that NF-kappaB is a critical transcriptional activator of HIF-1alpha and that basal NF-kappaB activity is required for HIF-1alpha protein accumulation under hypoxia in cultured cells and in the liver and brain of hypoxic animals. IKK-beta deficiency results in defective induction of HIF-1alpha target genes including vascular endothelial growth factor. IKK-beta is also essential for HIF-1alpha accumulation in macrophages experiencing a bacterial infection. Hence, IKK-beta is an important physiological contributor to the hypoxic response, linking it to innate immunity and inflammation.

Cells must amplify external signals to orient and migrate in chemotactic gradient fields. We find that human neutrophils release adenosine triphosphate (ATP) from the leading edge of the cell surface to amplify chemotactic signals and direct cell orientation by feedback through P2Y2 nucleotide receptors. Neutrophils rapidly hydrolyze released ATP to adenosine that then acts via A3-type adenosine receptors, which are recruited to the leading edge, to promote cell migration. Thus, ATP release and autocrine feedback through P2Y2 and A3 receptors provide signal amplification, controlling gradient sensing and migration of neutrophils.

Iron is essential for many biological processes, including oxygen delivery, and its supply is tightly regulated. Hepcidin, a small peptide synthesized in the liver, is a key regulator of iron absorption and homeostasis in mammals. Hepcidin production is increased by iron overload and decreased by anemia and hypoxia; but the molecular mechanisms that govern the hepcidin response to these stimuli are not known. Here we establish that the von Hippel–Lindau/hypoxia-inducible transcription factor (VHL/HIF) pathway is an essential link between iron homeostasis and hepcidin regulation in vivo. Through coordinate downregulation of hepcidin and upregulation of erythropoietin and ferroportin, the VHL-HIF pathway mobilizes iron to support erythrocyte production.

Abstract Sepsis, the leading cause of death in intensive care units, reflects a detrimental host response to infection in which bacteria or LPS act as potent activators of immune cells, including monocytes and macrophages. In this report, we show that LPS raises the level of the transcriptional regulator hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) in macrophages, increasing HIF-1α and decreasing prolyl hydroxylase mRNA production in a TLR4-dependent fashion. Using murine conditional gene targeting of HIF-1α in the myeloid lineage, we demonstrate that HIF-1α is a critical determinant of the sepsis phenotype. HIF-1α promotes the production of inflammatory cytokines, including TNF-α, IL-1, IL-4, IL-6, and IL-12, that reach harmful levels in the host during early sepsis. HIF-1α deletion in macrophages is protective against LPS-induced mortality and blocks the development of clinical markers including hypotension and hypothermia. Inhibition of HIF-1α activity may thus represent a novel therapeutic target for LPS-induced sepsis.

Statins are inhibitors of 3-hydroxy 3-methylglutaryl coenzyme A (HMG-CoA) reductase, the rate-limiting enzyme in cholesterol biosynthesis. Recent clinico-epidemiologic studies correlate patients receiving statin therapy with having reduced mortality associated with severe bacterial infection. Investigating the effect of statins on the innate immune capacity of phagocytic cells against the human pathogen Staphylococcus aureus, we uncovered a beneficial effect of statins on bacterial clearance by phagocytes, although, paradoxically, both phagocytosis and oxidative burst were inhibited. Probing instead for an extracellular mechanism of killing, we found that statins boosted the production of antibacterial DNA-based extracellular traps (ETs) by human and murine neutrophils and also monocytes/macrophages. The effect of statins to induce phagocyte ETs was linked to sterol pathway inhibition. We conclude that a drug therapy taken chronically by millions alters the functional behavior of phagocytic cells, which could have ramifications for susceptibility and response to bacterial infections in these patients.

BackgroundWhereas severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-specific antibody tests are increasingly being used to estimate the prevalence of SARS-CoV-2 infection, the determinants of these antibody responses remain unclear.ObjectivesOur aim was to evaluate systemic and mucosal antibody responses toward SARS-CoV-2 in mild versus severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases.MethodsUsing immunoassays specific for SARS-CoV-2 spike proteins, we determined SARS-CoV-2–specific IgA and IgG in sera and mucosal fluids of 2 cohorts, including SARS-CoV-2 PCR-positive patients (n = 64) and PCR-positive and PCR-negtive health care workers (n = 109).ResultsSARS-CoV-2–specific serum IgA titers in patients with mild COVID-19 were often transiently positive, whereas serum IgG titers remained negative or became positive 12 to 14 days after symptom onset. Conversely, patients with severe COVID-19 showed a highly significant increase of SARS-CoV-2–specific serum IgA and IgG titers after symptom onset. Very high titers of SARS-CoV-2–specific serum IgA were correlated with severe acute respiratory distress syndrome. Interestingly, some health care workers with negative SARS-CoV-2–specific serum antibody titers showed SARS-CoV-2–specific IgA in mucosal fluids with virus-neutralizing capacity in some cases. SARS-CoV-2–specific IgA titers in nasal fluids were inversely correlated with age.ConclusionsSystemic antibody production against SARS-CoV-2 develops mainly in patients with severe COVID-19, with very high IgA titers seen in patients with severe acute respiratory distress syndrome, whereas mild disease may be associated with transient production of SARS-CoV-2–specific antibodies but may stimulate mucosal SARS-CoV-2–specific IgA secretion. Whereas severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-specific antibody tests are increasingly being used to estimate the prevalence of SARS-CoV-2 infection, the determinants of these antibody responses remain unclear. Our aim was to evaluate systemic and mucosal antibody responses toward SARS-CoV-2 in mild versus severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases. Using immunoassays specific for SARS-CoV-2 spike proteins, we determined SARS-CoV-2–specific IgA and IgG in sera and mucosal fluids of 2 cohorts, including SARS-CoV-2 PCR-positive patients (n = 64) and PCR-positive and PCR-negtive health care workers (n = 109). SARS-CoV-2–specific serum IgA titers in patients with mild COVID-19 were often transiently positive, whereas serum IgG titers remained negative or became positive 12 to 14 days after symptom onset. Conversely, patients with severe COVID-19 showed a highly significant increase of SARS-CoV-2–specific serum IgA and IgG titers after symptom onset. Very high titers of SARS-CoV-2–specific serum IgA were correlated with severe acute respiratory distress syndrome. Interestingly, some health care workers with negative SARS-CoV-2–specific serum antibody titers showed SARS-CoV-2–specific IgA in mucosal fluids with virus-neutralizing capacity in some cases. SARS-CoV-2–specific IgA titers in nasal fluids were inversely correlated with age. Systemic antibody production against SARS-CoV-2 develops mainly in patients with severe COVID-19, with very high IgA titers seen in patients with severe acute respiratory distress syndrome, whereas mild disease may be associated with transient production of SARS-CoV-2–specific antibodies but may stimulate mucosal SARS-CoV-2–specific IgA secretion.

Hepcidin is an antimicrobial peptide secreted by the liver during inflammation that plays a central role in mammalian iron homeostasis. Here we demonstrate the endogenous expression of hepcidin by macrophages and neutrophils in vitro and in vivo. These myeloid cell types produced hepcidin in response to bacterial pathogens in a toll-like receptor 4 (TLR4)-dependent fashion. Conversely, bacterial stimulation of macrophages triggered a TLR4-dependent reduction in the iron exporter ferroportin. In vivo, intraperitoneal challenge with Pseudomonas aeruginosa induced TLR4-dependent hepcidin expression and iron deposition in splenic macrophages, findings mirrored in subcutaneous infection with group A Streptococcus where hepcidin induction was further observed in neutrophils migrating to the tissue site of infection. Hepcidin expression in cultured hepatocytes or in the livers of mice infected with bacteria was independent of TLR4, suggesting the TLR4-hepcidin pathway is restricted to myeloid cell types. Our findings identify endogenous myeloid cell hepcidin production as a previously unrecognized component of the host response to bacterial pathogens.

Sepsis is characterized by a dysregulated inflammatory response to infection. Despite studies in mice, the cellular and molecular basis of human sepsis remains unclear and effective therapies are lacking. Blood monocytes serve as the first line of host defense and are equipped to recognize and respond to infection by triggering an immune-inflammatory response. However, the response of these cells in human sepsis and their contribution to sepsis pathogenesis is poorly understood. To investigate this, we performed a transcriptomic, functional, and mechanistic analysis of blood monocytes from patients during sepsis and after recovery. Our results revealed the functional plasticity of monocytes during human sepsis, wherein they transited from a pro-inflammatory to an immunosuppressive phenotype, while enhancing protective functions like phagocytosis, anti-microbial activity, and tissue remodeling. Mechanistically, hypoxia inducible factor-1α (HIF1α) mediated this functional re-programming of monocytes, revealing a potential mechanism for their therapeutic targeting to regulate human sepsis.

Pacemakers, implantable cardiac defibrillators, and cardiac resynchronization therapy devices are potentially life-saving treatments for a number of cardiac conditions, but are not without risk. Most concerning is the risk of a cardiac implantable electronic device (CIED) infection, which is associated with significant morbidity, increased hospitalizations, reduced survival, and increased healthcare costs. Recommended preventive strategies such as administration of intravenous antibiotics before implantation are well recognized. Uncertainties have remained about the role of various preventive, diagnostic, and treatment measures such as skin antiseptics, pocket antibiotic solutions, anti-bacterial envelopes, prolonged antibiotics post-implantation, and others. Guidance on whether to use novel device alternatives expected to be less prone to infections and novel oral anticoagulants is also limited, as are definitions on minimum quality requirements for centres and operators and volumes. Moreover, an international consensus document on management of CIED infections is lacking. The recognition of these issues, the dissemination of results from important randomized trials focusing on prevention of CIED infections, and observed divergences in managing device-related infections as found in an European Heart Rhythm Association worldwide survey, provided a strong incentive for a 2019 International State-of-the-art Consensus document on risk assessment, prevention, diagnosis, and treatment of CIED infections.

Abstract Pacemakers, implantable cardiac defibrillators, and cardiac resynchronization therapy devices are potentially life-saving treatments for a number of cardiac conditions, but are not without risk. Most concerning is the risk of a cardiac implantable electronic device (CIED) infection, which is associated with significant morbidity, increased hospitalizations, reduced survival, and increased healthcare costs. Recommended preventive strategies such as administration of intravenous antibiotics before implantation are well recognized. Uncertainties have remained about the role of various preventive, diagnostic, and treatment measures such as skin antiseptics, pocket antibiotic solutions, anti-bacterial envelopes, prolonged antibiotics post-implantation, and others. Guidance on whether to use novel device alternatives expected to be less prone to infections and novel oral anticoagulants is also limited, as are definitions on minimum quality requirements for centres and operators and volumes. Moreover, an international consensus document on management of CIED infections is lacking. The recognition of these issues, the dissemination of results from important randomized trials focusing on prevention of CIED infections, and observed divergences in managing device-related infections as found in an European Heart Rhythm Association worldwide survey, provided a strong incentive for a 2019 International State-of-the-art Consensus document on risk assessment, prevention, diagnosis, and treatment of CIED infections.