Description of macrophage activation is currently contentious and confusing. Like the biblical Tower of Babel, macrophage activation encompasses a panoply of descriptors used in different ways. The lack of consensus on how to define macrophage activation in experiments in vitro and in vivo impedes progress in multiple ways, including the fact that many researchers still consider there to be only two types of activated macrophages, often termed M1 and M2. Here, we describe a set of standards encompassing three principles-the source of macrophages, definition of the activators, and a consensus collection of markers to describe macrophage activation-with the goal of unifying experimental standards for diverse experimental scenarios. Collectively, we propose a common framework for macrophage-activation nomenclature.

Immunity against the intracellular protozoan Toxoplasma gondii is highly dependent on interferon gamma (IFN-gamma). We have previously shown that, in addition to T lymphocytes, natural killer (NK) cells can be stimulated by the parasite to produce this cytokine by a reaction requiring adherent accessory cells and tumor necrosis factor alpha. We now demonstrate that a recently characterized cytokine, interleukin 12 (IL-12), is also necessary for parasite-induced IFN-gamma synthesis by NK cells. Anti-IL-12 antibodies completely inhibited T. gondii or bacterial endotoxin-stimulated IFN-gamma production by NK-enriched spleen cells from severe combined immunodeficient mice. Moreover, potent NK cytokine responses were induced by the combination of IL-12 and tumor necrosis factor alpha. In addition, adherent spleen cells from scid/scid mice or thyoglycollate-elicited macrophages from BALB/c animals produced high levels of both IL-12 (p40) and tumor necrosis factor alpha mRNAs when exposed to either live tachyzoites, parasite extracts, or endotoxin, confirming that these cytokines are produced by accessory cells. Finally, in vivo studies showed that treatment with recombinant IL-12 results in prolonged survival of scid mice after infection with T. gondii by means of a response dependent on both IFN-gamma and NK cells. Together the data argue that IL-12 is required for the T-cell-independent triggering of NK cells by intracellular parasites and that the cytokine may be useful for inducing this protective pathway in immunodeficient hosts.

Macrophage-specific expression of Arginase-1 is commonly believed to promote inflammation, fibrosis, and wound healing by enhancing L-proline, polyamine, and Th2 cytokine production. Here, however, we show that macrophage-specific Arg1 functions as an inhibitor of inflammation and fibrosis following infection with the Th2-inducing pathogen Schistosoma mansoni. Although susceptibility to infection was not affected by the conditional deletion of Arg1 in macrophages, Arg1−/flox;LysMcre mice died at an accelerated rate. The mortality was not due to acute Th1/NOS2-mediated hepatotoxicity or endotoxemia. Instead, granulomatous inflammation, liver fibrosis, and portal hypertension increased in infected Arg1−/flox;LysMcre mice. Similar findings were obtained with Arg1flox/flox;Tie2cre mice, which delete Arg1 in all macrophage populations. Production of Th2 cytokines increased in the infected Arg1−/flox;LysMcre mice, and unlike alternatively activated wild-type macrophages, Arg1−/flox;LysMcre macrophages failed to inhibit T cell proliferation in vitro, providing an underlying mechanism for the exacerbated Th2 pathology. The suppressive activity of Arg1-expressing macrophages was independent of IL-10 and TGF-β1. However, when exogenous L-arginine was provided, T cell proliferation was restored, suggesting that Arg1-expressing macrophages deplete arginine, which is required to sustain CD4+ T cell responses. These data identify Arg1 as the essential suppressive mediator of alternatively activated macrophages (AAM) and demonstrate that Arg1-expressing macrophages function as suppressors rather than inducers of Th2-dependent inflammation and fibrosis.

Type 2 cytokines regulate fibrotic liver pathology in mice infected with Schistosoma mansoni. Switching the immune response to a type 1-dominant reaction has proven highly effective at reducing the pathologic response. Activation of NOS-2 is critical, because type 1-deviated/NO synthase 2 (NOS-2)-deficient mice completely fail to control their response. Here, we demonstrate the differential regulation of NOS-2 and arginase type 1 (Arg-1) by type 1/type 2 cytokines in vivo and for the first time show a critical role for arginase in the pathogenesis of schistosomiasis. Using cytokine-deficient mice and two granuloma models, we show that induction of Arg-1 is type 2 cytokine dependent. Schistosome eggs induce Arg-1, while Mycobacterium avium-infected mice develop a dominant NOS-2 response. IFN-gamma suppresses Arg-1 activity, because type 1 polarized IL-4/IL-10-deficient, IL-4/IL-13-deficient, and egg/IL-12-sensitized animals fail to up-regulate Arg-1 following egg exposure. Notably, granuloma size decreases in these type-1-deviated/Arg-1-unresponsive mice, suggesting an important regulatory role for Arg-1 in schistosome egg-induced pathology. To test this hypothesis, we administered difluoromethylornithine to block ornithine-aminodecarboxylase, which uses the product of arginine metabolism, L-ornithine, to generate polyamines. Strikingly, granuloma size and hepatic fibrosis increased in the ornithine-aminodecarboxylase-inhibited mice. Furthermore, we show that type 2 cytokine-stimulated macrophages produce proline under strict arginase control. Together, these data reveal an important regulatory role for the arginase biosynthetic pathway in the regulation of inflammation and demonstrate that differential activation of Arg-1/NOS-2 is a critical determinant in the pathogenesis of granuloma formation.

Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a destructive inflammatory disease with limited therapeutic options. To better understand the inflammatory responses that precede and concur with collagen deposition, we used three models of pulmonary fibrosis and identify a critical mechanistic role for IL-17A. After exposure to bleomycin (BLM), but not Schistosoma mansoni eggs, IL-17A produced by CD4+ and γδ+ T cells induced significant neutrophilia and pulmonary fibrosis. Studies conducted with C57BL/6 il17a−/− mice confirmed an essential role for IL-17A. Mechanistically, using ifnγ−/−, il10−/−, il10−/−il12p40−/−, and il10−/−il17a−/− mice and TGF-β blockade, we demonstrate that IL-17A–driven fibrosis is suppressed by IL-10 and facilitated by IFN-γ and IL-12/23p40. BLM-induced IL-17A production was also TGF-β dependent, and recombinant IL-17A–mediated fibrosis required TGF-β, suggesting cooperative roles for IL-17A and TGF-β in the development of fibrosis. Finally, we show that fibrosis induced by IL-1β, which mimics BLM-induced fibrosis, is also highly dependent on IL-17A. IL-17A and IL-1β were also increased in the bronchoalveolar lavage fluid of patients with IPF. Together, these studies identify a critical role for IL-17A in fibrosis, illustrating the potential utility of targeting IL-17A in the treatment of drug and inflammation-induced fibrosis.

Classically activated macrophages are targets of intracellular bacteria such as Mycobacteria tuberculosis. Murray and colleagues find that such pathogens induce arginase 1 in these macrophages to block the production of antibacterial nitric oxide. Toll-like receptor (TLR) signaling in macrophages is required for antipathogen responses, including the biosynthesis of nitric oxide from arginine, and is essential for immunity to Mycobacterium tuberculosis, Toxoplasma gondii and other intracellular pathogens. Here we report a 'loophole' in the TLR pathway that is advantageous to these pathogens. Intracellular pathogens induced expression of the arginine hydrolytic enzyme arginase 1 (Arg1) in mouse macrophages through the TLR pathway. In contrast to diseases dominated by T helper type 2 responses in which Arg1 expression is greatly increased by interleukin 4 and 13 signaling through the transcription factor STAT6, TLR-mediated Arg1 induction was independent of the STAT6 pathway. Specific elimination of Arg1 in macrophages favored host survival during T. gondii infection and decreased lung bacterial load during tuberculosis infection.

In schistosomiasis, chronic parasite egg-induced granuloma formation can lead to tissue destruction and fibrosis, which causes much of the morbidity and mortality associated with this disease. Here we show the importance of IL-13 in the pathogenesis of schistosomiasis, and demonstrate, perhaps for the first time, the therapeutic efficacy of an IL-13 inhibitor, sIL-13Ralpha2-Fc, in the control of hepatic fibrosis. T-helper type 2 (Th2) cytokines dominate the immune response in mice infected with Schistosoma mansoni, yet the specific contributions of IL-13 and IL-4 to the development of fibrosis were not previously investigated. Our studies demonstrate that both cytokines play redundant roles in granuloma formation, which explains the ability of IL-4-deficient mice to form granulomas around eggs. More importantly, however, these studies demonstrate that IL-13 is the dominant Th2-type cytokine regulating fibrosis. IL-13 stimulated collagen production in fibroblasts, and procollagen I and procollagen III mRNA expression was decreased in sIL-13Ralpha2-Fc-treated mice. Moreover, the reduction in fibrosis observed in IL-4-deficient mice was much less pronounced than that in sIL-13Ralpha2-Fc-treated animals. Fibrosis is a major pathological manifestation of a number of allergic, autoimmune, and infectious diseases. Thus, our findings provide evidence that IL-13 inhibitors may be of general therapeutic benefit in preventing damaging tissue fibrosis resulting from Th2-dominated inflammatory responses.

Although interferon γ (IFN-γ) secretion is essential for control of most intracellular pathogens, host survival often also depends on the expression of interleukin 10 (IL-10), a cytokine known to counteract IFN-γ effector functions. We analyzed the source of regulatory IL-10 in mice infected with the protozoan parasite Toxoplasma gondii. Unexpectedly, IFN-γ–secreting T-bet+Foxp3− T helper type 1 (Th1) cells were found to be the major producers of IL-10 in these animals. Further analysis revealed that the same IL-10+IFN-γγ population displayed potent effector function against the parasite while, paradoxically, also inducing profound suppression of IL-12 production by antigen-presenting cells. Although at any given time point only a fraction of the cells appeared to simultaneously produce IL-10 and IFN-γ, IL-10 production could be stimulated in IL-10−IFN-γ+ cells by further activation in vitro. In addition, experiments with T. gondii–specific IL-10+IFN-γ+ CD4 clones revealed that although IFN-γ expression is imprinted and triggered with similar kinetics regardless of the state of Th1 cell activation, IL-10 secretion is induced more rapidly from recently activated than from resting cells. These findings indicate that IL-10 production by CD4+ T lymphocytes need not involve a distinct regulatory Th cell subset but can be generated in Th1 cells as part of the effector response to intracellular pathogens.

Some pathogens (e.g., Mycobacterium tuberculosis, Toxoplasma gondii, Leishmania spp) have been shown to persist in their host after clinical cure, establishing the risk of disease reactivation. We analyzed the conditions necessary for the long term maintenance of Leishmania major in genetically resistant C57BL/6 mice after spontaneous healing of their dermal lesions. Interleukin (IL)-10 was found to play an essential role in parasite persistence as sterile cure was achieved in IL-10-deficient and IL-4/IL-10 double-deficient mice. The requirement for IL-10 in establishing latency associated with natural infection was confirmed in IL-10-deficient mice challenged by bite of infected sand flies. The host-parasite equilibrium was maintained by CD4+ and CD8+ T cells which were each able to release IL-10 or interferon (IFN)-gamma, and were found to accumulate in chronic sites of infection, including the skin and draining lymph node. A high frequency of the dermal CD4+ T cells released both IL-10 and IFN-gamma. Wild-type mice treated transiently during the chronic phase with anti-IL-10 receptor antibodies achieved sterile cure, suggesting a novel therapeutic approach to eliminate latency, infection reservoirs, and the risk of reactivation disease.

Infection with HIV results in an incremental loss of T helper cell (TH) function, which can occur years before CD4 cell numbers are critically reduced and AIDS is diagnosed. All TH function is not affected, however, because B cell activation and hypergammaglobulinema are also characteristic of this period. Recently, in a murine model of AIDS an early loss in production of the CD4 cytokines IL-2 and IFN-gamma was correlated with an increase in the B cell stimulatory cytokines IL-4, IL-5, and IL-10. We therefore assessed the production of IL-4 generated by PBL from HIV-seropositive (HIV+) individuals who did not have AIDS, yet who exhibited different TH functional categories based on their IL-2 production profiles. We observed that the decreases in recall antigen-stimulated IL-2 production were accompanied by an increase in IL-4 production. The loss of recall antigen-stimulated responses in HIV+ individuals could be reversed in vitro by anti-IL-4 antibody. Our results suggest that the TH functions assessed by IL-4 production replace the normally dominant TH function of antigen-stimulated IL-2 production in the progression toward AIDS, and raise the possibility of cytokine cross-regulation in AIDS therapy.