The molecular components of inflammasomes and what they sense are poorly defined. Vance and colleagues now show the carboxy-terminal 35 amino acids of flagellin activate the inflammasome in a Naip5-dependent way. Inflammasomes are cytosolic multiprotein complexes that sense microbial infection and trigger cytokine production and cell death. However, the molecular components of inflammasomes and what they sense remain poorly defined. Here we demonstrate that 35 amino acids of the carboxyl terminus of flagellin triggered inflammasome activation in the absence of bacterial contaminants or secretion systems. To further elucidate the host flagellin-sensing pathway, we generated mice deficient in the intracellular sensor Naip5. These mice failed to activate the inflammasome in response to the 35 amino acids of flagellin or in response to Legionella pneumophila infection. Our data clarify the molecular basis for the cytosolic response to flagellin.

ABSTRACT Motile cells migrate directionally in the electric field in a process known as galvanotaxis. Galvanotaxis is important in wound healing, development, cell division, and nerve growth. Different cell types migrate in opposite directions in electric fields, to either cathode, or anode, and the same cell can switch the directionality depending on chemical conditions. We previously reported that individual fish keratocyte cells sense electric fields and migrate to the cathode, while inhibition of PI3K reverses single cells to the anode. Many physiological processes rely on collective, not individual, cell migration, so here we report on directional migration of cohesive cell groups in electric fields. Uninhibited cell groups of any size move to the cathode, with speed decreasing and directionality increasing with the group size. Surprisingly, large groups of PI3K-inhibited cells move to the cathode, in the direction opposite to that of individual cells, which move to the anode, while such small groups are not persistently directional. In the large groups, cells’ velocities are distributed unevenly: the fastest cells are at the front of the uninhibited groups, but at the middle and rear of the PI3K-inhibited groups. Our results are most consistent with the hypothesis, supported by the computational model, that cells inside and at the edge of the groups interpret directional signals differently. Namely, cells in the group interior are directed to the cathode independently of their chemical state. Meanwhile, edge cells behave like the individual cells: they are directed to the cathode/anode in uninhibited/PI3K-inhibited groups, respectively. As a result, all cells drive uninhibited groups to the cathode, but a mechanical tug-of-war between the inner and edge cells directs large PI3K-inhibited groups with cell majority in the interior to the cathode, while rendering small groups non-directional. Significance statement Motile cells migrate directionally in electric fields. This behavior – galvanotaxis – is important in many physiological phenomena. Individual fish keratocytes migrate to the cathode, while inhibition of PI3K reverses single cells to the anode. Uninhibited cell groups move to the cathode. Surprisingly, large groups of PI3K-inhibited cells also move to the cathode, in the direction opposite to that of individual cells. The fastest cells are at the front of the uninhibited groups, but at the middle and rear of the PI3K-inhibited groups. We posit that inner and edge cells interpret directional signals differently, and that a tug-of-war between the edge and inner cells directs the cell groups. These results shed light on general principles of collective cell migration.

The lithium-niobate-on-insulator (LNOI) platform has recently emerged as a promising candidate for advanced photonic functions due to its excellent electro-optic coefficient. However, there remain some challenges associated with the etching of LNOI, which typically results in a decreased performance of the fabricated devices. For instance, fabrication errors may reduce the bandwidth of the mode multiplexer and demultiplexer (MMUX/DEMMUX), thereby limiting the capacity of the communication transmission. In this study, a four-channel broadband MMUX/DEMMUX based on an LNOI strip waveguide is experimentally demonstrated by employing an asymmetrical directional coupler structure. To avoid phase mismatch caused by etching depth error, an LNOI strip waveguide was introduced instead of a ridge waveguide. Additionally, an auxiliary spiral loss line was introduced to consume the residual energy of incomplete coupling due to fabrication error and ensure the low crosstalk of the device. Experimental results show that the device achieves a bandwidth exceeding 130 nm with a crosstalk of less than −10.6 dB, making it achieve the largest multiplexing bandwidth reported for LNOI-based platforms. Furthermore, a clear eye diagram at 64 Gbps demonstrates the capability for the high-speed communication offered by the fabricated device.

Abstract The motility of macrophages in response to microenvironment stimuli is a hallmark of innate immunity, where macrophages play pro-inflammatory or pro-reparatory roles depending on their activation status during wound healing. Cell size and shape have been informative in defining macrophage subtypes. Studies show pro and anti-inflammatory macrophages exhibit distinct migratory behaviors, in vitro , in 3D and in vivo but this link has not been rigorously studied. We apply both morphology and motility-based image processing approaches to analyze live cell images consisting of macrophage phenotypes. Macrophage subtypes are differentiated from primary murine bone marrow derived macrophages using a potent lipopolysaccharide (LPS) or cytokine interleukin-4 (IL-4). We show that morphology is tightly linked to motility, which leads to our hypothesis that motility analysis could be used alone or in conjunction with morphological features for improved prediction of macrophage subtypes. We train a support vector machine (SVM) classifier to predict macrophage subtypes based on morphology alone, motility alone, and both morphology and motility combined. We show that motility has comparable predictive capabilities as morphology. However, using both measures can enhance predictive capabilities. While motility and morphological features can be individually ambiguous identifiers, together they provide significantly improved prediction accuracies (75%) from a training dataset of ∼1000 cells tracked over time using only phase contrast time-lapse microscopy. Thus, the approach combining cell motility and cell morphology information can lead to methods that accurately assess functionally diverse macrophage phenotypes quickly and efficiently. This can support the development of cost efficient and high through-put methods for screening biochemicals targeting macrophage polarization. Significance Previous work has shown that macrophage phenotypes can be distinguished by their morphological characteristics. We extend this work to show that distinct motility patterns are linked to macrophage morphology. Thus, motility patterns can be used to differentiate phenotypes. This can enable high-throughput classification of cell phenotypes without regard for the high-resolution images needed to quantify morphological characteristics. Furthermore, combining motility-based features with morphological information improves prediction of macrophage subtypes by a machine learning based classification model.

Many bacterial pathogens hijack macrophages to egress from the port of entry to the lymphatic/blood-stream, causing dissemination of life-threatening infections. However, the underlying mechanisms are not well understood. Here, we report that Salmonella infection generates directional electric fields (EF) in the follicle-associated epithelium of mouse cecum. In vitro application of an EF, mimicking the infection-generated electric field (IGEF), induces directional migration of primary mouse macrophages to the anode, which is reversed to the cathode upon Salmonella infection. This infection-dependent directional switch is independent of the Salmonella pathogenicity island 1 (SPI-1) type III secretion system. The switch is accompanied by a reduction of sialic acids on glycosylated surface components during phagocytosis of bacteria, which is absent in macrophages challenged by microspheres. Moreover, enzymatic cleavage of terminally exposed sialic acids reduces macrophage surface negativity and severely impairs directional migration of macrophages in response to EF. Based on these findings, we propose that macrophages are attracted to the site of infection by a combination of chemotaxis and galvanotaxis; after phagocytosis of bacteria, surface electrical properties of the macrophage change, and galvanotaxis directs the cells away from the site of infection.

Summary Directional migration initiated at the wound edge leads epithelial sheets to migrate in wound healing. How such coherent migration is achieved is not well understood. Here we used electric fields to induce robust migration of sheets of human keratinocytes and developed an in silico model to characterize initiation and propagation of epithelial collective migration. Electric fields initiate increase in migrations directionality and speed at the leading edge. The increases propagate across the epithelial sheets, resulting in directional migration of cell sheets as coherent units. Both the experimental and in silico models demonstrated vector-like integration of the electric and default directional cues at the free edge in space and time. The resultant collective migration is remarkably consistent in experiments and modeling, both qualitatively and quantitatively. The keratinocyte model thus faithfully reflects key features of epithelial migration as a coherent tissue in vivo , e.g. that leading cells lead, and that epithelium maintains cell- cell junction.

ABSTRACT Motile cells migrate directionally in the electric field in a process known as galvanotaxis, important and under-investigated phenomenon in wound healing and development. We previously reported that individual fish keratocyte cells migrate to the cathode in electric fields, that inhibition of PI3 kinase reverses single cells to the anode, and that large cohesive groups of either unperturbed or PI3K-inhibited cells migrate to the cathode. Here we find that small uninhibited cell groups move to the cathode, while small groups of PI3K-inhibited cells move to the anode. Small groups move faster than large groups, and groups of unperturbed cells move faster than PI3K-inhibited cell groups of comparable sizes. Shapes and sizes of large groups change little when they start migrating, while size and shapes of small groups change significantly, lamellipodia disappear from the rear edges of these groups, and their shapes start to resemble giant single cells. Our results are consistent with the computational model, according to which cells inside and at the edge of the groups pool their propulsive forces to move but interpret directional signals differently. Namely, cells in the group interior are directed to the cathode independently of their chemical state. Meanwhile, the edge cells behave like individual cells: they are directed to the cathode/anode in uninhibited/PI3K-inhibited groups, respectively. As a result, all cells drive uninhibited groups to the cathode, while larger PI3K-inhibited groups are directed by cell majority in the group interior to the cathode, while majority of the edge cells in small groups win the tug-of-war driving these groups to the anode. Significance statement Motile cells migrate directionally in electric fields. This behavior – galvanotaxis – is important in many physiological phenomena. Individual fish keratocytes migrate to the cathode, while inhibition of PI3K reverses single cells to the anode. Uninhibited cell groups move to the cathode. Surprisingly, groups of PI3K-inhibited cells exhibit bidirectional behavior: larger/smaller groups move to the cathode/anode, respectively. A mechanical model suggests that inner and outer cells interpret directional signals differently, and that a tug-of-war between the outer and inner cells directs the cell groups. These results shed light on general principles of collective cell migration.

Abstract Background The incidence of early-stage lung adenocarcinoma (ES-LUAD) is steadily increasing among non-smokers. Previous research has identified dysbiosis in the gut microbiota of patients with lung cancer. However, the local microbial profile of non-smokers with ES-LUAD remains largely unknown. In this study, we systematically characterized the local microbial community and its associated features to enable early intervention. Methods A prospective collection of ES-LUAD samples (46 cases) and their corresponding normal tissues adjacent to the tumor (41 cases), along with normal lung tissue samples adjacent to pulmonary bullae in patients with spontaneous pneumothorax (42 cases), were subjected to ultra-deep metagenomic sequencing, host transcriptomic sequencing, and proteomic sequencing. The obtained omics data were subjected to both individual and integrated analysis using Spearman correlation coefficients. Results We concurrently detected the presence of bacteria, fungi, and viruses in the lung tissues. The microbial profile of ES-LUAD exhibited similarities to NAT but demonstrated significant differences from the healthy controls (HCs), characterized by an overall reduction in species diversity. Patients with ES-LUAD exhibited local microbial dysbiosis, suggesting the potential pathogenicity of certain microbial species. Through multi-omics correlations, intricate local crosstalk between the host and local microbial communities was observed. Additionally, we identified a significant positive correlation (rho > 0.6) between Methyloversatilis discipulorum and GOLM1 at both the transcriptional and protein levels using multi-omics data. This correlated axis may be associated with prognosis. Finally, a diagnostic model composed of six bacterial markers successfully achieved precise differentiation between patients with ES-LUAD and HCs. Conclusions Our study depicts the microbial spectrum in patients with ES-LUAD and provides evidence of alterations in lung microbiota and their interplay with the host, enhancing comprehension of the pathogenic mechanisms that underlie ES-LUAD. The specific model incorporating lung microbiota can serve as a potential diagnostic tool for distinguishing between ES-LUAD and HCs.

Potential systemic factors contributing to aging-associated breast cancer (BC) remain elusive. Here, we reveal that the polyploid giant cells (PGCs) that contain more than two sets of genomes prevailing in aging and cancerous tissues constitute 5-10% of healthy female bone marrow mesenchymal stromal cells (fBMSCs). The PGCs can repair DNA damage and stimulate neighboring cells for clonal expansion. However, dying PGCs in advanced-senescent fBMSCs can form "spikings" which are then separated into membraned mtDNA-containing vesicles (Senescent PGC-Spiking Bodies; SPSBs). SPSB-phagocytosed macrophages accelerate aging with diminished clearance on BC cells and protumor M2 polarization. SPSB-carried mitochondrial OXPHOS components are enriched in BC of elder patients and associated with poor prognosis. SPSB-incorporated breast epithelial cells develop aggressive characteristics and PGCs resembling the polyploid giant cancer cells (PGCCs) in clonogenic BC cells and cancer tissues. These findings highlight an aging BMSC-induced BC risk mediated by SPSB-induced macrophage dysfunction and epithelial cell precancerous transition.