After tissue injury, inflammatory cells are rapidly recruited to the wound where they clear microbes and other debris, and coordinate the behaviour of other cell lineages at the repair site in both positive and negative ways. In this study, we take advantage of the translucency and genetic tractability of zebrafish to evaluate the feasibility of reprogramming innate immune cells in vivo with cargo-loaded protocells and investigate how this alters the inflammatory response in the context of skin and skeletal repair. Using live imaging we show that protocells loaded with R848 cargo (which targets TLR7/8 signalling), are engulfed by macrophages resulting in their switching to a pro-inflammatory phenotype and altering their regulation of angiogenesis, collagen deposition and re-epithelialization during skin wound healing, as well as dampening osteoblast and osteoclast recruitment and bone mineralization during fracture repair. For infected skin wounds, R848-reprogrammed macrophages exhibited enhanced bactericidal activities leading to improved healing. We replicated our zebrafish studies in cultured human macrophages, and showed that R848-loaded protocells similarly reprogramme human cells, indicating how this strategy might be used to modulate wound inflammation in the clinic.

Abstract Macrophages are key modulators of immunity, tissue homeostasis and disease development. As our understanding of macrophage biology and their tissue specific behaviors grow the necessity to model macrophages within a 3D biomimetic environment becomes increasingly apparent. Numerous hydrogels have been developed and explored for this purpose, extracellular matrix (ECM) mimicking hydrogels gaining a special interest. In this study, we present the use of such a hydrogel composed of collagen and hyaluronic acid (HA), two of the major ECM components, for the 3D culture of macrophages to model their role in different tissues and diseases. We demonstrate the ability to tailor the mechanical properties of the hydrogel through formulation modulation. Human macrophages retain morphology, viability, and expression of key cell surface markers when 3D cultured within the hydrogel. Interestingly, we demonstrate in this work, that independent of mechanical properties, by adjusting the composition of the hydrogel, specifically HA molecular weight, we can steer macrophage polarization towards either a pro-inflammatory or anti-inflammatory phenotype. This HA-dependent modulation of macrophage behavior is nullified if the HA is chemically crosslinked, shedding light on the impact of one of the most commonly used preparation methods for collagen-HA hydrogels on macrophage behavior. Graphical abstract Hyaluronic acid (HA) is an extracellular matrix component, which can modulate the polarization of macrophages. The chemical crosslinking of HA to hydrogel scaffolds counteracts the cell signaling role of this molecule, preventing HA from modulating the immune polarization of macrophages within the model. Key points Collagen-HA hydrogels form suitable biomimetic niches for the 3D culture of human macrophages in which hydrogel composition modulates macrophage phenotype, specifically the presence and molecular weight of HA. Polarization of macrophage phenotype by HA is nullified if HA is chemically cross-linked within the hydrogel.