Abstract Neutrophils are rapidly recruited to inflammatory sites where they coordinate their migration to form clusters, a process termed neutrophil swarming. The factors which modulate neutrophil swarming during its early stages are not fully understood, requiring the development of new in vivo models. Using transgenic zebrafish larvae to study endogenous neutrophil migration in a tissue damage model, we demonstrate that neutrophil swarming is a conserved process in zebrafish immunity, sharing essential features with mammalian systems. We show that neutrophil swarms initially develop around a pioneer neutrophil, in a three-phase sequence of events. By adopting a high-resolution confocal microscopy approach, we observed the release of cell fragments by early swarming neutrophils. We developed a neutrophil specific histone H2A transgenic reporter line TgBAC(mpx:GFP)i114;Tg(lyz:H2A-mCherry)sh530 to study neutrophil extracellular traps (NETs), and found that endogenous neutrophils recruited to sites of tissue damage released NETs at the start of the swarming process. The optical transparency achieved using the zebrafish model has provided some of the highest resolution imaging of NET release in vivo to date. Using a combination of transgenic reporter lines and DNA intercalating agents, we demonstrate that pioneer neutrophils release extracellular traps during the swarming response, suggesting that cell death signalling via NETosis might be important in driving the swarming response.

Mononuclear phagocytes such as monocytes, tissue-specific macrophages and dendritic cells are primary actors in both innate and adaptive immunity, as well as tissue homoeostasis. They have key roles in a range of physiological and pathological processes, so any strategy targeting these cells will have wide-ranging impact. These phagocytes can be parasitized by intracellular bacteria, turning them from housekeepers to hiding places and favouring chronic and/or disseminated infection. One of the most infamous is the bacteria that cause tuberculosis, which is the most pandemic and one of the deadliest disease with one third of the world’s population infected, and 1.8 million deaths worldwide in 2015. Here we demonstrate the effective targeting and intracellular delivery of antibiotics to both circulating monocytes and resident macrophages, using pH sensitive nanoscopic polymersomes made of poly(2-(methacryloyloxy)ethyl phosphorylcholine)-co-poly(2-(di-isopropylamino)ethyl methacrylate) (PMPC-PDPA). Polymersome selectivity to mononuclear phagocytes is demonstrated and ascribed to the polymerised phosphorylcholine motifs affinity toward scavenger receptors. Finally, we demonstrate the successful exploitation of this targeting for the effective eradication of intracellular bacteria that cause tuberculosis Mycobacterium tuberculosis as well as other intracellular parasites including the Mycobacterium bovis, Mycobacterium marinum and the most common bacteria associated with antibiotic resistance, the Staphylococcus aureus .

ABSTRACT We used the zebrafish larval Mycobacterium marinum infection model of tuberculosis to develop image analysis software called QuantiFish, to enable rapid, objective quantitation of bacterial load and dissemination. Our analysis tools provide novel outcome measures of infection; the proportional distribution of bacteria between sites and their spatial distribution throughout the host. We anticipate the broader application of these parameters to other zebrafish models of infection and metastatic cancer.

Enterococcus faecalis is an opportunistic pathogen frequently causing nosocomial infections. The virulence of this organism is underpinned by its capacity to evade phagocytosis, allowing dissemination in the host. Immune evasion requires a surface polysaccharide produced by all enterococci, known as the Enterococcal Polysaccharide Antigen (EPA). EPA consists of a cell wall-anchored rhamnose backbone substituted by strain-specific polysaccharides called decorations, essential for the biological activity of this polymer. However, the structural determinants required for innate immune evasion remain unknown, partly due to a lack of suitable validated assays. Here, we describe a quantitative, in vitro assay to investigate how EPA decorations alter phagocytosis. Using the E. faecalis model strain OG1RF, we demonstrate that a mutant with a deletion of the locus encoding EPA decorations can be used as a platform strain to express heterologous decorations, thereby providing an experimental system to investigate the inhibition of phagocytosis by strain-specific decorations. We show that the aggregation of cells lacking decorations is increasing phagocytosis and that this process does not involve the recognition of lipoproteins by macrophages. Collectively, our work provides novel insights into innate immune evasion by enterococci and paves the way for further studies to explore the structure/function relationship of EPA decorations.

Abstract The innate immune response to inflammatory stimuli must be finely balanced to produce an appropriate pro-inflammatory response while allowing a subsequent return to homeostasis. In recent years, in vivo transgenic zebrafish models have shed light on the temporal regulation of the pro-inflammatory innate response to immune challenges. However, until now, there have been no zebrafish transgenic models of anti-inflammatory signalling. We compared existing expression data of arginase genes in zebrafish neutrophils and macrophages, strong candidates for an anti-inflammatory marker, and identified that arginase 2 is the most highly expressed Arginase in zebrafish immune cells. We developed an arginase 2 ( arg2 ) bacterial artificial chromosome (BAC) transgenic line, TgBAC(arg2:eGFP)sh571 , driving GFP expression under the control of the arg2 promoter. We show that, under resting conditions, arg2:GFP is expressed in ionocytes, matching the in situ hybridisation pattern. Upon immune challenge by injury, bacterial and fungal insults, arg2:GFP is predominantly expressed in neutrophils at early timepoints post-insult. Later in infections, arg2:GFP is expressed in cells associated with foci of infection (including neutrophils and macrophages), alongside liver expression. Our data indicate that arginase 2 is predominantly expressed in neutrophils after immune challenge and suggest that anti-inflammatory signals coincide with pro-inflammatory signals during early wound and infection responses.

Drug resistant mycobacteria are a rising problem worldwide. There is an urgent need to understand the immune response to TB to identify host targets that, if targeted therapeutically, could be used to tackle these currently untreatable infections. Here, we use an Il-1β; fluorescent transgenic line to show that there is an early innate immune pro-inflammatory response to well-established zebrafish models of inflammation and Mycobacterium marinum (Mm) infection. We demonstrate that host-derived hypoxia signalling, mediated by the Hif-1α; transcription factor, can prime macrophages with increased levels of Il-1β; in the absence of infection, upregulating neutrophil antimicrobial nitric oxide production, leading to greater protection against infection. Our data link Hif-1α; to proinflammatory macrophage Il-1β; transcription in vivo during early mycobacterial infection and importantly highlight a host protective mechanism, via antimicrobial nitric oxide, that decreases disease outcomes and that could be targeted therapeutically to stimulate the innate immune response to better deal with infections.

Abstract Tuberculosis is a major global health problem and is one of the top 10 causes of death worldwide. There is a pressing need for new treatments that circumvent emerging antibiotic resistance. Mycobacterium tuberculosis parasitises macrophages, reprogramming them to establish a niche in which to proliferate, therefore macrophage manipulation is a potential host-directed therapy if druggable molecular targets could be identified. The pseudokinase Tribbles1 (Trib1) regulates multiple innate immune processes and inflammatory profiles making it a potential drug target in infections. Trib1 controls macrophage function, cytokine production and macrophage polarisation. Despite wide-ranging effects on leukocyte biology, data exploring the roles of Tribbles in infection in vivo are limited. Here, we identify that human Tribbles 1 is expressed in monocytes and is upregulated at the transcript level after stimulation with mycobacterial antigen. To investigate the mechanistic roles of Tribbles in the host response to mycobacteria in vivo , we used a zebrafish Mycobacterium marinum (Mm) infection tuberculosis model. Zebrafish Tribbles family members were characterised and shown to have substantial mRNA and protein sequence homology to their human orthologues. trib1 overexpression was host-protective against Mm infection, reducing burden by approximately 50%. Conversely, trib1 knockdown exhibited increased infection. Mechanistically, trib1 overexpression significantly increased the levels of pro-inflammatory factors il-1 β and nitric oxide. The host-protective effect of trib1 was found to be dependent on the E3 ubiquitin kinase Cop1. These findings highlight the importance of Trib1 and Cop1 as immune regulators during infection in vivo and suggest that enhancing macrophage TRIB1 levels may provide a tractable therapeutic intervention to improve bacterial infection outcomes in tuberculosis.

Anti-proliferative agents that target lymphoid cells are common immunosuppressive agents used in the treatment of diverse autoimmune, graft versus host and inflammatory diseases. Mycophenolate mofetil (MMF) is an anti-proliferative agent that targets lymphoid dependence on inosine monophosphate dehydrogenase for the de novo purine synthesis of deoxyguanosine triphosphate (dGTP) for DNA replication. Here we show that MMF has a distinct and specific in vivo effect on macrophages, in the absence of lymphoid cells. This results in increased macrophage cell death that is dependent on the depletion of cellular GTP, independent of DNA synthesis. Furthermore, the macrophage specific effect of MMF treatment causes an increase in susceptibility to the opportunistic fungal infection Cryptococcus neoformans by reducing phagocytosis and increasing the release of intracellular pathogens via macrophage lysis. Our study demonstrates the need for a better mechanistic understanding of immunosuppressive treatments used in clinical practice and of the specific infection risks associated with certain treatment regimens.

Macrophage subtypes are poorly characterised in disease systems in vivo. The initial innate immune response to injury and infectious stimuli through M1 polarisation is important for the outcome of disease. Appropriate macrophage polarisation requires complex coordination of local microenvironmental cues and cytokine signalling to influence immune cell phenotypes. If the molecular mechanisms behind macrophage polarisation were better understood then macrophages could be pharmacologically tuned to better deal with bacterial infections, for example tuberculosis. Here, using zebrafish tnfa:GFP transgenic lines as in vivo readouts of M1 macrophages, we show that hypoxia and stabilisation of Hif-1α polarises macrophages to a tnfa expressing phenotype. We demonstrate a novel mechanism of Hif-1α mediated macrophage tnfa upregulation via a cyclooxygenase/prostaglandin E2 axis, a mechanism that is conserved in human primary macrophages. These findings uncover a novel macrophage HIF/COX/TNF axis that links microenvironmental cues to macrophage phenotype that may have implications in inflammation, infection and cancer, where hypoxia is a common microenvironmental feature and where cyclooxygenase and Tnfa are major mechanistic players.