Cathelicidins are a family of antimicrobial proteins found in the peroxidase-negative granules of neutrophils. The known biologic functions reside in the C-terminus, which must be cleaved from the holoprotein to become active. Bovine and porcine cathelicidins are cleaved by elastase from the azurophil granules to yield the active antimicrobial peptides. The aim of this study was to identify the physiological setting for cleavage of the only human cathelicidin, hCAP-18, to liberate the antibacterial and cytotoxic peptide LL-37 and to identify the protease responsible for this cleavage. Immunoelectron microscopy demonstrated that both hCAP-18 and azurophil granule proteins were present in the phagolysosome. Immunoblotting revealed no detectable cleavage of hCAP-18 in cells after phagocytosis. In contrast, hCAP-18 was cleaved to generate LL-37 in exocytosed material. Of the 3 known serine proteases from azurophil granules, proteinase 3 was solely responsible for cleavage of hCAP-18 after exocytosis. This is the first detailed study describing the generation of a human antimicrobial peptide from a promicrobicidal protein, and it demonstrates that the generation of active antimicrobial peptides from common proproteins occurs differently in related species.

Antimicrobial peptides are effector molecules of the innate immune system and contribute to host defense and regulation of inflammation. The human cathelicidin antimicrobial peptide LL-37/hCAP-18 is expressed in leukocytes and epithelial cells and secreted into wound and airway surface fluid. Here we show that LL-37 induces angiogenesis mediated by formyl peptide receptor–like 1 expressed on endothelial cells. Application of LL-37 resulted in neovascularization in the chorioallantoic membrane assay and in a rabbit model of hind-limb ischemia. The peptide directly activates endothelial cells, resulting in increased proliferation and formation of vessel-like structures in cultivated endothelial cells. Decreased vascularization during wound repair in mice deficient for CRAMP, the murine homologue of LL-37/hCAP-18, shows that cathelicidin-mediated angiogenesis is important for cutaneous wound neovascularization in vivo. Taken together, these findings demonstrate that LL-37/hCAP-18 is a multifunctional antimicrobial peptide with a central role in innate immunity by linking host defense and inflammation with angiogenesis and arteriogenesis.

Cigarette smoking results in oxidative stress and inflammation in the lungs, which are involved in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). 4-Hydroxy-2-nonenal (4-HNE), a highly reactive diffusible product of lipid peroxidation, is a key mediator of oxidant-induced cell signaling and apoptosis. 4-HNE has a high affinity toward cysteine, histidine, and lysine groups and forms direct protein adducts. We investigated the presence of 4-HNE–modified proteins in lung tissue obtained from subjects with and without COPD. We studied 23 current or ex-smokers with similar smoking histories with COPD (n = 11; FEV1 < 70% predicted) or without COPD (n = 12; FEV1 > 84% predicted) who had undergone lung resection. As 4-HNE and transforming growth factor-β1 (TGF-β1) can modulate γ-glutamylcysteine synthetase (γ-GCS) mRNA levels in lung cells, we assessed the relations between 4-HNE–modified protein levels, FEV1, γ-GCS, and TGF-β1. 4-HNE–modified protein levels were elevated in airway and alveolar epithelial cells, endothelial cells, and neutrophils in subjects with COPD, compared with the levels in subjects without COPD (p < 0.01). We also observed a significant inverse correlation between the levels of 4-HNE adducts in alveolar epithelium, airway endothelium, and neutrophils and FEV1 (p < 0.05) and a positive correlation between 4-HNE adducts and TGF-β1 protein and mRNA as well as γ-GCS mRNA levels in airway and alveolar epithelium (p < 0.01). The elevated levels of 4-HNE may play a role in the signaling events in lung inflammation leading to the imbalance of the expression of both proinflammatory mediators and protective antioxidant genes in COPD.

Abstract The reported requirement of functional Toll-like receptor (TLR)4 for resistance to Gram-negative pyelonephritis prompted us to localize the expression of TLR2 and TLR4 mRNA in the kidney at the cellular level by in situ hybridization. The majority of the constitutive TLR2 and TLR4 mRNA expression was found to be strategically located in the renal epithelial cells. Assuming that the TLR mRNA expression is representative of apical protein expression, this suggests that these cells are able to detect and react with bacteria present in the lumen of the tubules. To gain insight in the regulation of TLR expression during inflammation, we used a model for renal inflammation. Renal inflammation evoked by ischemia markedly enhanced synthesis of TLR2 and TLR4 mRNA in the distal tubular epithelium, the thin limb of Henle’s loop, and collecting ducts. The increased renal TLR4 mRNA expression was associated with significant elevation of renal TLR4 protein expression as evaluated by Western blotting. Using RT-PCR, the enhanced TLR2 and TLR4 mRNA expression was shown to be completely dependent on the action of IFN-γ and TNF-α. These results indicate a potential mechanism of increased immunosurveillance during inflammation at the site in which ascending bacteria enter the kidney tissue, i.e., the collecting ducts and the distal part of the nephron.

Abstract Antimicrobial peptides produced by epithelial cells and neutrophils represent essential elements of innate immunity, and include the defensin and cathelicidin family of antimicrobial polypeptides. The human cathelicidin cationic antimicrobial protein-18 is an antimicrobial peptide precursor predominantly expressed in neutrophils, and its active peptide LL-37 is released from the precursor through the action of neutrophil serine proteinases. LL-37 has been shown to display antimicrobial activity against a broad spectrum of microorganisms, to neutralize LPS bioactivity, and to chemoattract neutrophils, monocytes, mast cells, and T cells. In this study we show that LL-37 activates airway epithelial cells as demonstrated by activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) and increased release of IL-8. Epithelial cell activation was inhibited by the MAPK/ERK kinase (MEK) inhibitors PD98059 and U0126, by the epidermal growth factor receptor (EGFR) tyrosine kinase inhibitor AG1478, by blocking anti-EGFR and anti-EGFR-ligand Abs, and by the metalloproteinase inhibitor GM6001. These data suggest that LL-37 transactivates the EGFR via metalloproteinase-mediated cleavage of membrane-anchored EGFR-ligands. LL-37 may thus constitute one of the mediators by which neutrophils regulate epithelial cell activity in the lung.

Brown adipose tissue (BAT) combusts high amounts of fatty acids, thereby lowering plasma triglyceride levels and reducing obesity. However, the precise role of BAT in plasma cholesterol metabolism and atherosclerosis development remains unclear. Here we show that BAT activation by β3-adrenergic receptor stimulation protects from atherosclerosis in hyperlipidemic APOE*3-Leiden.CETP mice, a well-established model for human-like lipoprotein metabolism that unlike hyperlipidemic Apoe(-/-) and Ldlr(-/-) mice expresses functional apoE and LDLR. BAT activation increases energy expenditure and decreases plasma triglyceride and cholesterol levels. Mechanistically, we demonstrate that BAT activation enhances the selective uptake of fatty acids from triglyceride-rich lipoproteins into BAT, subsequently accelerating the hepatic clearance of the cholesterol-enriched remnants. These effects depend on a functional hepatic apoE-LDLR clearance pathway as BAT activation in Apoe(-/-) and Ldlr(-/-) mice does not attenuate hypercholesterolaemia and atherosclerosis. We conclude that activation of BAT is a powerful therapeutic avenue to ameliorate hyperlipidaemia and protect from atherosclerosis.

Rationale: Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a heterogeneous disease and likely includes a subgroup that is biologically comparable to asthma. Studying asthma-associated gene expression changes in COPD could add insight into COPD pathogenesis and reveal biomarkers that predict a favorable response to corticosteroids.Objectives: To determine whether asthma-associated gene signatures are increased in COPD and associated with asthma-related features.Methods: We compared disease-associated airway epithelial gene expression alterations in an asthma cohort (n = 105) and two COPD cohorts (n = 237, 171). The T helper type 2 (Th2) signature (T2S) score, a gene expression metric induced in Th2-high asthma, was evaluated in these COPD cohorts. The T2S score was correlated with asthma-related features and response to corticosteroids in COPD in a randomized, placebo-controlled trial, the Groningen and Leiden Universities study of Corticosteroids in Obstructive Lung Disease (GLUCOLD; n = 89).Measurements and Main Results: The 200 genes most differentially expressed in asthma versus healthy control subjects were enriched among genes associated with more severe airflow obstruction in these COPD cohorts (P < 0.001), suggesting significant gene expression overlap. A higher T2S score was associated with decreased lung function (P < 0.001), but not asthma history, in both COPD cohorts. Higher T2S scores correlated with increased airway wall eosinophil counts (P = 0.003), blood eosinophil percentage (P = 0.03), bronchodilator reversibility (P = 0.01), and improvement in hyperinflation after corticosteroid treatment (P = 0.019) in GLUCOLD.Conclusions: These data identify airway gene expression alterations that can co-occur in asthma and COPD. The association of the T2S score with increased severity and “asthma-like” features (including a favorable corticosteroid response) in COPD suggests that Th2 inflammation is important in a COPD subset that cannot be identified by clinical history of asthma.

Pollen monitoring is an important and widely used tool in allergy research and creation of awareness in pollen-allergic patients. Current pollen monitoring methods are microscope-based, labour intensive and cannot identify pollen to the genus level in some relevant allergenic plant groups. Therefore, a more efficient, cost-effective and sensitive method is needed. Here, we present a method for identification and quantification of airborne pollen using DNA sequencing. Pollen is collected from ambient air using standard techniques. DNA is extracted from the collected pollen, and a fragment of the chloroplast gene trnL is amplified using PCR. The PCR product is subsequently sequenced on a next-generation sequencing platform (Ion Torrent). Amplicon molecules are sequenced individually, allowing identification of different sequences from a mixed sample. We show that this method provides an accurate qualitative and quantitative view of the species composition of samples of airborne pollen grains. We also show that it correctly identifies the individual grass genera present in a mixed sample of grass pollen, which cannot be achieved using microscopic pollen identification. We conclude that our method is more efficient and sensitive than current pollen monitoring techniques and therefore has the potential to increase the throughput of pollen monitoring.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic that originated from Wuhan, China, in December 2019 has impacted public health, society and economy and the daily lives of billions of people in an unprecedented manner. There are currently no specific registered antiviral drugs to treat or prevent SARS-CoV-2 infections. Therefore, drug repurposing would be the fastest route to provide at least a temporary solution while better, more specific drugs are being developed. Here we demonstrate that the antiparasitic drug suramin inhibits SARS-CoV-2 replication, protecting Vero E6 cells with an EC 50 of ∼20 µM, which is well below the maximum attainable level in human serum. Suramin also decreased the viral load by 2-3 logs when Vero E6 cells or cells of a human lung epithelial cell line (Calu-3) were treated. Time of addition and plaque reduction assays showed that suramin acts on early steps of the replication cycle, possibly preventing entry of the virus. In a primary human airway epithelial cell culture model, suramin also inhibited the progression of infection. The results of our preclinical study warrant further investigation and suggest it is worth evaluating whether suramin provides any benefit for COVID-19 patients, which obviously requires well-designed, properly controlled randomized clinical trials.

Abstract Human lung function is intricately linked to blood flow and breathing cycles, but it remains unknown how these dynamic cues shape human airway epithelial biology. Here we report a state-of-the-art protocol for studying effects of physiological airflow and stretch on differentiation, cellular composition, and mucociliary clearance of human primary airway epithelial cells cultured on a perfused airway chip. Perfused epithelial tissue cultures developed a large airway-like cellular composition with accelerated maturation and polarization of mucociliary clearance when compared to traditional (static) culture methods. Additional application of airflow and stretch to the airway chip resulted in a cellular composition more comparable to the small(er) airways, reduced baseline secretion of interleukin-8 and other inflammatory proteins, and reduced gene expression of matrix metalloproteinase (MMP) 9, fibronectin, and other extracellular matrix factors. These results indicate that breathing-like mechanical stimuli are important modulators of airway epithelial cell differentiation and homeostasis and that their fine-tuned application could generate models of specific epithelial regions, pathologies, and mucociliary (dys)function.