The majority of patients with cancer undergo at least one surgical procedure as part of their treatment. Severe postsurgical infection is associated with adverse oncologic outcomes; however, the mechanisms underlying this phenomenon are unclear. Emerging evidence suggests that neutrophils, which function as the first line of defense during infections, facilitate cancer progression. Neutrophil extracellular traps (NETs) are extracellular neutrophil-derived DNA webs released in response to inflammatory cues that trap and kill invading pathogens. The role of NETs in cancer progression is entirely unknown. We report that circulating tumor cells become trapped within NETs in vitro under static and dynamic conditions. In a murine model of infection using cecal ligation and puncture, we demonstrated microvascular NET deposition and consequent trapping of circulating lung carcinoma cells within DNA webs. NET trapping was associated with increased formation of hepatic micrometastases at 48 hours and gross metastatic disease burden at 2 weeks following tumor cell injection. These effects were abrogated by NET inhibition with DNAse or a neutrophil elastase inhibitor. These findings implicate NETs in the process of cancer metastasis in the context of systemic infection and identify NETs as potential therapeutic targets.

Inflammation Response in Living Color Besides responding to microbial infection, our immune system also plays an important role in responding to sterile injury, for example, during trauma or organ necrosis. In a mouse model of sterile liver inflammation, McDonald et al. (p. 362 ) used dynamic in vivo imaging to visualize the innate immune response, which is dominated by neutrophils. Neutrophils were rapidly recruited to the site of inflammation through intravascular channels. Adenosine triphosphate generated from necrotic cells at the injury site and the Nlrp3 inflammasome were required for neutrophils to exit the circulation into the vascular endothelium, where they used integrins to adhere. A luminal chemokine gradient guided integrin-dependent, intravascular migration toward the site of injury. Finally, formyl peptides provided a signal to override the chemokine gradient and draw neutrophils into the site of injury.

During the systemic inflammatory response of severe sepsis, neutrophils accumulate in the liver microcirculation, but their functional significance is largely unknown. We show that neutrophils migrate to liver sinusoids during endotoxemia and sepsis where they exert protective effects by releasing neutrophil extracellular traps (NETs), which are DNA-based structures that capture and eliminate microbes. NETs released into the vasculature ensnare bacteria from the bloodstream and prevent dissemination. NET production requires platelet-neutrophil interactions and can be inhibited by platelet depletion or disruption of integrin-mediated platelet-neutrophil binding. During sepsis, NET release increases bacterial trapping by 4-fold (beyond the basal level provided by resident intravascular macrophages). Blocking NET formation reduces the capture of circulating bacteria during sepsis, resulting in increased dissemination to distant organs. Thus, NETs ensnare circulating bacteria and provide intravascular immunity that protects against bacterial dissemination during septic infections.

Key Points In vivo imaging reveals a NET–platelet–thrombin axis that promotes intravascular coagulation in sepsis. Inhibition of NETs during sepsis reduces intravascular coagulation, improves microvascular perfusion, and reduces organ damage.

Neutrophils mediate bacterial clearance through various mechanisms, including the release of mesh-like DNA structures or neutrophil extracellular traps (NETs) that capture bacteria. Although neutrophils are also recruited to sites of viral infection, their role in antiviral innate immunity is less clear. We show that systemic administration of virus analogs or poxvirus infection induces neutrophil recruitment to the liver microvasculature and the release of NETs that protect host cells from virus infection. After systemic intravenous poxvirus challenge, mice exhibit thrombocytopenia and the recruitment of both neutrophils and platelets to the liver vasculature. Circulating platelets interact with, roll along, and adhere to the surface of adherent neutrophils, forming large, dynamic aggregates. These interactions facilitate the release of NETs within the liver vasculature that are able to protect host cells from poxvirus infection. These findings highlight the role of NETs and early tissue-wide responses in preventing viral infection.

Although circulating neutrophils are associated with distant metastasis and poor outcome in a number of epithelial malignancies, it remains unclear whether neutrophils play an active causal role in the metastatic cascade. Using in vivo models of metastasis, we found that neutrophils promote cancer cell adhesion within liver sinusoids and, thereby, influence metastasis. Neutrophil depletion before cancer cell inoculation resulted in a decreased number of gross metastases in an intrasplenic model of liver metastasis. This effect was reversed when inflamed neutrophils were co-inoculated with cancer cells. In addition, early adhesion within liver sinusoids was inhibited in the absence of neutrophils and partially restored with a short perfusion of isolated activated neutrophils. Intravital microscopy showed that cancer cells adhered directly on top of arrested neutrophils, indicating that neutrophils may act as a bridge to facilitate interactions between cancer cells and the liver parenchyma. The adhesion of lipopolysaccharide-activated neutrophils to cancer cells was mediated by neutrophil Mac-1/ICAM-1. Our findings, therefore, show a novel role for neutrophils in the early adhesive steps of liver metastasis.

Adhesion molecules known to be important for neutrophil recruitment in many other organs are not involved in recruitment of neutrophils into the sinusoids of the liver. The prevailing view is that neutrophils become physically trapped in inflamed liver sinusoids. In this study, we used a biopanning approach to identify hyaluronan (HA) as disproportionately expressed in the liver versus other organs under both basal and inflammatory conditions. Spinning disk intravital microscopy revealed that constitutive HA expression was restricted to liver sinusoids. Blocking CD44–HA interactions reduced neutrophil adhesion in the sinusoids of endotoxemic mice, with no effect on rolling or adhesion in postsinusoidal venules. Neutrophil but not endothelial CD44 was required for adhesion in sinusoids, yet neutrophil CD44 avidity for HA did not increase significantly in endotoxemia. Instead, activation of CD44–HA engagement via qualitative modification of HA was demonstrated by a dramatic induction of serum-derived HA-associated protein in sinusoids in response to lipopolysaccharide (LPS). LPS-induced hepatic injury was significantly reduced by blocking CD44–HA interactions. Administration of anti-CD44 antibody 4 hours after LPS rapidly detached adherent neutrophils in sinusoids and improved sinusoidal perfusion in endotoxemic mice, revealing CD44 as a potential therapeutic target in systemic inflammatory responses involving the liver.

Abstract Extra-intestinal pathogenic E. coli (ExPEC) can cause a variety of infections outside of the intestine and are a major causative agent of urinary tract infections. Treatment of these infections is increasingly frustrated by antimicrobial resistance (AMR) diminishing the number of effective therapies available to clinicians. Incidence of multi-drug resistance (MDR) is not uniform across the phylogenetic spectrum of E. coli . Instead AMR is concentrated in select lineages, such as ST131, which are MDR pandemic clones that have spread AMR globally. Using a gnotobiotic mouse model we demonstrate that an MDR E. coli ST131 is capable out-competing and displacing non-MDR E. coli from the gut in vivo . This is achieved in the absence of antibiotic treatment mediating a selective advantage. In mice colonised with non-MDR E. coli strains, challenge with MDR E. coli either by oral gavage or co-housing with MDR E. coli colonized mice results in displacement and dominant intestinal colonization by MDR E. coli ST131. To investigate the genetic basis of this superior gut colonization ability by MDR E. coli , we used a functional pangenomic analysis of 19,571 E. coli genomes revealing that carriage of AMR genes is associated with increased diversity in carbohydrate metabolism genes. The data presented here demonstrate that independent of antibiotic selective pressures, MDR E. coli display a competitive advantage to colonise the mammalian gut and points to a vital role of metabolism in the evolution and success of MDR lineages of E. coli via carriage and spread.

Summary SARS-CoV-2 is a novel coronavirus that causes acute respiratory distress syndrome (ARDS), death and long-term sequelae. Innate immune cells are critical for host defense but are also the primary drivers of ARDS. The relationships between innate cellular responses in ARDS resulting from COVID-19 compared to other causes of ARDS, such as bacterial sepsis is unclear. Moreover, the beneficial effects of dexamethasone therapy during severe COVID-19 remain speculative, but understanding the mechanistic effects could improve evidence-based therapeutic interventions. To interrogate these relationships, we developed an scRNA-Seq and plasma proteomics atlas ( biernaskielab.ca/COVID_neutrophil ). We discovered that compared to bacterial ARDS, COVID-19 was associated with distinct neutrophil polarization characterized by either interferon (IFN) or prostaglandin (PG) active states. Neutrophils from bacterial ARDS had higher expression of antibacterial molecules such as PLAC8 and CD83. Dexamethasone therapy in COVID patients rapidly altered the IFN active state, downregulated interferon responsive genes, and activated IL1R2 +ve neutrophils. Dexamethasone also induced the emergence of immature neutrophils expressing immunosuppressive molecules ARG1 and ANXA1, which were not present in healthy controls. Moreover, dexamethasone remodeled global cellular interactions by changing neutrophils from information receivers into information providers. Importantly, male patients had higher proportions of IFN active neutrophils, a greater degree of steroid-induced immature neutrophil expansion, and increased mortality benefit compared to females in the dexamethasone era. Indeed, the highest proportion of IFN active neutrophils was associated with mortality. These results define neutrophil states unique to COVID-19 when contextualized to other life-threatening infections, thereby enhancing the relevance of our findings at the bedside. Furthermore, the molecular benefits of dexamethasone therapy are also defined, and the identified pathways and plasma proteins can now be targeted to develop improved therapeutics.