Abstract CXC chemokine ligand 12 (CXCL12; stromal cell-derived factor 1 [SDF-1]), primarily known for its role in embryogenesis and hematopoiesis, has also been implicated in tumor biology and neovascularization. However, its specific role and mechanism of action remain poorly understood. We previously demonstrated that CXCL12 expression is Hypoxia-Inducible Factor (HIF)-1 responsive. Here we use a conditional CXCL12 knockout mouse to show that endothelial-specific deletion of CXCL12 (eKO) does not affect embryogenesis, but reduces the survival of ischemic tissue, altering tissue repair and tumor progression. Loss of vascular endothelial CXCL12 disrupts endothelial – fibroblast crosstalk necessary for stromal growth and vascularization. Single-cell gene expression analysis in combination with a parabiosis model reveals a specific population of non-inflammatory circulating cells, defined by genes regulating neovascularization, which is recruited by endothelial CXCL12. These findings indicate an essential role for endothelial CXCL12 expression during the adult neovascular response in tissue injury and tumor progression.

Abstract For decades, it has been assumed that the foreign body response (FBR) to biomedical implants is primarily a reaction to the chemical and mechanical properties of the implant. Here, we show for the first time that a third independent variable, allometric tissue-scale forces (which increase exponentially with body size), can drive the biology of FBR in humans. We first demonstrate that pathological FBR in humans is mediated by immune cell-specific Rac2 mechanotransduction signaling, independent of implant chemistry or mechanical properties. We then show that mice, which are typically poor models of human FBR, can be made to induce a strikingly human-like pathological FBR by altering these extrinsic tissue forces. Altering these extrinsic tissue forces alone activates Rac2 signaling in a unique subpopulation of immune cells and results in a human-like pathological FBR at the molecular, cellular, and local tissue levels. Finally, we demonstrate that blocking Rac2 signaling negates the effect of increased tissue forces, dramatically reducing FBR. These findings highlight a previously unsuspected mechanism for pathological FBR and may have profound implications for the design and safety of all implantable devices in humans. One-Sentence Summary Allometric tissue-scale forces at the implant-tissue interface drive pathological foreign body response.

Abstract Chronic wounds impose a significant healthcare burden to a broad patient population. Cell based therapies, while having shown benefits for the treatment of chronic wounds, have not achieved widespread adoption into clinical practice. Here, we developed a novel CRISPR/Cas9 approach to precisely edit dendritic cells (DCs) to enhance their therapeutic potential for healing chronic wounds. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of tolerogenic DCs, we discover N-myc downregulated gene 2 ( Ndrg2 ), which marks a specific population of DC progenitors, as a promising target for CRISPR knockout (KO). Ndrg2 -KO alters the transcriptomic profile of DCs and preserves an immature cell state with a strong, pro-angiogenic and regenerative capacity. We then incorporated our CRISPR-based cell engineering within a hydrogel technology for in vivo cell delivery and developed a highly effective translational approach for DC based immunotherapy that accelerated healing of full-thickness wounds in both non-diabetic and diabetic mouse models. These findings could open the door to future clinical trials using safe gene editing in DCs for treating various types of chronic wounds.

Abstract Skin allo- and xenotransplantation are the standard treatment for major burns when donor sites for autografts are not available and have been shown to significantly accelerate wound healing. Although the cellular elements of foreign grafts are rejected, the extracellular matrix components integrate into the wound and may underlie their beneficial effects on wound healing. The molecular mechanisms defining the relationship between the immune response to foreign grafts and their impact on wound healing have not been fully elucidated. Here, we investigated changes in collagen architecture after xenogeneic implantation of clinically available human biologic scaffolds. We show that collagen deposition in response to the implantation of human split-thickness skin grafts (hSTSG) containing live cells recapitulates normal skin architecture, whereas human acellular dermal matrix (ADM) grafts led to highly aligned collagen deposition, characteristic of fibrosis and scar. Using single-cell RNA-sequencing, we show that macrophage differentiation in response to hSTSG is driven by vitamin D (VD) signaling toward Trem2+ subpopulations with an enrichment of pro-angiogenic and anti-fibrotic transcriptomic programs. We subsequently induced this regenerative subpopulation in vitro by treating bone marrow-derived cells with vitamin D3 and found that hydrogel delivery of Trem2+ macrophages significantly accelerated wound closure in a human-like murine excisional wound model. Our study identifies the preclinical therapeutic potential of Trem2+ macrophages to mitigate fibrosis and promote wound healing and provides a novel effective strategy to develop advanced cell therapies for complex wounds. One Sentence Summary Vitamin D-activated Trem2+ macrophages promote angiogenesis and mitigate fibrosis, providing a novel effective strategy to develop advanced cell therapies for complex wounds.