Macrophages are considered to contribute to chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis1. However, both the exact origin and the role of macrophages in inflammatory joint disease remain unclear. Here we use fate-mapping approaches in conjunction with three-dimensional light-sheet fluorescence microscopy and single-cell RNA sequencing to perform a comprehensive spatiotemporal analysis of the composition, origin and differentiation of subsets of macrophages within healthy and inflamed joints, and study the roles of these macrophages during arthritis. We find that dynamic membrane-like structures, consisting of a distinct population of CX3CR1+ tissue-resident macrophages, form an internal immunological barrier at the synovial lining and physically seclude the joint. These barrier-forming macrophages display features that are otherwise typical of epithelial cells, and maintain their numbers through a pool of locally proliferating CX3CR1- mononuclear cells that are embedded into the synovial tissue. Unlike recruited monocyte-derived macrophages, which actively contribute to joint inflammation, these epithelial-like CX3CR1+ lining macrophages restrict the inflammatory reaction by providing a tight-junction-mediated shield for intra-articular structures. Our data reveal an unexpected functional diversification among synovial macrophages and have important implications for the general role of macrophages in health and disease.

Closed circulatory systems (CCS) underlie the function of vertebrate organs, but in long bones their structure is unclear, although they constitute the exit route for bone marrow (BM) leukocytes. To understand neutrophil emigration from BM, we studied the vascular system of murine long bones. Here we show that hundreds of capillaries originate in BM, cross murine cortical bone perpendicularly along the shaft and connect to the periosteal circulation. Structures similar to these trans-cortical-vessels (TCVs) also exist in human limb bones. TCVs express arterial or venous markers and transport neutrophils. Furthermore, over 80% arterial and 59% venous blood passes through TCVs. Genetic and drug-mediated modulation of osteoclast count and activity leads to substantial changes in TCV numbers. In a murine model of chronic arthritic bone inflammation, new TCVs develop within weeks. Our data indicate that TCVs are a central component of the CCS in long bones and may represent an important route for immune cell export from the BM.

Objective Cancer-associated fibroblasts (CAFs) influence the tumour microenvironment and tumour growth. However, the role of CAFs in colorectal cancer (CRC) development is incompletely understood. Design We quantified phosphorylation of STAT3 (pSTAT3) expression in CAFs of human colon cancer tissue using a tissue microarray (TMA) of 375 patients, immunofluorescence staining and digital pathology. To investigate the functional role of CAFs in CRC, we took advantage of two murine models of colorectal neoplasia and advanced imaging technologies. In loss-of-function and gain-of-function experiments, using genetically modified mice with collagen type VI (COLVI)-specific signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) targeting, we evaluated STAT3 signalling in fibroblasts during colorectal tumour development. We performed a comparative gene expression profiling by whole genome RNA-sequencing of fibroblast subpopulations (COLVI+ vs COLVI–) on STAT3 activation (IL-6 vs IL-11). Results The analysis of pSTAT3 expression in CAFs of human TMAs revealed a negative correlation of increased stromal pSTAT3 expression with the survival of colon cancer patients. In the loss-of-function and gain-of-function approach, we found a critical role of STAT3 activation in fibroblasts in driving colorectal tumourigenesis in vivo. With different imaging technologies, we detected an expansion of activated fibroblasts in colorectal neoplasias. Comparative gene expression profiling of fibroblast subpopulations on STAT3 activation revealed the regulation of transcriptional patterns associated with angiogenesis. Finally, the blockade of proangiogenic signalling significantly reduced colorectal tumour growth in mice with constitutive STAT3 activation in COLVI+ fibroblasts. Conclusion Altogether our work demonstrates a critical role of STAT3 activation in CAFs in CRC development.

Abstract Blood vasculature represents a complex network of vessels with varying lengths and diameters that are precisely organized in space to allow proper tissue function. Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) is very useful to generate tomograms of tissue vasculature with high spatial accuracy. Yet, quantitative LSFM analysis is still cumbersome and available methods are restricted to single organs and advanced computing hardware. Here, we introduce VesselExpress, an automated software that reliably analyzes six characteristic vascular network parameters including vessel diameter in LSFM data on average computing hardware. VesselExpress is ~100 times faster than other existing vessel analysis tools, requires no user interaction, integrates batch processing, and parallelization. Employing an innovative dual Frangi filter approach we show that obesity induces a large-scale modulation of brain vasculature in mice and that seven other major organs differ strongly in their 3D vascular makeup. Hence, VesselExpress transforms LSFM from an observational to an analytical working tool.

Abstract Breast cancer often metastasizes to bone causing osteolytic lesions. Structural and biophysical changes are rarely studied, yet are hypothesized to influence metastatic progression. Here, we developed a mouse model of early bone metastasis and multimodal 3D imaging to quantify cancer cell homing, dynamic bone (re)modeling and onset of bone metastasis. Using 3D light sheet fluorescence microscopy, we show eGFP + cancer cells and small clusters in 3D (intact) bones. We detect early bone lesions using time-lapse in vivo microCT and reveal altered bone (re)modeling in absence of detectable lesions. With a new microCT image analysis tool, we detect and track the growth of early bone lesions over time. We show that cancer cells home in all bone compartments, while osteolytic lesions are only detected in the metaphysis, a region of high (re)modeling. Our study provides novel insights of dynamic bone (re)modeling as a driver during the early phase of metastasis.

Abstract The ecosystem of brain tumors is considered immunosuppressed, but our current knowledge may be incomplete. Here we analyzed clinical cell and tissue specimens derived from patients presenting with glioblastoma or nonmalignant intracranial disease to report that the cranial bone (CB) marrow, in juxtaposition to treatment-naive glioblastoma tumors, harbors active lymphoid populations at the time of initial diagnosis. Clinical and anatomical imaging, single-cell molecular and immune cell profiling and quantification of tumor reactivity identified CD8 + T cell clonotypes in the CB that were also found in the tumor. These were characterized by acute and durable antitumor response rooted in the entire T cell developmental spectrum. In contrast to distal bone marrow, the CB niche proximal to the tumor showed increased frequencies of tumor-reactive CD8 + effector types expressing the lymphoid egress marker S1PR1. In line with this, cranial enhancement of CXCR4 radiolabel may serve as a surrogate marker indicating focal association with improved progression-free survival. The data of this study advocate preservation and further exploitation of these cranioencephalic units for the clinical care of glioblastoma.

Summary Lymphocyte contraction (LC) in central immune organs is a concomitant of sterile tissue injury, for example after stroke. Intestinal Peyer’s patches (PP) harbor large numbers of B cells, but how sterile tissue injury leads to LC in PP has not been explored. We observed rapid and macroscopically evident shrinkage of PP after stroke and myocardial infarction. Light-sheet fluorescence microscopy and flow cytometry revealed a strong reduction in the number of PP-resident B cells. Mechanistically, tissue injury triggered the activation of neutrophils that released B cell-toxic neutrophil extracellular traps (NETs) decorated with citrullinated histone-H3. Antibody-mediated or genetically induced neutrophil-loss, NETs-degradation or blockade of their generation completely reversed B cell loss and preserved the tissue architecture of PP. We also found NET-like elements in human post-stroke plasma. Hence, we propose that targeting NET-generation or -function counteracts post-injury B cell contraction in PP and thereby maintains immune homeostasis at mucosal barriers. In brief High numbers of B cells reside in the intestinal Peyer’s patches. Tuz et al. revealed that in response to sterile tissue injury, activated neutrophils release histone-decorated DNA into the circulation which induces B cell death. The loss of B cells results in the shrinkage of Peyer’s patches and reduced amounts of secretory IgA. Highlights Stroke and myocardial infarction induce the melting of Peyer’s patch Light-sheet microscopy and cytometry revealed B cell loss in Peyer’s patch Post-injury activated neutrophils release NETs and trigger B cell death Inhibition of NETs rescues B cell loss and degeneration of Peyer’s patch

Abstract Efficient cellular fusion of mononuclear precursors is the prerequisite for the generation of fully functional multinucleated bone-resorbing osteoclasts. However, the exact molecular factors and mechanisms controlling osteoclast fusion remain incompletely understood. Here we identify RANKL-mediated activation of caspase-8 as early key event during osteoclast fusion. Single cell RNA sequencing-based analyses suggested that activation of parts of the apoptotic machinery accompanied the differentiation of osteoclast precursors into mature multinucleated osteoclasts. A subsequent characterization of osteoclast precursors confirmed that RANKL-mediated activation of caspase-8 promoted the non-apoptotic cleavage and activation of downstream effector caspases that translocated to the plasma membrane where they triggered activation of the phospholipid scramblase Xkr8. Xkr8-mediated exposure of phosphatidylserine, in turn, aided cellular fusion of osteoclast precursors and thereby allowed generation of functional multinucleated osteoclast syncytia and initiation of bone resorption. Pharmacological blockage or genetic deletion of caspase-8 accordingly interfered with fusion of osteoclasts and bone resorption resulting in increased bone mass in mice carrying a conditional deletion of caspase-8 in mononuclear osteoclast precursors. These data identify a novel pathway controlling osteoclast biology and bone turnover with the potential to serve as target for therapeutic intervention during diseases characterized by pathologic osteoclast-mediated bone loss.