During organogenesis, immunosurveillance, and inflammation, chemokines selectively recruit leukocytes by activating seven-transmembrane-spanning receptors. It has been suggested that an important component of this process is the formation of a haptotactic gradient by immobilization of chemokines on cell surface glycosaminoglycans (GAGs). However, this hypothesis has not been experimentally demonstrated in vivo . In the present study we investigated the effect of mutations in the GAG binding sites of three chemokines, monocyte chemoattractant protein-1/CC chemokine ligand (CCL)2, macrophage-inflammatory protein-1β/CCL4, and RANTES/CCL5, on their ability to recruit cells in vivo . These mutant chemokines retain chemotactic activity in vitro , but they are unable to recruit cells when administered intraperitoneally. Additionally, monomeric variants, although fully active in vitro , are devoid of activity in vivo . These data demonstrate that both GAG binding and the ability to form higher-order oligomers are essential for the activity of particular chemokines in vivo , although they are not required for receptor activation in vitro . Thus, quaternary structure of chemokines and their interaction with GAGs may significantly contribute to the localization of leukocytes beyond migration patterns defined by chemokine receptor interactions.

The chemokine receptors CXCR4 and CCR5 have recently been shown to act as coreceptors, in concert with CD4, for human immunodeficiency virus–type 1 (HIV-1) infection. RANTES and other chemokines that interact with CCR5 and block infection of peripheral blood mononuclear cell cultures inhibit infection of primary macrophages inefficiently at best. If used to treat HIV-1–infected individuals, these chemokines could fail to influence HIV replication in nonlymphocyte compartments while promoting unwanted inflammatory side effects. A derivative of RANTES that was created by chemical modification of the amino terminus, aminooxypentane (AOP)–RANTES, did not induce chemotaxis and was a subnanomolar antagonist of CCR5 function in monocytes. It potently inhibited infection of diverse cell types (including macrophages and lymphocytes) by nonsyncytium-inducing, macrophage-tropic HIV-1 strains. Thus, activation of cells by chemokines is not a prerequisite for the inhibition of viral uptake and replication. Chemokine receptor antagonists like AOP-RANTES that achieve full receptor occupancy at nanomolar concentrations are strong candidates for the therapy of HIV-1–infected individuals.

Background— Monocytes are critical mediators of atherogenesis. Deletion of individual chemokines or chemokine receptors leads to significant but only partial inhibition of lesion development, whereas deficiency in other signals such as CXCL16 or CCR1 accelerates atherosclerosis. Evidence that particular chemokine pathways may cooperate to promote monocyte accumulation into inflamed tissues, particularly atherosclerotic arteries, is still lacking. Methods and Results— Here, we show that chemokine-mediated signals critically determine the frequency of monocytes in the blood and bone marrow under both noninflammatory and atherosclerotic conditions. Particularly, CCL2-, CX3CR1-, and CCR5-dependent signals differentially alter CD11b + Ly6G − 7/4 hi (also known as Ly6C hi ) and CD11b + Ly6G − 7/4 lo (Ly6C lo ) monocytosis. Combined inhibition of CCL2, CX3CR1, and CCR5 in hypercholesterolemic, atherosclerosis-susceptible apolipoprotein E–deficient mice leads to abrogation of bone marrow monocytosis and to additive reduction in circulating monocytes despite persistent hypercholesterolemia. These effects are associated with a marked and additive 90% reduction in atherosclerosis. Interestingly, lesion size highly correlates with the number of circulating monocytes, particularly the CD11b + Ly6G − 7/4 lo subset. Conclusions— CCL2, CX3CR1, and CCR5 play independent and additive roles in atherogenesis. Signals mediated through these pathways critically determine the frequency of circulating monocyte subsets and thereby account for almost all macrophage accumulation into atherosclerotic arteries.

After tissue damage, inflammatory cells infiltrate the tissue and release proinflammatory cytokines. HMGB1 (high mobility group box 1), a nuclear protein released by necrotic and severely stressed cells, promotes cytokine release via its interaction with the TLR4 (Toll-like receptor 4) receptor and cell migration via an unknown mechanism. We show that HMGB1-induced recruitment of inflammatory cells depends on CXCL12. HMGB1 and CXCL12 form a heterocomplex, which we characterized by nuclear magnetic resonance and surface plasmon resonance, that acts exclusively through CXCR4 and not through other HMGB1 receptors. Fluorescence resonance energy transfer data show that the HMGB1–CXCL12 heterocomplex promotes different conformational rearrangements of CXCR4 from that of CXCL12 alone. Mononuclear cell recruitment in vivo into air pouches and injured muscles depends on the heterocomplex and is inhibited by AMD3100 and glycyrrhizin. Thus, inflammatory cell recruitment and activation both depend on HMGB1 via different mechanisms.

Chemokines selectively recruit and activate a variety of cells during inflammation. Interactions between cell surface glycosaminoglycans (GAGs) and chemokines drive the formation of haptotactic or immobilized gradients of chemokines at the site of inflammation, directing this recruitment. Chemokines bind to glycosaminoglycans on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) with affinities in the micromolar range: RANTES > MCP-1 > IL-8 > MIP-1alpha. This binding can be competed with by soluble glycosaminoglycans: heparin, heparin sulfate, chondroitin sulfate, and dermatan sulfate. RANTES binding showed the widest discrimination between glycosaminoglycans (700-fold), whereas MIP-1alpha was the least selective. Almost identical results were obtained in an assay using heparin sulfate beads as the source of immobilized glycosaminoglycan. The binding of chemokines to glycosaminoglycan fragments has a strong length dependence, and optimally requires both N- and O-sulfation. Isothermal titration calorimetry data confirm these results; IL-8 binds heparin fragments with a K(d) of 0.39-2.63 microM, and requires five saccharide units to bind each monomer of chemokine. In membranes from cells expressing the G-protein-coupled chemokine receptors CXCR1, CXCR2, and CCR1, soluble GAGs inhibit the binding of chemokine ligands to their receptors. Consistent with this, heparin and heparin sulfate could inhibit IL-8-induced neutrophil calcium flux. Chemokines can therefore form complexes with both cell surface and soluble GAGs; these interactions have different functions. Soluble GAG chemokines complexes are unable to bind the receptor, resulting in a block of the biological activity. Previously, we have shown that cell surface GAGs present chemokines to the G-protein-coupled receptors, by increasing the local concentration of protein. A model is presented which brings together all of these data. The selectivity in the chemokine-GAG interaction suggests selective disruption of the haptotactic gradient may be an achievable therapeutic approach in inflammatory disease.

Lymph-borne, soluble factors (e.g., chemokines and others) influence lymphocyte recirculation and endothelial phenotype at high endothelial venules (HEVs) in lymph node cortex. Yet the route lymph-borne soluble molecules travel from the subcapsular sinus to the HEVs is unclear. Therefore, we injected subcutaneously into mice and rats a wide variety of fluorophore-labeled, soluble molecules and examined their distribution in the draining lymph nodes. Rather than percolating throughout the draining lymph node, all molecules, including microbial lipopolysaccharide, were very visible in the subcapsular and medullary sinuses but were largely excluded from the cortical lymphocyte microenvironments. Exclusion prevailed even during the acute lymph node enlargement accompanying viral infection. However, low molecular mass (MW) molecules, including chemokines, did gain entry into the cortex, but in a very defined manner. Low MW, fluorophore-labeled molecules highlighted the subcapsular sinus, the reticular fibers, and the abluminal and luminal surfaces of the associated HEVs. These low MW molecules were in the fibers of the reticular network, a meshwork of collagen fibers ensheathed by fibroblastic reticular cells that connects the subcapsular sinus floor and the HEVs by intertwining with their basement membranes. Thus, low MW, lymph-borne molecules, including chemokines, traveled rapidly from the subcapsular sinus to the HEVs using the reticular network as a conduit.

Background —Circulating platelets and chemoattractant proteins, such as the CC chemokine RANTES, contribute to the activation and interaction of monocytes and endothelium and may thereby play a pivotal role in the pathogenesis of inflammatory and atherosclerotic disease. Methods and Results —The binding of RANTES to human endothelial cells was detected by ELISA or immunofluorescence after perfusion with platelets or exposure to their supernatants. Monocyte arrest on endothelial monolayers or surface-adherent platelets was studied with a parallel-wall flow chamber and video microscopy. We show that RANTES secreted by thrombin-stimulated platelets is immobilized on the surface of inflamed microvascular or aortic endothelium and triggers shear-resistant monocyte arrest under flow conditions, as shown by inhibition with the RANTES receptor antagonist Met-RANTES or a blocking RANTES antibody. Deposition of RANTES and its effects requires endothelial activation, eg, by interleukin-1β, and is not supported by venous endothelium or adherent platelets. Immunohistochemistry revealed that RANTES is present on the luminal surface of carotid arteries of apolipoprotein E–deficient mice with early atherosclerotic lesions after wire-induced injury or cytokine exposure. In a mechanistic model of atherogenesis, monocyte adherence on endothelium covering such lesions was studied in murine carotid arteries perfused ex vivo, showing that the accumulation of monocytic cells in these carotid arteries involved RANTES receptors. Conclusions —The deposition of RANTES by platelets triggers shear-resistant monocyte arrest on inflamed or atherosclerotic endothelium. Delivery of RANTES by platelets may epitomize a novel principle relevant to inflammatory or atherogenic monocyte recruitment from the circulation.

The complex pathophysiology of lung allergic inflammation and bronchial hyperresponsiveness (BHR) that characterize asthma is achieved by the regulated accumulation and activation of different leukocyte subsets in the lung. The development and maintenance of these processes correlate with the coordinated production of chemokines. Here, we have assessed the role that different chemokines play in lung allergic inflammation and BHR by blocking their activities in vivo. Our results show that blockage of each one of these chemokines reduces both lung leukocyte infiltration and BHR in a substantially different way. Thus, eotaxin neutralization reduces specifically BHR and lung eosinophilia transiently after each antigen exposure. Monocyte chemoattractant protein (MCP)-5 neutralization abolishes BHR not by affecting the accumulation of inflammatory leukocytes in the airways, but rather by altering the trafficking of the eosinophils and other leukocytes through the lung interstitium. Neutralization of RANTES (regulated upon activation, normal T cell expressed and secreted) receptor(s) with a receptor antagonist decreases significantly lymphocyte and eosinophil infiltration as well as mRNA expression of eotaxin and RANTES. In contrast, neutralization of one of the ligands for RANTES receptors, macrophage-inflammatory protein 1α, reduces only slightly lung eosinophilia and BHR. Finally, MCP-1 neutralization diminishes drastically BHR and inflammation, and this correlates with a pronounced decrease in monocyte- and lymphocyte-derived inflammatory mediators. These results suggest that different chemokines activate different cellular and molecular pathways that in a coordinated fashion contribute to the complex pathophysiology of asthma, and that their individual blockage results in intervention at different levels of these processes.

Chemokines are 8-10 kDa proteins involved in the control of leukocyte trafficking and activation. In free solution, chemokines are monomers at physiologic concentrations, although many multimerize at higher concentrations. Cell surface heparan sulfate may sequester chemokines, increasing their local concentrations and facilitating their binding to receptors expressed on leukocytes. In competitive binding assays using immobilized heparin, a 2-3-fold increase in the bound radiolabeled chemokine was seen with increasing concentrations of unlabeled chemokine in the nanomolar range. Unlabeled chemokine concentrations between 0.25 and 50 microM were needed to compete the bound radioactivity. This biphasic competition curve was not seen for N-methyl-L25 IL-8, a variant of IL-8 which is unable to dimerize. In addition, complexes of chemokine and heparin eluted from gel filtration columns with apparent molecular masses of 33-60 kDa, suggesting that chemokine multimerization had occurred. The physiological relevance of this multimerization process was seen from studies using human endothelial cells. The endothelial cell binding sites for IL-8, RANTES, and MCP-1 were deduced to be glycosaminoglycans since competition assays showed the biphasic curves and micromolar IC50 values seen in studies with immobilized heparin, and mRNA for known chemokine receptors was not detected. Furthermore, digestion of endothelial cell monolayers with glycosaminidases decreased chemokine binding by up to 80%. Glycosaminoglycans can act as modulators of the ligand binding affinity of chemokine receptor-bearing cells. Removal of glycosaminoglycans from CHO cells expressing chemokine receptors CXCR1, CCR1, or CCR2 resulted in 40-70% decreases in the binding of RANTES, MCP-1, IL-8, and MIP-1alpha. Our data show that cell surface glycosaminoglycans induce polymerization of chemokines, increasing their local concentration and therefore enhancing their effects on high-affinity receptors within the local microenvironment.

The chemokine thymus and activation-regulated chemokine (TARC; CCL17) is displayed by cutaneous (but not intestinal) venules, and is thought to trigger vascular arrest of circulating skin homing memory T cells, which uniformly express the TARC receptor CC chemokine receptor (CCR)4. Cutaneous T cell–attracting chemokine (CTACK; CCL27), expressed by skin keratinocytes, also attracts cutaneous memory T cells, and is hypothesized to assist in lymphocyte recruitment to skin as well. Here we show that chronic cutaneous inflammation induces CD4 T cells expressing E-selectin binding activity (a marker of skin homing memory cells) in draining lymph node, and that these E-selectin ligand+ T cells migrate efficiently to TARC and to CTACK. In 24 h in vivo homing assays, stimulated lymph node T cells from wild-type mice or, surprisingly, from CCR4-deficient donors migrate efficiently to inflamed skin; and an inhibitory anti-CTACK antibody has no effect on wild-type lymphocyte recruitment. However, inhibition with anti-CTACK monoclonal antibody abrogates skin recruitment of CCR4-deficient T cells. We conclude that CTACK and CCR4 can both support homing of T cells to skin, and that either one or the other is required for lymphocyte recruitment in cutaneous delayed type hypersensitivity.