Microglia are resident myeloid cells of the central nervous system integral for neuroprotective and neurodegenerative processes. Here the authors describe a unique TGF-β dependent molecular and functional microglia signature that distinguishes these cells from other immune and glial cells in the periphery and brain. Microglia are myeloid cells of the CNS that participate both in normal CNS function and in disease. We investigated the molecular signature of microglia and identified 239 genes and 8 microRNAs that were uniquely or highly expressed in microglia versus myeloid and other immune cells. Of the 239 genes, 106 were enriched in microglia as compared with astrocytes, oligodendrocytes and neurons. This microglia signature was not observed in microglial lines or in monocytes recruited to the CNS, and was also observed in human microglia. We found that TGF-β was required for the in vitro development of microglia that express the microglial molecular signature characteristic of adult microglia and that microglia were absent in the CNS of TGF-β1–deficient mice. Our results identify a unique microglial signature that is dependent on TGF-β signaling and provide insights into microglial biology and the possibility of targeting microglia for the treatment of CNS disease.

Abstract Both microglia, the resident myeloid cells of the CNS parenchyma, and infiltrating blood‐derived macrophages participate in inflammatory responses in the CNS. Macrophages can be polarized into M1 and M2 phenotypes, which have been linked to functional properties including production of inflammation association molecules and phagocytic activity. We compare phenotypic and functional properties of microglia derived from the adult human CNS with macrophages derived from peripheral blood monocytes in response to M1 and M2 polarizing conditions. Under M1 conditions, microglia and macrophages upregulate expression of CCR7 and CD80. M2 treatment of microglia‐induced expression of CD209 but not additional markers CD23, CD163, and CD206 expressed by M2 macrophages. M1‐polarizing conditions induced production of IL‐12p40 by both microglia and macrophages; microglia produced higher levels of IL‐10 under M1 conditions than did macrophages. Under M2 conditions, microglia ± LPS produced comparable levels of IL‐10 under M1 conditions whereas IL‐10 was induced by LPS in M2 macrophages. Myelin phagocytosis was greater in microglia than macrophages under all conditions; for both cell types, activity was higher for M2 cells. Our findings delineate distinctive properties of microglia compared with exogenous myeloid cells in response to signals derived from an inflammatory environment in the CNS. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Microglia are increasingly implicated in brain pathology, particularly neurodegenerative disease, with many genes implicated in Alzheimer's, Parkinson's, and motor neuron disease expressed in microglia. There is, therefore, a need for authentic, efficient in vitro models to study human microglial pathological mechanisms. Microglia originate from the yolk sac as MYB-independent macrophages, migrating into the developing brain to complete differentiation. Here, we recapitulate microglial ontogeny by highly efficient differentiation of embryonic MYB-independent iPSC-derived macrophages then co-culture them with iPSC-derived cortical neurons. Co-cultures retain neuronal maturity and functionality for many weeks. Co-culture microglia express key microglia-specific markers and neurodegenerative disease-relevant genes, develop highly dynamic ramifications, and are phagocytic. Upon activation they become more ameboid, releasing multiple microglia-relevant cytokines. Importantly, co-culture microglia downregulate pathogen-response pathways, upregulate homeostatic function pathways, and promote a more anti-inflammatory and pro-remodeling cytokine response than corresponding monocultures, demonstrating that co-cultures are preferable for modeling authentic microglial physiology.

GM-CSF–producing B cells contribute to multiple sclerosis pathogenesis and the therapeutic action of B cell depletion.

Background and Purpose— Outcome measurement fidelity within and between sites of multi-site, randomized, clinical trials is an essential element to meaningful trial outcomes. As important are the methods developed for randomized, clinical trials that can have practical utility for clinical practice. A standardized measurement method and rater training program were developed for the total Fugl-Meyer motor and sensory assessments; inter-rater reliability was used to test program effectiveness. Methods— Fifteen individuals with hemiparetic stroke, 17 trained physical therapists across 5 regional clinical sites, and an expert rater participated in an inter-rater reliability study of the Fugl-Meyer motor (total, upper extremity, and lower extremity subscores) and sensory (total, light touch, and proprioception subscores) assessments. Results— Intra-rater reliability for the expert rater was high for the motor and sensory scores (range, 0.95–1.0). Inter-rater agreement (intraclass correlation coefficient, 2, 1) between expert and therapist raters was high for the motor scores (total, 0.98; upper extremity, 0.99; lower extremity, 0.91) and sensory scores (total, 0.93; light touch, 0.87; proprioception, 0.96). Conclusions— Standardized measurement methods and training of therapist assessors for a multi-site, rehabilitation, randomized, clinical trial resulted in high inter-rater reliability for the Fugl-Meyer motor and sensory assessments. Poststroke sensorimotor impairment severity can be reliably assessed for clinical practice or rehabilitation research with these methods.

Abstract Microglial activation plays central roles in neuro-inflammatory and neurodegenerative diseases. Positron emission tomography (PET) targeting 18kDa Translocator Protein (TSPO) is widely used for localising inflammation in vivo , but its quantitative interpretation remains uncertain. We show that TSPO expression increases in activated microglia in mouse brain disease models but does not change in a non-human primate disease model or in common neurodegenerative and neuroinflammatory human diseases. We describe genetic divergence in the TSPO gene promoter, consistent with the hypothesis that the increase in TSPO expression in activated myeloid cells is unique to a subset of species within the Muroidea superfamily of rodents. We show that TSPO is mechanistically linked to classical pro-inflammatory myeloid cell function in rodents but not humans. These data emphasise that TSPO expression in human myeloid cells is related to different phenomena than in mice, and that TSPO PET reflects density of inflammatory cells rather than activation state.

Abstract B cells and T cells collaborate in multiple sclerosis (MS) pathogenesis. IgH [MOG] mice possess a B cell repertoire skewed to recognize myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG). Here, we show that upon immunization with the T cell-obligate autoantigen, MOG [35-55] , IgH [MOG] mice develop rapid and exacerbated experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) relative to wildtype (WT) counterparts, characterized by aggregation of T and B cells in the IgH [MOG] meninges and by CD4 + T helper 17 (Th17) cells in the CNS. Production of the Th17 maintenance factor IL-23 is observed from IgH [MOG] CNS-infiltrating and meningeal B cells, and in vivo blockade of IL-23p19 attenuates disease severity in IgH [MOG] mice. In the CNS parenchyma and dura mater of IgH [MOG] mice, we observe an increased frequency of CD4 + PD-1 + CXCR5 - T cells that share numerous characteristics with the recently described T peripheral helper (Tph) cell subset. Further, CNS-infiltrating B and Tph cells from IgH [MOG] mice show increased reactive oxygen species (ROS) production. Meningeal inflammation, Tph-like cell accumulation in the CNS and B/Tph cell production of ROS were all reduced upon p19 blockade. Altogether, MOG-specific B cells promote autoimmune inflammation of the CNS parenchyma and meninges in an IL-23-dependent manner.

ABSTRACT Neuroinflammation in utero may result in life-long neurological disabilities. Microglia play a pivotal role, but the mechanisms are poorly understood. No early postnatal treatment strategies exist to enhance neuroprotective potential of microglia. We hypothesized that agonism on α7 nicotinic acetylcholine receptor (α7nAChR) in fetal microglia will augment their neuroprotective transcriptome profile, while the antagonistic stimulation of α7nAChR will achieve the opposite. Using an in vivo - in vitro model of developmental programming of neuroinflammation induced by lipopolysaccharide (LPS), we validated this hypothesis in primary fetal sheep microglia cultures re-exposed to LPS in presence of a selective α7nAChR agonist or antagonist. Our RNAseq and protein level findings show that a pro-inflammatory microglial phenotype acquired in vitro by LPS stimulation is reversed with α7nAChR agonistic stimulation. Conversely, antagonistic α7nAChR stimulation potentiates the pro-inflammatory microglial phenotype. Surprisingly, under conditions of LPS double-hit an interference of a postulated α7nAChR - ferroportin signaling pathway may impede this mechanism. These results suggest a therapeutic potential of α7nAChR agonists in early re-programming of microglia in neonates exposed to in utero inflammation via an endogenous cerebral cholinergic anti-inflammatory pathway. Future studies will assess the role of interactions between inflammation-triggered microglial iron sequestering and α7nAChR signaling in neurodevelopment.

Abstract Dysfunctional paracrine signaling through Pannexin 1 (PANX1) channels is linked to several adult neurological pathologies and emerging evidence suggests that PANX1 plays an important role in human brain development. It remains unclear how early PANX1 influences brain development, or how loss of PANX1 alters the developing human brain. Using a cerebral organoid model of early human brain development, we find that PANX1 is expressed at all stages of organoid development from neural induction through to neuroepithelial expansion and maturation. Interestingly, PANX1 cellular distribution and subcellular localization changes dramatically throughout cerebral organoid development. During neural induction, PANX1 becomes concentrated at the apical membrane domain of neural rosettes where it co-localizes with several apical membrane adhesion molecules. During neuroepithelial expansion, PANX1 -/- organoids are significantly smaller than control and exhibit significant gene expression changes related to cell adhesion, Wnt signaling and non-coding RNAs. As cerebral organoids mature, PANX1 expression is significantly upregulated and is primarily localized to neuronal populations outside of the ventricular-like zones. Ultimately, PANX1 protein can be detected in all layers of a 21-22 post conception week human fetal cerebral cortex. Together, these results show that PANX1 is dynamically expressed by numerous cell types throughout embryonic and early fetal stages of human corticogenesis and loss of PANX1 compromises neuroepithelial expansion due to dysregulation of cell-cell and cell-matrix adhesion, perturbed intracellular signaling, and changes to gene regulation.

Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease characterized by demyelination and neurodegeneration in the brain, spinal cord and optic nerve. Neuronal degeneration and death underlie progressive forms of MS and cognitive dysfunction. Neuronal damage is triggered by numerous harmful factors in the brain that engage diverse signalling cascades in neurons thus therapeutic approaches to protect neurons will need to focus on agents that can target broad biological processes. To target the broad spectrum of signaling events that mediate neurodegeneration in MS we have focused on non-coding small microRNAs (miRNAs). microRNAs are epigenetic regulators of protein expression, targeting messenger RNAs (mRNAs) and inhibiting their translation. Dysregulation of miRNAs has been described in many neurodegenerative diseases including MS. In this study we identified two miRNAs, miR-223-3p and miR-27a-3p, that were upregulated in neurons in the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model of CNS inflammation and in active MS lesions. Overexpression of miR-27a-3p or miR-223-3p protected dissociated cortical neurons from degeneration in response to peripheral blood mononuclear cell conditioned media (PBMC-CM). Introduction of miR-223-3p in vivo in mouse retinal ganglion cells (RGCs) protected RGC axons from degeneration in the EAE model. By in silico analysis we found that mRNAs in the glutamate receptor (GluR) pathway are enriched in miR-27a-3p and miR-223-3p targets. Antagonism of the GluR pathway protected neurons from PBMC-CM-dependent degeneration. Our results suggest that miR-223-3p and miR-27a-3p are upregulated in response to inflammation to mediate a compensatory neuroprotective gene expression program that desensitizes neurons to glutamate by downregulating mRNAs involved in GluR signalling.