The vast majority of brain tumors in adults exhibit glial characteristics. Brain tumors in children are diverse: Many have neuronal characteristics, whereas others have glial features. Here we show that activation of the G i protein-coupled receptor CXCR4 is critical for the growth of both malignant neuronal and glial tumors. Systemic administration of CXCR4 antagonist AMD 3100 inhibits growth of intracranial glioblastoma and medulloblastoma xenografts by increasing apoptosis and decreasing the proliferation of tumor cells. This reflects the ability of AMD 3100 to reduce the activation of extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 and Akt, all of which are pathways downstream of CXCR4 that promote survival, proliferation, and migration. These studies ( i ) demonstrate that CXCR4 is critical to the progression of diverse brain malignances and ( ii ) provide a scientific rationale for clinical evaluation of AMD 3100 in treating both adults and children with malignant brain tumors.

Monocyte recruitment to the central nervous system (CNS) is a necessary step in the development of pathologic inflammatory lesions in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a murine model of multiple sclerosis. Monocyte chemoattractant protein (MCP)-1, a potent agonist for directed monocyte migration, has been implicated in the pathogenesis of EAE. Here we report that deficiency in CC chemokine receptor (CCR)2, the receptor for MCP-1, confers resistance to EAE induced with a peptide derived from myelin oligodendrocyte glycoprotein peptide 35–55 (MOGp35–55). CCR2−/− mice immunized with MOGp35–55 failed to develop mononuclear cell inflammatory infiltrates in the CNS and failed to increase CNS levels of the chemokines RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted), MCP-1, and interferon (IFN)-inducible protein 10 (IP-10) as well the chemokine receptors CCR1, CCR2, and CCR5. Additionally, T cells from CCR2−/− immunized mice showed decreased antigen-induced proliferation and production of IFN-γ compared with wild-type immunized controls, suggesting that CCR2 enhances the T helper cell type 1 immune response in EAE. These data indicate that CCR2 plays a necessary and nonredundant role in the pathogenesis of EAE.

People infected with West Nile virus often experience cognitive side effects including memory loss through unknown mechanisms; mice and humans infected with the virus experience a loss in hippocampal presynaptic terminals, which can be reversed by disrupting complement or microglia in mice. A majority of West Nile virus (WNV) sufferers experience cognitive signs and symptoms, including memory dysfunction, but the mechanisms driving these impairments are largely unknown. Robyn Klein and colleagues demonstrate an enhancement of complement-mediated synaptic pruning in the hippocampus following WNV infection. This pruning required microglia and resembled developmental pruning by the same mechanism. Disruption of complement or microglia during infection protected animals from the WNV-induced memory deficits. Over 50% of patients who survive neuroinvasive infection with West Nile virus (WNV) exhibit chronic cognitive sequelae1,2. Although thousands of cases of WNV-mediated memory dysfunction accrue annually3, the mechanisms responsible for these impairments are unknown. The classical complement cascade, a key component of innate immune pathogen defence, mediates synaptic pruning by microglia during early postnatal development4,5. Here we show that viral infection of adult hippocampal neurons induces complement-mediated elimination of presynaptic terminals in a murine WNV neuroinvasive disease model. Inoculation of WNV-NS5-E218A, a WNV with a mutant NS5(E218A) protein6,7 leads to survival rates and cognitive dysfunction that mirror human WNV neuroinvasive disease. WNV-NS5-E218A-recovered mice (recovery defined as survival after acute infection) display impaired spatial learning and persistence of phagocytic microglia without loss of hippocampal neurons or volume. Hippocampi from WNV-NS5-E218A-recovered mice with poor spatial learning show increased expression of genes that drive synaptic remodelling by microglia via complement. C1QA was upregulated and localized to microglia, infected neurons and presynaptic terminals during WNV neuroinvasive disease. Murine and human WNV neuroinvasive disease post-mortem samples exhibit loss of hippocampal CA3 presynaptic terminals, and murine studies revealed microglial engulfment of presynaptic terminals during acute infection and after recovery. Mice with fewer microglia (Il34−/− mice with a deficiency in IL-34 production) or deficiency in complement C3 or C3a receptor were protected from WNV-induced synaptic terminal loss. Our study provides a new murine model of WNV-induced spatial memory impairment, and identifies a potential mechanism underlying neurocognitive impairment in patients recovering from WNV neuroinvasive disease.

ABSTRACT The activation and entry of antigen-specific CD8 + T cells into the central nervous system is an essential step towards clearance of West Nile virus (WNV) from infected neurons. The molecular signals responsible for the directed migration of virus-specific T cells and their cellular sources are presently unknown. Here we demonstrate that in response to WNV infection, neurons secrete the chemokine CXCL10, which recruits effector T cells via the chemokine receptor CXCR3. Neutralization or a genetic deficiency of CXCL10 leads to a decrease in CXCR3 + CD8 + T-cell trafficking, an increase in viral burden in the brain, and enhanced morbidity and mortality. These data support a new paradigm in chemokine neurobiology, as neurons are not generally considered to generate antiviral immune responses, and CXCL10 may represent a novel neuroprotective agent in response to WNV infection in the central nervous system.

ABSTRACT The development of an effective vaccine against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19, is a global priority. Here, we compared the protective capacity of intranasal and intramuscular delivery of a chimpanzee adenovirus-vectored vaccine encoding a pre-fusion stabilized spike protein (ChAd-SARS-CoV-2-S) in Golden Syrian hamsters. While immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S induced robust spike protein specific antibodies capable or neutralizing the virus, antibody levels in serum were higher in hamsters immunized by an intranasal compared to intramuscular route. Accordingly, ChAd-SARS-CoV-2-S immunized hamsters were protected against a challenge with a high dose of SARS-CoV-2. After challenge, ChAd-SARS-CoV-2-S-immunized hamsters had less weight loss and showed reductions in viral RNA and infectious virus titer in both nasal swabs and lungs, and reduced pathology and inflammatory gene expression in the lungs, compared to ChAd-Control immunized hamsters. Intranasal immunization with ChAd-SARS-CoV-2-S provided superior protection against SARS-CoV-2 infection and inflammation in the upper respiratory tract. These findings support intranasal administration of the ChAd-SARS-CoV-2-S candidate vaccine to prevent SARS-CoV-2 infection, disease, and possibly transmission.

Abstract SARS-CoV-2 has caused a historic pandemic of respiratory disease (COVID-19) and current evidence suggests severe disease is associated with dysregulated immunity within the respiratory tract. However, the innate immune mechanisms that mediate protection during COVID-19 are not well defined. Here we characterize a mouse model of SARS-CoV-2 infection and find that early CCR2-dependent infiltration of monocytes restricts viral burden in the lung. We find that a recently developed mouse-adapted MA-SARS-CoV-2 strain, as well as the emerging B. 1.351 variant, trigger an inflammatory response in the lung characterized by expression of pro-inflammatory cytokines and interferon-stimulated genes. scRNA-seq analysis of lung homogenates identified a hyper-inflammatory monocyte profile. Using intravital antibody labeling, we demonstrate that MA-SARS-CoV-2 infection leads to increases in circulating monocytes and an influx of CD45+ cells into the lung parenchyma that is dominated by monocyte-derived cells. We utilize this model to demonstrate that mechanistically, CCR2 signaling promotes infiltration of classical monocytes into the lung and expansion of monocyte-derived cells. Parenchymal monocyte-derived cells appear to play a protective role against MA-SARS-CoV-2, as mice lacking CCR2 showed higher viral loads in the lungs, increased lung viral dissemination, and elevated inflammatory cytokine responses. These studies have identified a CCR2-monocyte axis that is critical for promoting viral control and restricting inflammation within the respiratory tract during SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19 and continues to pose a significant public health threat throughout the world. Following SARS-CoV-2 infection, virus-specific CD4+ and CD8+ T cells are rapidly generated to form effector and memory cells and persist in the blood for several months. However, the contribution of T cells in controlling SARS-CoV-2 infection within the respiratory tract are not well understood. Using C57BL/6 mice infected with a naturally occurring SARS-CoV-2 variant (B.1.351), we evaluated the role of T cells in the upper and lower respiratory tract. Following infection, SARS-CoV-2-specific CD4+ and CD8+ T cells are recruited to the respiratory tract and a vast proportion secrete the cytotoxic molecule Granzyme B. Using antibodies to deplete T cells prior to infection, we found that CD4+ and CD8+ T cells play distinct roles in the upper and lower respiratory tract. In the lungs, T cells play a minimal role in viral control with viral clearance occurring in the absence of both CD4+ and CD8+ T cells through 28 days post-infection. In the nasal compartment, depletion of both CD4+ and CD8+ T cells, but not individually, results in persistent and culturable virus replicating in the nasal compartment through 28 days post-infection. Using in situ hybridization, we found that SARS-CoV-2 infection persisted in the nasal epithelial layer of tandem CD4+ and CD8+ T cell-depleted mice. Sequence analysis of virus isolates from persistently infected mice revealed mutations spanning across the genome, including a deletion in ORF6. Overall, our findings highlight the importance of T cells in controlling virus replication within the respiratory tract during SARS-CoV-2 infection.

Abstract Type III interferons (IFNLs) are newly discovered cytokines, acting at epithelial and other barriers, that exert immunomodulatory functions in addition to their primary roles in antiviral defense. Here we define a role for IFNLs in maintaining autoreactive T cell effector function and limiting recovery in a murine model of multiple sclerosis (MS), experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Genetic or antibody-based neutralization of the IFNL receptor (IFNLR) resulted in lack of disease maintenance during EAE, with loss of CNS Th1 effector responses and limited axonal injury. Phenotypic effects of IFNLR signaling were traced to increased antigen presenting cell (APC) function, with associated increase in T cell production of IFNγ and GM-CSF. Consistent with this, IFNL levels within lesions of CNS tissues derived from MS patients were elevated compared to MS normal appearing white matter (NAWM). Furthermore, expression of IFNLR was selectively elevated in MS active lesions compared to inactive lesions or NAWM. These findings suggest IFNL signaling as a potential therapeutic target to prevent chronic autoimmune neuroinflammation.

Abstract Background Emerging RNA viruses that target the central nervous system (CNS) lead to cognitive sequelae in survivors. Studies in humans and mice infected with West Nile virus (WNV), a re-emerging RNA virus associated with learning and memory deficits, revealed microglial-mediated synapse elimination within the hippocampus. Moreover, CNS resident memory T (T R M) cells activate microglia, limiting synapse recovery and inducing spatial learning defects in WNV-recovered mice. The signals involved in T cell-microglia interactions are unknown. Methods Here, we examined the murine WNV-recovered forebrain using single-cell RNA sequencing to identify putative ligand-receptor pairs involved in intercellular communication between T cells and microglia. Clustering and differential gene analyses were followed by protein validation, genetic and antibody-based approaches utilizing an established murine model of WNV recovery in which microglia and complement promote ongoing hippocampal synaptic loss. Results Profiling of host transcriptome at 25 days post-infection revealed a shift in forebrain homeostatic microglia to activated subpopulations with transcriptional signatures that have previously been observed in studies of neurodegenerative diseases. Importantly, CXCL16/CXCR6, a chemokine signaling pathway involved in T R M cell biology, was identified as critically regulating CXCR6 expressing CD8 + T R M cell numbers within the WNV-recovered forebrain. We demonstrate that CXCL16 is highly expressed by all myeloid cells, and its unique receptor, CXCR6, is highly expressed on all CD8 + T cells. Using genetic and pharmacological approaches, we demonstrate that CXCL16/CXCR6 is required not only for the maintenance of WNV-specific, CD8 T R M cells in the post-infectious CNS, but also contributes to their expression of T R M cell markers. Moreover, CXCR6 + CD8 + T cells are required for glial activation and ongoing synapse elimination. Conclusions We provide a comprehensive assessment of the role of CXCL16/CXCR6 as an interaction link between microglia and CD8 + T cells that maintains forebrain T R M cells, microglial and astrocyte activation, and ongoing synapse elimination in virally recovered animals. We also show that therapeutic targeting of CXCL16 during recovery may reduce CNS CD8 + T R M cells.

Neurologic complications of Zika virus (ZIKV) infection across the lifespan have been described during outbreaks in Southeast Asia, South America, and Central America since 2016. In the adult CNS ZIKV tropism for neurons is tightly linked to its effects, with neuronal loss within the hippocampus during acute infection and protracted synapse loss during recovery, which is associated with cognitive deficits. The effects of ZIKV on cortical networks have not been evaluated. Although animal behavior assays have been used previously to model cognitive impairment, in vivo brain imaging can provide orthogonal information regarding the health of brain networks in real time, providing a tool to translate findings in animal models to humans. In this study, we use widefield optical imaging to measure cortical functional connectivity (FC) in mice during acute infection with, and recovery from, intracranial infection with a mouse-adapted strain of ZIKV. Acute ZIKV infection leads to high levels of myeloid cell activation, with loss of neurons and presynaptic termini in the cerebral cortex and associated loss of FC primarily within the somatosensory cortex. During recovery, neuron numbers, synapses and FC recover to levels near those of healthy mice. However, hippocampal injury and impaired spatial cognition persist. The magnitude of activated myeloid cells during acute infection predicted both recovery of synapses and the degree of FC recovery after recovery from ZIKV infection. These findings suggest that a robust inflammatory response may contribute to the health of functional brain networks after recovery from infection.