ABSTRACT Background Neonatal stroke is common and causes life-long motor and cognitive sequelae. Because neonates with stroke are not diagnosed until days-months after the injury, chronic targets for repair are needed. We evaluated oligodendrocyte maturity and myelination and assessed oligodendrocyte gene expression changes using single cell RNA sequencing (scRNA seq) at chronic timepoints in a mouse model of neonatal arterial ischemic stroke. Methods Mice underwent sixty minutes of transient right middle cerebral artery occlusion (MCAO) on postnatal day 10 (p10) and received 5-ethynyl-2’-deoxyuridine (EdU) on post-MCAO days 3-7 to label dividing cells. Animals were sacrificed 14 and 28-30 days post-MCAO for immunohistochemistry and electron microscopy. Oligodendrocytes were isolated from striatum 14 days post-MCAO for scRNA seq and differential gene expression analysis. Results The density of Olig2 + EdU + cells was significantly increased in ipsilateral striatum 14 days post-MCAO and the majority of oligodendrocytes were immature. Density of Olig2 + EdU + cells declined significantly between 14 and 28 days post-MCAO without a concurrent increase in mature Olig2 + EdU + cells. By 28 days post-MCAO there were significantly fewer myelinated axons in ipsilateral striatum. scRNA seq identified a cluster of “disease associated oligodendrocytes (DOLs)” specific to the ischemic striatum, with increased expression of MHC class I genes. Gene ontology analysis suggested decreased enrichment of pathways involved in myelin production in the reactive cluster. Conclusions Oligodendrocytes proliferate 3-7 days post-MCAO and persist at 14 days, but fail to mature by 28 days. MCAO induces a subset of oligodendrocytes with reactive phenotype, which may be a therapeutic target to promote white matter repair.

Abstract We have demonstrated, for the first time that microvesicles, a sub-type of extracellular vesicles (EVs) derived from hCMEC/D3: a human brain endothelial cell (BEC) line transfer polarized mitochondria to recipient BECs in culture and to neurons in mice acute brain cortical and hippocampal slices. This mitochondrial transfer increased ATP levels by 100 to 200-fold (relative to untreated cells) in the recipient BECs exposed to oxygen-glucose deprivation, an in vitro model of cerebral ischemia. We have also demonstrated that transfer of microvesicles, the larger EV fraction, but not exosomes resulted in increased mitochondrial function in hypoxic endothelial cultures. Gene ontology and pathway enrichment analysis of EVs revealed a very high association to glycolysis-related processes. In comparison to heterotypic macrophage- derived EVs, BEC-derived EVs demonstrated a greater selectivity to transfer mitochondria and increase endothelial cell survival under ischemic conditions. Highlights Microvesicles transfer mitochondria to endothelial cells and brain slice neurons Mitochondrial transfer increased ATP in ischemic brain endothelial cells (BECs) Transfer of microvesicles increased mitochondrial function in hypoxic BECs Transfer of exosomes did not affect mitochondrial function in hypoxic BECs Homotypic BEC-derived EVs result in greater ATP levels in the recipient BECs

Functional impairment after brain ischemia results in part from loss of neuronal spines and dendrites, independent of neuronal death. Cofilin-actin rods are covalently linked aggregates of colfilin-1 and actin that form in neuronal processes (neurites) under conditions of ATP depletion and oxidative stress, and which cause neurite degeneration if not disassembled. ATP depletion and oxidative stress occur with differing severity, duration, and time course in different ischemic conditions. Here we evaluated four mouse models of brain ischemia to define the conditions that drive formation of cofilin-actin rods. Three of the models provide early reperfusion: transient middle cerebral artery occlusion (MCAo), transient bilateral common carotid occlusion (CCAo), and cardiac arrest / cardiopulmonary resuscitation (CA/CPR). Early reperfusion restores ATP generating capacity, but also induces oxidative stress. The fourth model, photothrombotic cortical infarction, does not provide reperfusion. Cofilin-actin rods were formed in each of these models, but with differing patterns. Where acute reperfusion occurred, rod formation was maximal within 4 hours after reperfusion. Where infarction occurred, rods continued to form for at least 24 hours after ischemic onset, and extended into the adjacent non-ischemic tissue. Interventions that limit cofilin-actin rod formation may help to preserve integrity of neuronal processes in permanent ischemia.

The Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is a central regulator of learning and memory, which poses a problem for targeting it therapeutically. Indeed, our study supports prior conclusions that long-term interference with CaMKII signaling can erase pre-formed memories. By contrast, short-term pharmacological CaMKII inhibition with tatCN19o interfered with learning in mice only mildly and transiently (for less than 1 h) and did not at all reverse pre-formed memories. This was at â‰¥500fold of the dose that protected hippocampal neurons from cell death after a highly clinically relevant pig model of transient global cerebral ischemia: ventricular fibrillation followed by advanced life support and electrical defibrillation to induce return of spontaneous circulation. Of additional importance for therapeutic development, cardiovascular safety studies in mice and pig did not indicate any concerns with acute tatCN19o injection. Taken together, even though prolonged interference with CaMKII signaling can erase memory, acute short-term CaMKII inhibition with tatCN19o did not cause such retrograde amnesia that would pose a contraindication for therapy.

Abstract Fibrinolysis is the enzymatic degradation of fibrin, the biopolymer that gives blood clots their mechanical integrity. To reestablish blood flow in vessels occluded by clots, tissue plasminogen activator (tPA) can be used; however, its efficacy is limited by transport to and into a clot and by the depletion of its substrate, plasminogen. To overcome these rate limitations, we design a platform to co-deliver tPA and plasminogen based on microwheels (μwheels), wheel-like assemblies of superparamagnetic colloidal beads that roll along surfaces at high speeds and carry therapeutic payloads in applied magnetic fields. By experimentally measuring fibrinolysis of plasma clots at varying concentrations of tPA and plasminogen, the biochemical speed limit was first determined. These data, in conjunction with measurements of μwheel translation, activity of immobilized tPA on beads, and plasminogen release kinetics from magnetic mesoporous silica nanoparticles (mMSN), were used in a mathematical model to identify the optimal tPA:plasminogen ratio and guide the coupling of plasminogen-loaded mMSN to tPA functionalized superparamagnetic beads. Once coupled, particle-bead assemblies form into a co-delivery vehicle that rolls to plasma clot interfaces and lyses them at rates comparable to the biochemical speed limit. With the addition of mechanical action provided by rotating μwheels to penetrate clots, this barrier was exceeded by rates 40-fold higher lysis by 50 nM tPA. This co-delivery of an immobilized enzyme and its substrate via a microbot capable of mechanical work has the potential to target and rapidly lyse clots that are inaccessible by mechanical thrombectomy devices or recalcitrant to systemic tPA delivery.

ABSTRACT The dorsal subiculum (dSub) is one of the key structures responsible for the formation of hippocampal memory traces but the contribution of individual ionic currents to its cognitive function is not well studied. Although we recently reported that low-voltage-activated T-type calcium channels (T-channels) are crucial for the burst firing pattern regulation in the dSub pyramidal neurons, their potential role in learning and memory remains unclear. Here we used in vivo local field potential recordings and miniscope calcium imaging in freely behaving mice coupled with pharmacological and genetic tools to address this gap in knowledge. We show that the Ca V 3.1 isoform of T-channels is critically involved in controlling neuronal activity in the dSub in vivo . Altering burst firing pattern by inhibiting T-channel activity markedly affects calcium dynamics, synaptic plasticity, neuronal oscillations and phase-amplitude coupling in the dSub, thereby disrupting spatial learning. These results provide a crucial causative link between the Ca V 3.1 channels, burst firing activity of dSub neurons and memory processing, thus further supporting the notion that changes in neuronal excitability regulate memory trace formation. We posit that subicular Ca V 3.1 T-channels could be a promising novel drug target for cognitive disorders.

ABSTRACT Following an ischemic insult to the brain, there is an acute loss of GABAergic inhibitory synapses and an increase in excitatory/ inhibitory (E/I) imbalance that drives neuronal hyperexcitability. It is unknown whether this E/I imbalance persists at delayed timepoints and contributes to chronic impairments in memory and long-term potentiation (LTP) in the hippocampus following ischemic brain injury. Here, we reveal a shift to reduced E/I ratio in hippocampal CA1 neurons via a persistent increase in postsynaptic GABA A receptor mediated inhibitory responses and clustering days after a global ischemic insult. This enhancement of postsynaptic inhibitory function and clustering required activation of the Ca 2+ -permeable TRPM2 ion channel and the Ca 2+ -dependent kinase, CaMKII. Thus, we propose a mechanism in which acute downregulation of GABA A receptors is followed by a strengthening of inhibitory synapses at delayed periods after ischemia. Targeting this mechanism has therapeutic potential to recover hippocampal plasticity and cognitive function post-ischemia. GRAPHICAL ABSTRACT