Prominent clinical symptoms of COVID-19 include CNS manifestations. However, it is unclear whether severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of COVID-19, gains access to the CNS and whether it causes neuropathological changes. We investigated the brain tissue of patients who died from COVID-19 for glial responses, inflammatory changes, and the presence of SARS-CoV-2 in the CNS.In this post-mortem case series, we investigated the neuropathological features in the brains of patients who died between March 13 and April 24, 2020, in Hamburg, Germany. Inclusion criteria comprised a positive test for SARS-CoV-2 by quantitative RT-PCR (qRT-PCR) and availability of adequate samples. We did a neuropathological workup including histological staining and immunohistochemical staining for activated astrocytes, activated microglia, and cytotoxic T lymphocytes in the olfactory bulb, basal ganglia, brainstem, and cerebellum. Additionally, we investigated the presence and localisation of SARS-CoV-2 by qRT-PCR and by immunohistochemistry in selected patients and brain regions.43 patients were included in our study. Patients died in hospitals, nursing homes, or at home, and were aged between 51 years and 94 years (median 76 years [IQR 70-86]). We detected fresh territorial ischaemic lesions in six (14%) patients. 37 (86%) patients had astrogliosis in all assessed regions. Activation of microglia and infiltration by cytotoxic T lymphocytes was most pronounced in the brainstem and cerebellum, and meningeal cytotoxic T lymphocyte infiltration was seen in 34 (79%) patients. SARS-CoV-2 could be detected in the brains of 21 (53%) of 40 examined patients, with SARS-CoV-2 viral proteins found in cranial nerves originating from the lower brainstem and in isolated cells of the brainstem. The presence of SARS-CoV-2 in the CNS was not associated with the severity of neuropathological changes.In general, neuropathological changes in patients with COVID-19 seem to be mild, with pronounced neuroinflammatory changes in the brainstem being the most common finding. There was no evidence for CNS damage directly caused by SARS-CoV-2. The generalisability of these findings needs to be validated in future studies as the number of cases and availability of clinical data were low and no age-matched and sex-matched controls were included.German Research Foundation, Federal State of Hamburg, EU (eRARE), German Center for Infection Research (DZIF).

During the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic, neurological symptoms increasingly moved into the focus of interest. In this prospective cohort study, we assessed neurological and cognitive symptoms in hospitalized coronavirus disease-19 (COVID-19) patients and aimed to determine their neuronal correlates. Patients with reverse transcription-PCR-confirmed COVID-19 infection who required inpatient treatment primarily because of non-neurological complications were screened between 20 April 2020 and 12 May 2020. Patients (age > 18 years) were included in our cohort when presenting with at least one new neurological symptom (defined as impaired gustation and/or olfaction, performance < 26 points on a Montreal Cognitive Assessment and/or pathological findings on clinical neurological examination). Patients with ≥2 new symptoms were eligible for further diagnostics using comprehensive neuropsychological tests, cerebral MRI and 18fluorodeoxyglucose (FDG) PET as soon as infectivity was no longer present. Exclusion criteria were: premorbid diagnosis of cognitive impairment, neurodegenerative diseases or intensive care unit treatment. Of 41 COVID-19 inpatients screened, 29 patients (65.2 ± 14.4 years; 38% female) in the subacute stage of disease were included in the register. Most frequently, gustation and olfaction were disturbed in 29/29 and 25/29 patients, respectively. Montreal Cognitive Assessment performance was impaired in 18/26 patients (mean score 21.8/30) with emphasis on frontoparietal cognitive functions. This was confirmed by detailed neuropsychological testing in 15 patients. 18FDG PET revealed pathological results in 10/15 patients with predominant frontoparietal hypometabolism. This pattern was confirmed by comparison with a control sample using voxel-wise principal components analysis, which showed a high correlation (R2 = 0.62) with the Montreal Cognitive Assessment performance. Post-mortem examination of one patient revealed white matter microglia activation but no signs of neuroinflammation. Neocortical dysfunction accompanied by cognitive decline was detected in a relevant fraction of patients with subacute COVID-19 initially requiring inpatient treatment. This is of major rehabilitative and socioeconomic relevance.

COVID-19 can cause severe neurological symptoms, but the underlying pathophysiological mechanisms are unclear. Here, we interrogated the brain stems and olfactory bulbs in postmortem patients who had COVID-19 using imaging mass cytometry to understand the local immune response at a spatially resolved, high-dimensional, single-cell level and compared their immune map to non-COVID respiratory failure, multiple sclerosis, and control patients. We observed substantial immune activation in the central nervous system with pronounced neuropathology (astrocytosis, axonal damage, and blood-brain-barrier leakage) and detected viral antigen in ACE2-receptor-positive cells enriched in the vascular compartment. Microglial nodules and the perivascular compartment represented COVID-19-specific, microanatomic-immune niches with context-specific cellular interactions enriched for activated CD8+ T cells. Altered brain T-cell-microglial interactions were linked to clinical measures of systemic inflammation and disturbed hemostasis. This study identifies profound neuroinflammation with activation of innate and adaptive immune cells as correlates of COVID-19 neuropathology, with implications for potential therapeutic strategies.

Low-grade inflammation is a hallmark of old age and a central driver of ageing-associated impairment and disease1. Multiple factors can contribute to ageing-associated inflammation2; however, the molecular pathways that transduce aberrant inflammatory signalling and their impact in natural ageing remain unclear. Here we show that the cGAS-STING signalling pathway, which mediates immune sensing of DNA3, is a critical driver of chronic inflammation and functional decline during ageing. Blockade of STING suppresses the inflammatory phenotypes of senescent human cells and tissues, attenuates ageing-related inflammation in multiple peripheral organs and the brain in mice, and leads to an improvement in tissue function. Focusing on the ageing brain, we reveal that activation of STING triggers reactive microglial transcriptional states, neurodegeneration and cognitive decline. Cytosolic DNA released from perturbed mitochondria elicits cGAS activity in old microglia, defining a mechanism by which cGAS-STING signalling is engaged in the ageing brain. Single-nucleus RNA-sequencing analysis of microglia and hippocampi of a cGAS gain-of-function mouse model demonstrates that engagement of cGAS in microglia is sufficient to direct ageing-associated transcriptional microglial states leading to bystander cell inflammation, neurotoxicity and impaired memory capacity. Our findings establish the cGAS-STING pathway as a driver of ageing-related inflammation in peripheral organs and the brain, and reveal blockade of cGAS-STING signalling as a potential strategy to halt neurodegenerative processes during old age.

Summary

 Glioblastomas are malignant tumors of the central nervous system hallmarked by subclonal diversity and dynamic adaptation amid developmental hierarchies. The source of dynamic reorganization within the spatial context of these tumors remains elusive. Here, we characterized glioblastomas by spatially resolved transcriptomics, metabolomics, and proteomics. By deciphering regionally shared transcriptional programs across patients, we infer that glioblastoma is organized by spatial segregation of lineage states and adapts to inflammatory and/or metabolic stimuli, reminiscent of the reactive transformation in mature astrocytes. Integration of metabolic imaging and imaging mass cytometry uncovered locoregional tumor-host interdependence, resulting in spatially exclusive adaptive transcriptional programs. Inferring copy-number alterations emphasizes a spatially cohesive organization of subclones associated with reactive transcriptional programs, confirming that environmental stress gives rise to selection pressure. A model of glioblastoma stem cells implanted into human and rodent neocortical tissue mimicking various environments confirmed that transcriptional states originate from dynamic adaptation to various environments.

Abstract Aging is the primary risk factor for most neurodegenerative diseases, and recently coronavirus disease 2019 (COVID-19) has been associated with severe neurological manifestations that can eventually impact neurodegenerative conditions in the long-term. The progressive accumulation of senescent cells in vivo strongly contributes to brain aging and neurodegenerative co-morbidities but the impact of virus-induced senescence in the aetiology of neuropathologies is unknown. Here, we show that senescent cells accumulate in physiologically aged brain organoids of human origin and that senolytic treatment reduces inflammation and cellular senescence; for which we found that combined treatment with the senolytic drugs dasatinib and quercetin rejuvenates transcriptomic human brain aging clocks. We further interrogated brain frontal cortex regions in postmortem patients who succumbed to severe COVID-19 and observed increased accumulation of senescent cells as compared to age-matched control brains from non-COVID-affected individuals. Moreover, we show that exposure of human brain organoids to SARS-CoV-2 evoked cellular senescence, and that spatial transcriptomic sequencing of virus-induced senescent cells identified a unique SARS-CoV-2 variant-specific inflammatory signature that is different from endogenous naturally-emerging senescent cells. Importantly, following SARS-CoV-2 infection of human brain organoids, treatment with senolytics blocked viral retention and prevented the emergence of senescent corticothalamic and GABAergic neurons. Furthermore, we demonstrate in human ACE2 overexpressing mice that senolytic treatment ameliorates COVID-19 brain pathology following infection with SARS-CoV-2. In vivo treatment with senolytics improved SARS-CoV-2 clinical phenotype and survival, alleviated brain senescence and reactive astrogliosis, promoted survival of dopaminergic neurons, and reduced viral and senescence-associated secretory phenotype gene expression in the brain. Collectively, our findings demonstrate SARS-CoV-2 can trigger cellular senescence in the brain, and that senolytic therapy mitigates senescence-driven brain aging and multiple neuropathological sequelae caused by neurotropic viruses, including SARS-CoV-2.

Cancer treatment with anti-PD-1 immunotherapy can cause central nervous system immune-related adverse events (CNS-irAEs). The role of microglia in anti-PD-1 immunotherapy-induced CNS-irAEs is unclear. We found that anti-PD-1 treatment of mice caused morphological signs of activation and major histocompatibility complex (MHC) class II up-regulation on microglia. Functionally, anti-PD-1 treatment induced neurocognitive deficits in mice, independent of T cells, B cells, and natural killer cells. Instead, we found that microglia mediated these CNS-irAEs. Single-cell RNA sequencing revealed major transcriptional changes in microglia upon anti-PD-1 treatment. The anti-PD-1 effects were mediated by anti-PD-1 antibodies interacting directly with microglia and were not secondary to peripheral T cell activation. Using a proteomics approach, we identified spleen tyrosine kinase (Syk) as a potential target in activated microglia upon anti-PD-1 treatment. Syk inhibition reduced microglia activation and improved neurocognitive function without impairing anti-melanoma effects. Moreover, we analyzed CNS tissue from a patient cohort that had received anti-PD-1 treatment. Imaging mass cytometry revealed that anti-PD-1 treatment of patients was associated with increased surface marker expression indicative of microglia activation. In summary, we identified a disease-promoting role for microglia in CNS-irAEs driven by Syk and provide an inhibitor-based approach to interfere with this complication after anti-PD-1 immunotherapy.

In epilepsy patients with tumors involving the cortex with language representations, a comprehensive interdisciplinary workup is required to protect language function during surgical resection.1 We report the presurgical evaluation of a patient with focal epilepsy due to a progressive tumor in the language area of the left temporal lobe. After non-invasive presurgical diagnostics, we performed an invasive subdural electroencephalogram (iEEG) with extraoperative electrical stimulation mapping (ESM) prior to tumor surgery.2 A 22-year-old female university student with left-sided temporal lobe epilepsy was referred for invasive video-EEG monitoring and language mapping to guide resective tumor surgery. Her epilepsy began at the age of 20 years, and it was characterized by focal aware seizures with speech arrest, occasionally followed by focal impaired awareness seizures. Under monotherapy with Levetiracetam up to 4 g/day, she had two to three focal aware seizures/day, despite which she was able to finish her university studies. High-resolution 3T structural magnetic resonance imaging (s-MRI) showed a slowly progressive, partially contrast-enhancing low-grade neuroglial tumor located at the left posterior superior temporal gyrus (Figure 1, Panels A and B) and the basal insula. A functional language MRI (l-fMRI) confirmed left-hemispheric language dominance with activations directly adjacent to the tumor (Figure 1, Panel C). Presurgical neuropsychological assessment (NPS) revealed discrete word-finding difficulties, partly reduced verbal fluency and impaired verbal short-term and working memory performance. The right-handed patient had a normal physical examination. Written informed consent was obtained for the scientific publication of the patient's clinical data. Invasive video-EEG monitoring for 4 days with a 32-contact subdural grid implanted over the left temporal lobe was performed (Figure 1, Panel D). The ESM language cortical mapping with 50 Hz (biphasic pulses, duration 250 μs, bipolar stimulation up to 15 mA, referential stimulation up to 18 mA) comprised six different language tasks as described in detail before.3 Language representations were identified in contacts B2-3, B6, C5-C8, and D7 (Figure 1, Panel D). The language representation around contacts A3-4 and B4-5 could not be assessed due to unavoidable afterdischarges despite the additional use of lorazepam. In summary, the ESM showed a clear overlap of language representation and tumor in the left superior temporal gyrus. The irritative zone and the seizure onset zone overlapped with language representations (Figure 1, Panel D). Due to the tumor's location, only the contrast-enhancing solid component and the cyst membrane could be resected via a transsylvian approach to minimize the risk of postoperative language deficits. No need for awake surgery with additional intraoperative language mapping was seen. The postsurgical NPS revealed unchanged performance, especially in language-related tasks, and no deterioration was found. The neuropathological diagnosis was a low-grade neuroepithelial tumor not elsewhere classified (IDH1, IDH2: wild-type; Multiplex Ligation-Dependent Probe Amplification: no BRAF-V600e mutation or BRAF-KIAA1549-fusion or homozygous CDKN2A/B loss, 850 k methylome analysis inconclusive). Postsurgical s-MRI showed no complications (Figure 1F). As it was impossible to resect the entire tumor and the seizure onset zone, it is likely that the patient will not become seizure-free after surgery. The case presented illustrates how individualized concepts guide surgical decisions in patients with focal epilepsy due to a tumor in eloquent areas. The aim of removing the most relevant, contrast-enhancing tumor part was achieved without endangering cortical language representations based on solid ESM findings. It was necessary to prioritize avoiding damage to language areas over the complete removal of the tumor and the seizure onset area. Robust functional assessment of language representations is critical to minimize the risk of permanent postoperative language deficits. The ESM is the gold standard method for accurately delineating the language-relevant cortex, although the procedure is not yet standardized.2-4 As described by Wellmer et al., the type and number of applied language tasks vary between centers.3 The l-fMRI allows visualization of hemispheric lateralization of language, but its localization value is not accurate enough to define the margins of surgical resection.4-6 For a more rigorous evaluation before and after surgery, NPS assessment of language-associated functions is indispensable.7 The evaluation of functional connectivity in iEEG is promising but has not yet been proven to be as accurate as ESM in iEEG.8 Also, awake tumor surgery does not offer similar flexibility in choosing time windows free of afterdischarges and multimodal language tasks for comprehensive language mappings. So, ESM in iEEG remains the gold standard for guiding neurosurgical resection adjacent to cortical language representations. Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL. Data S1: Supporting Information Data S2: Supporting Information Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. Regarding the presurgical assessment for epilepsy surgery and brain lesions located in the left hemisphere, please select the true answer: Regarding the presurgical language electrical stimulation mapping (L-ESM), please select the false answer: Regarding tumor surgery in eloquent cortical areas, please select the true answer: