Abstract The novel coronavirus SARS-CoV-2 has caused significant global morbidity and mortality and continues to burden patients with persisting neurological dysfunction. COVID-19 survivors develop debilitating symptoms to include neuro-psychological dysfunction, termed “Long COVID”, which can cause significant reduction of quality of life. Despite vigorous model development, the possible cause of these symptoms and the underlying pathophysiology of this devastating disease remains elusive. Mouse adapted (MA10) SARS-CoV-2 is a novel mouse-based model of COVID-19 which simulates the clinical symptoms of respiratory distress associated with SARS-CoV-2 infection in mice. In this study, we evaluated the long-term effects of MA10 infection on brain pathology and neuroinflammation. 10-week and 1-year old female BALB/cAnNHsd mice were infected intranasally with 10 4 plaque-forming units (PFU) and 10 3 PFU of SARS-CoV-2 MA10, respectively, and the brain was examined 60 days post-infection (dpi). Immunohistochemical analysis showed a decrease in the neuronal nuclear protein NeuN and an increase in Iba-1 positive amoeboid microglia in the hippocampus after MA10 infection, indicating long-term neurological changes in a brain area which is critical for long-term memory consolidation and processing. Importantly, these changes were seen in 40-50% of infected mice, which correlates to prevalence of LC seen clinically. Our data shows for the first time that MA10 infection induces neuropathological outcomes several weeks after infection at similar rates of observed clinical prevalence of “Long COVID”. These observations strengthen the MA10 model as a viable model for study of the long-term effects of SARS-CoV-2 in humans. Establishing the viability of this model is a key step towards the rapid development of novel therapeutic strategies to ameliorate neuroinflammation and restore brain function in those suffering from the persistent cognitive dysfunction of “Long-COVID”.

Summary In addition to the ACE2 receptor, SARS-CoV-2 binds to integrins to gain host cell entry and trigger pro-inflammatory integrin-mediated signalling cascades. Integrins, therefore, are likely candidates for a dual-receptor mechanism with ACE2 to explain the increased infectivity seen in SARS-CoV-2 models. As integrins are primarily expressed in vasculature and persistent vasculopathy is seen in COVID-19, examining the role of endothelial integrin involvement is crucial in uncovering the pathophysiology of SARS-CoV-2.

Abstract Inflammation is a key contributor to stroke pathogenesis and drives exacerbated brain damage leading to poor outcome. Interleukin-1 (IL-1) is an important regulator of post-stroke inflammation, and blocking its actions is beneficial in pre-clinical stroke models and safe in the clinical setting. IL-1α and IL-1β are the two major IL-1 type 1 receptor (IL-1R1) agonists from the IL-1 family. The distinct roles of both isoforms, and particularly that of IL-1α, remain largely unknown. Here we show that IL-1α and IL-1β have different spatio-temporal expression profiles in the brain after experimental stroke, with early microglial IL-1α expression (4 h) and delayed IL-1β expression in infiltrated neutrophils and a small microglial subset (24-72 h). We examined the specific contribution of microglial-derived IL-1α in experimental permanent and transient ischemic stroke through cell-specific tamoxifen-inducible Cre-loxP-mediated recombination. Microglial IL-1α deletion did not influence acute brain damage, cerebral blood flow, IL-1β expression, neutrophil infiltration, microglial nor endothelial activation after ischemic stroke. However, microglial IL-1α knock out (KO) mice showed reduced peri-infarct vessel density and reactive astrogliosis at 14 days post-stroke, alongside a worse functional recovery. RNA sequencing analysis and subsequent pathway analysis on ipsilateral/contralateral cortex 4 h after stroke revealed a downregulation of the neuronal CREB signaling pathway in microglial IL-1α KO compared to WT mice. Our study identifies for the first time a critical role for microglial IL-1α on neuronal activity, neurorepair and functional recovery after stroke, highlighting the importance of targeting specific IL-1 mechanisms in brain injury to develop more effective therapies.

Abstract Microglia are the primary phagocytes in the central nervous system and are responsible for clearing dead cells generated during development or disease. The phagocytic process shapes the phenotype of the microglia, which affects the local environment. A unique population of microglia reside in the ventricular-subventricular zone (V-SVZ) of neonatal mice, but how they influence this neurogenic niche is not well-understood. Here, we demonstrate that phagocytosis creates a pro-neurogenic microglial phenotype in the V-SVZ and that these microglia phagocytose apoptotic cells via the engulfment receptor Jedi-1. Deletion of Jedi-1 decreases apoptotic cell clearance, triggering the development of a neuroinflammatory phenotype, reminiscent of neurodegenerative and-age-associated microglia, that reduces neural precursor proliferation via elevated interleukin (IL)-1β signaling; inhibition of IL-1 receptor rescues precursor proliferation in vivo. Together, these results reveal a critical role for Jedi-1 in connecting microglial phagocytic activity to a phenotype that promotes neurogenesis in the developing V-SVZ. Graphical Abstract. Jedi-1-dependent phagocytosis supports neurogenesis via suppression of microglial inflammatory pathway activation Top: Wild-type Proliferative-zone-Associated Microglia (PAMs) (cyan) use the engulfment receptor Jedi-1 (‘Jedi’) to engulf apoptotic cells (yellow) in the neurogenic ventricular-subventricular zone (V-SVZ) of the early postnatal brain. Jedi activation supports neural precursor cell (NPC) proliferation and the generation of new neurons. Bottom: Deletion of Jedi reduces microglial phagocytosis and transforms PAMs into Disease-associated Inflammatory Microglia (DIMs) characterized by the upregulation of canonical inflammatory genes and core DIM markers iden ified in the aging and neurodegenerative brain (Nlrp3, NLR family pyrin domain-containing 3; Tnf, tumor necrosis factor; Ccl4, C-C chemokine ligand 4 (also called macrophage inflammatory protein 1β); Ccr5, C-C chemokine receptor type 5). Increased interleukin-1β (IL-1β) synthesis, release, and signaling in the Jedi-null V-SVZ reduces NPC proliferation and newborn neuron number. Highlights The engulfment receptor Jedi-1 is expressed by microglia in the neonatal ventricular-subventricular zone (V-SVZ) neurogenic niche. Jedi-1 knockout microglia have decreased engulfment ability, resulting in accumulation of dead cells in the V-SVZ. Loss of Jedi-1 leads to a neuroinflammatory phenotype in microglia that is characteristic of neurodegenerative and age-associated microglia. Microglial-specific loss of Jedi -1 reduces neurogenesis, which is rescued in vivo by inhibition of interleukin-1β signaling.

Abstract Our understanding of how osteocytes, the principal mechanosensors within bone, sense and perceive force remains unclear. Previous work identified “tethering elements” (TEs) spanning the pericellular space of osteocytes and transmitting mechanical information into biochemical signals. While we identified the heparan sulfate proteoglycan perlecan (PLN) as a component of these TEs, PLN must attach to the cell surface to induce biochemical responses. As voltage-sensitive calcium channels (VSCCs) are critical for bone mechanotransduction, we hypothesized that PLN binds the extracellular α 2 δ 1 subunit of VSCCs to couple the bone matrix to the osteocyte membrane. Here, we showed co-localization of PLN and α 2 δ 1 along osteocyte dendritic processes. Additionally, we quantified the molecular interactions between α 2 δ 1 and PLN domains and demonstrated for the first time that α 2 δ 1 strongly associates with PLN via its domain III. Furthermore, α 2 δ 1 is the binding site for the commonly used pain drug, gabapentin (GBP), which is associated with adverse skeletal effects when used chronically. We found that GBP disrupts PLN::α 2 δ 1 binding in vitro , and GBP treatment in vivo results in impaired bone mechanosensation. Our work identified a novel mechanosensory complex within osteocytes composed of PLN and α 2 δ 1 , necessary for bone force transmission and sensitive to the drug GBP. This work provides insights into the mechanisms underlying mechanotransduction and will inform future studies to understand the mechanisms responsible for the negative effects of GBP on bone.