Age is a non-modifiable risk factor for the inflammation that underlies age-associated diseases; thus, anti-inflammaging drugs hold promise for increasing health span. Cytokine profiling and bioinformatic analyses showed that Th17 cytokine production differentiates CD4+ T cells from lean, normoglycemic older and younger subjects, and mimics a diabetes-associated Th17 profile. T cells from older compared to younger subjects also had defects in autophagy and mitochondrial bioenergetics that associate with redox imbalance. Metformin ameliorated the Th17 inflammaging profile by increasing autophagy and improving mitochondrial bioenergetics. By contrast, autophagy-targeting siRNA disrupted redox balance in T cells from young subjects and activated the Th17 profile by activating the Th17 master regulator, STAT3, which in turn bound IL-17A and F promoters. Mitophagy-targeting siRNA failed to activate the Th17 profile. We conclude that metformin improves autophagy and mitochondrial function largely in parallel to ameliorate a newly defined inflammaging profile that echoes inflammation in diabetes.

ABSTRACT Both alcohol use disorder (AUD) and Alzheimer’s Disease and Related Dementias (ADRD) appear to include disruption in the balance of excitation and inhibition in the cortex, but their potential interactions are unclear. We examined the effect of moderate voluntary binge alcohol consumption on the aged, pre-disease neuronal environment by measuring intrinsic excitability and spontaneous neurotransmission on prefrontal cortical pyramidal (excitatory, glutamatergic) and non-pyramidal (inhibitory, GABAergic) neurons following a prolonged period of abstinence from alcohol in mice. Results highlight that binge alcohol consumption has lasting impacts on the electrophysiological properties of prefrontal cortical neurons. A profound increase in excitatory events onto layer 2/3 non-pyramidal neurons following alcohol consumption was seen, along with altered intrinsic excitability of pyramidal neurons, which could have a range of effects on Alzheimer’s Disease progression in humans. These results indicate that moderate voluntary alcohol influences the pre-disease environment in aging and highlight the need for further mechanistic investigation into this risk factor. HIGHLIGHTS Moderate voluntary alcohol consumption leads to disruption of prefrontal cortical signaling at protracted ages in both male and female mice Excitatory glutamatergic events onto prelimbic cortex GABAergic neurons, but not pyramidal neurons, are increased 6 months following alcohol exposure Both pyramidal neurons and GABAergic neurons show altered intrinsic excitability 6 months following alcohol exposure

Abstract Type 2 diabetes (T2D) is implicated as a risk factor for Alzheimer’s disease (AD), the most common form of dementia. In this work, we investigated neuroinflammatory responses of primary neurons to potentially circulating, blood–brain barrier (BBB) permeable metabolites associated with AD, T2D, or both. We identified nine metabolites associated with protective or detrimental properties of AD and T2D in literature (lauric acid, asparagine, fructose, arachidonic acid, aminoadipic acid, sorbitol, retinol, tryptophan, niacinamide) and stimulated primary mouse neuron cultures with each metabolite before quantifying cytokine secretion via Luminex. We employed unsupervised clustering, inferential statistics, and partial least squares discriminant analysis to identify relationships between cytokine concentration and disease-associations of metabolites. We identified MCP-1, a cytokine associated with monocyte recruitment, as differentially abundant between neurons stimulated by metabolites associated with protective and detrimental properties of AD and T2D. We also identified IL-9, a cytokine that promotes mast cell growth, to be differentially associated with T2D. Indeed, cytokines, such as MCP-1 and IL-9, released from neurons in response to BBB-permeable metabolites associated with T2D may contribute to AD development by downstream effects of neuroinflammation.

Abstract Apolipoprotein E (APOE) is a lipid transporter produced predominantly by astrocytes in the brain. The ε4 variant of APOE (APOE4) is the strongest and most common genetic risk factor for Alzheimer’s disease (AD). Although the molecular mechanisms of this increased risk are unclear, APOE4 is known to alter immune signaling and lipid and glucose metabolism. Astrocytes provide various forms of support to neurons, including regulating neuron metabolism and immune responses through cytokine signaling. Changes in astrocyte function due to APOE4 may therefore decrease neuronal support, leaving neurons more vulnerable to stress and disease insults. To determine whether APOE4 alters astrocyte neuronal support functions, we measured glycolytic and oxidative metabolism of neurons treated with conditioned media from APOE4 or APOE3 (the common, risk-neutral variant) primary astrocyte cultures. We found that APOE4 neurons treated with conditioned media from resting APOE4 astrocytes had similar metabolism to APOE3 astrocytes, but treatment with ACM from astrocytes challenged with amyloid-β (Aβ), a key pathological protein in AD, caused APOE4 neurons to increase their basal mitochondrial and glycolytic metabolic rates more than APOE3 neurons. These changes were not due to differences in astrocytic lactate production or glucose utilization, but instead correlated with increased glycolytic ATP production and a lack of cytokine secretion response to Aβ. Together, these findings suggest that in the presence of Aβ, APOE4 astrocytes alter immune and metabolic functions that result in a compensatory increase in neuronal metabolic stress.

Abstract Alzheimer’s disease is a neurodegenerative disorder characterized by progressive amyloid plaque accumulation, tau tangle formation, neuroimmune dysregulation, synapse an neuron loss, and changes in neural circuit activation that lead to cognitive decline and dementia. Early molecular and cellular disease-instigating events occur 20 or more years prior to presentation of symptoms, making them difficult to study, and for many years amyloid-β, the aggregating peptide seeding amyloid plaques, was thought to be the toxic factor responsible for cognitive deficit. However, strategies targeting amyloid-β aggregation and deposition have largely failed to produce safe and effective therapies, and amyloid plaque levels poorly correlate with cognitive outcomes. However, a role still exists for amyloid-β in the variation in an individual’s immune response to early, soluble forms of aggregates, and the downstream consequences of this immune response for aberrant cellular behaviors and creation of a detrimental tissue environment that harms neuron health and causes changes in neural circuit activation. Here, we perform functional magnetic resonance imaging of awake, unanesthetized Alzheimer’s disease mice to map changes in functional connectivity over the course of disease progression, in comparison to wild-type littermates. In these same individual animals, we spatiotemporally profile the immune milieu by measuring cytokines, chemokines, and growth factors across various brain regions and over the course of disease progression from pre-pathology through established cognitive deficit. We identify specific signatures of immune activation predicting hyperactivity followed by suppression of intra- and then inter-regional functional connectivity in multiple disease-relevant brain regions, following the pattern of spread of amyloid pathology.

Type 2 diabetes (T2D) is implicated as a risk factor for Alzheimer's disease (AD), the most common form of dementia. In this work, we investigated neuroinflammatory responses of primary neurons to potentially circulating, blood-brain barrier (BBB) permeable metabolites associated with AD, T2D, or both. We identified nine metabolites associated with protective or detrimental properties of AD and T2D in literature (lauric acid, asparagine, fructose, arachidonic acid, aminoadipic acid, sorbitol, retinol, tryptophan, niacinamide) and stimulated primary mouse neuron cultures with each metabolite before quantifying cytokine secretion via Luminex. We employed unsupervised clustering, inferential statistics, and partial least squares discriminant analysis to identify relationships between cytokine concentration and disease-associations of metabolites. We identified MCP-1, a cytokine associated with monocyte recruitment, as differentially abundant between neurons stimulated by metabolites associated with protective and detrimental properties of AD and T2D. We also identified IL-9, a cytokine that promotes mast cell growth, to be differentially associated with T2D. Indeed, cytokines, such as MCP-1 and IL-9, released from neurons in response to BBB-permeable metabolites associated with T2D may contribute to AD development by downstream effects of neuroinflammation.

Abstract Hemodynamic signals in the brain are used as surrogates of neural activity, but how these hemodynamic signals depend on arousal state is poorly understood. Here, we monitored neural activity and hemodynamic signals in un-anesthetized, head-fixed mice to understand how sleep and awake states impact cerebral hemodynamics. In parallel with electrophysiological recordings, we used intrinsic optical signal imaging to measure bilateral changes in cerebral hemoglobin ([HbT]), and two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) to measure dilations of individual arterioles. We concurrently monitored body motion, whisker movement, muscle EMG, cortical LFP, and hippocampal LFP to classify the arousal state of the mouse into awake, NREM sleep, or REM sleep. We found that mice invariably fell asleep during imaging, and these sleep states were interspersed with periods of awake. During both NREM and REM sleep, mice showed large increases in [HbT] relative to the awake state, showing increase in hemoglobin and arteriole diameter two to five times larger than those seen in response to sensory stimulation. During NREM sleep, the amplitude of bilateral low-frequency oscillations in [HbT] increased markedly, and coherency between neural activity and hemodynamic signals was higher than the awake resting and REM states. Bilateral correlations in neural activity and [HbT] were highest during NREM sleep, and lowest in the awake state. Our results show that hemodynamic signals in the cortex are strongly modulated by arousal state, with hemodynamic changes during sleep being substantially larger than sensory-evoked responses. These results underscore the critical importance of behavioral monitoring during studies of spontaneous activity, as sleep-related hemodynamics dominate measures of neurovascular coupling and functional connectivity.

Abstract Even with effective viral control, HIV-infected individuals are at a higher risk for morbidities associated with older age than the general population, and these serious non-AIDS events (SNAEs) track with plasma inflammatory and coagulation markers. The cell subsets driving inflammation in aviremic HIV infection are not yet elucidated. Also, whether ART-suppressed HIV infection causes premature induction of the inflammatory events found in uninfected elderly or if a novel inflammatory network ensues when HIV and older age co-exist is unclear. In this study we measured combinational expression of five inhibitory receptors (IRs) on seven immune cell subsets and 16 plasma markers from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and plasma samples, respectively, from a HIV and Aging cohort comprised of ART-suppressed HIV-infected and uninfected controls stratified by age (≤35 or ≥50 years old). For data analysis, multiple multivariate computational algorithms (cluster identification, characterization, and regression (CITRUS), partial least squares regression (PLSR), and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA)) were used to determine if immune parameter disparities can distinguish the subject groups and to investigate if there is a cross-impact of aviremic HIV and age on immune signatures. IR expression on gamma delta (γδ) T cells exclusively separated HIV+ subjects from controls in CITRUS analyses and secretion of inflammatory cytokines and cytotoxic mediators from γδ T cells tracked with TIGIT expression among HIV+ subjects. Also, plasma markers predicted the percentages of TIGIT+ γδ T cells in subjects with and without HIV in PSLR models, and a PLS-DA model of γδ T cell IR signatures and plasma markers significantly stratified all four of the subject groups (uninfected younger, uninfected older, HIV+ younger, and HIV+ older). These data implicate γδ T cells as an inflammatory driver in ART-suppressed HIV infection and provide evidence of distinct ‘inflamm-aging’ processes with and without ART-suppressed HIV infection.

Abstract The ε4 variant of apolipoprotein E ( APOE ) is the strongest and most common genetic risk factor for Alzheimer’s disease (AD). While the mechanism of conveyed risk is incompletely understood, promotion of inflammation, dysregulated metabolism, and protein misfolding and aggregation are contributors to accelerating disease. Here we determined the concurrent effects of systemic metabolic changes and brain inflammation in young (3-month-old) and aged (18-month-old) male and female mice carrying the APOE4 gene. Using functional metabolic assays alongside multivariate modeling of hippocampal cytokine levels, we found that brain cytokine signatures are predictive of systemic metabolic outcomes, independent of AD proteinopathies. Male and female mice each produce different cytokine signatures as they age and as their systemic metabolic phenotype declines, and these signatures are APOE genotype dependent. Ours is the first study to identify a quantitative and predictive link between systemic metabolism and specific pathological cytokine signatures in the brain. Our results highlight the effects of APOE4 beyond the brain and suggest the potential for bi-directional influence of risk factors in the brain and periphery. Abstract Figure