Abstract COVID-19 is associated with diverse neurological abnormalities, which predict poor outcome in patients. However, the mechanisms whereby infection-induced inflammation could affect complex neuropathologies in COVID-19 are unclear. We hypothesized that microglia, the resident immune cells of brain, are centrally involved in this process. To study this, we developed an autopsy platform allowing the integration of molecular anatomy-, protein- and mRNA data sets in post-mortem mirror blocks of brain and peripheral organ samples from COVID-19 cases. Nanoscale microscopy, single-cell RNA sequencing and analysis of inflammatory and metabolic signatures revealed distinct mechanisms of microglial dysfunction associated with cerebral SARS-CoV-2 infection. We observed focal loss of microglial P2Y12R at sites of virus-associated vascular inflammation together with dysregulated microglia-vascular-astrocyte interactions, Cx3Cr1-fractalkine axis deficits and mitochondrial failure in severely affected medullary autonomic nuclei and other brain areas. Microglial dysfunction occurs at sites of excessive synapse- and myelin phagocytosis and loss of glutamatergic terminals. While central and systemic viral load is strongly linked in individual patients, the regionally heterogenous microglial reactivity in the brain correlated with the extent of central and systemic inflammation related to IL-1 / IL-6 via virus-sensing pattern recognition receptors (PRRs) and inflammasome activation pathways. Thus, SARS-CoV-2-induced central and systemic inflammation might lead to a primarily glio-vascular failure in the brain, which could be a common contributor to diverse COVID-19-related neuropathologies.

ABSTRACT Targeting nanoparticle therapeutics with cellular accuracy in whole organisms could open breakthrough opportunities in precision medicine. However, evaluating and fine-tuning the biodistribution of such systems in the whole organism at the cellular level remains a major obstacle. Here, we constructed targetable DNA origami, and analyzed biodistribution in transparent mice, in addition to studying tolerability, clearance kinetics, and immune response parameters. Untargeted DNA origami primarily accumulated in the spleen and the liver, while an immune cell-targeting variant successfully attached to immune cells throughout the body. A cancer cell-targeting mimetic co-localized on solid-tumor metastasis in the liver and the lung. These findings indicate that DNA origami can be directed in vivo, providing an important proof-of-concept and highlights the potential of high-resolution tissue-clearing imaging technologies in their development. Graphical Abstract Highlights This study demonstrates the potential of DNA origami-based drug delivery systems as versatile tool for for targeted delivery, which could be used to treat a range of diseases with applications. The immune compatibility, half-life, targeting efficiency, and the biodistribution evaluation of DNA origami indicate its potential for systemic drug delivery. Our approach enables the assessment of biodistribution of nanoparticles in the intact body with a sensitivity to the single-cell level, highlighting the high-resolution tissue clearing technoloies in revealing DNA origami’s feasibility for drug targeting.

The enormous medical burden of stroke is not only due to the brain injury itself and the acute systemic effects, but is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily after stroke. We hypothesized that the high rate of comorbidity developing after a stroke might have a shared immunological cause, however, the chronic effects of brain injury on systemic immunity have so far been barely investigated. Here, we identified myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Using single-cell sequencing, we identified persistent pro-inflammatory transcriptomic changes in resident monocytes/macrophages in multiple organs one month after experimental ischemic brain injury, which was particularly abundant in the heart and associated with the development of cardiac fibrosis and diastolic dysfunction. A similar phenotype was seen in myocardial autopsy samples from stroke versus control patients. We observed chronic functional changes in myeloid hematopoiesis driven by post-stroke IL-1beta-mediated epigenetic changes. These alterations could be transplanted to naive recipient mice and were sufficient to induce cardiac dysfunction. By effectively blocking the trafficking of pro-inflammatory monocytes from the bone marrow to the heart using a dual CCR2/5 inhibitor, we successfully prevented post-stroke cardiac dysfunction. This approach holds promising potential as a novel immune-targeted secondary prevention therapy. We anticipate that the epigenetic immune reprogramming mechanisms detailed here for the brain-heart axis could be generalized to provide a novel framework for explaining the development of various comorbidities after acute tissue injury in remote organs.

Abstract Neuroinflammation after stroke is characterized by the activation of resident microglia and the invasion of circulating leukocytes into the brain. Although lymphocytes infiltrate the brain in small number, they have been consistently demonstrated to be the most potent leukocyte subpopulation contributing to secondary inflammatory brain injury. However, the exact mechanism how this minimal number of lymphocytes can profoundly affect stroke outcome is still largely elusive. Here, using a mouse model for ischemic stroke, we demonstrated that early activation of microglia in response to stroke is differentially regulated by distinct T cell subpopulations. Acute treatment with engineered T cells overexpressing IL-10 administered into the cisterna magna after stroke induces a switch of microglial gene expression to a profile associated with pro-regenerative functions. These findings substantiate the role of T cells in stroke with large impact on the cerebral inflammatory milieu by polarizing the microglial phenotype. Targeting T cell-microglia interactions can have direct translational relevance for further development of immune-targeted therapies for stroke and other neuroinflammatory conditions. Summary The crosstalk between brain infiltrating T cells and microglia in response to stroke remains elusive. Benakis et al. report that transcriptional signature of the stroke-associated microglia is reprogrammed by distinct T cell subpopulations. Engineered T cells overexpressing IL-10 administered four hours after stroke reinitiate microglial function inducing a pro-regenerative environment.