Acute brain ischemia induces a local neuroinflammatory reaction and alters peripheral immune homeostasis at the same time. Recent evidence has suggested a key role of the gut microbiota in autoimmune diseases by modulating immune homeostasis. Therefore, we investigated the mechanistic link among acute brain ischemia, microbiota alterations, and the immune response after brain injury. Using two distinct models of acute middle cerebral artery occlusion, we show by next-generation sequencing that large stroke lesions cause gut microbiota dysbiosis, which in turn affects stroke outcome via immune-mediated mechanisms. Reduced species diversity and bacterial overgrowth of bacteroidetes were identified as hallmarks of poststroke dysbiosis, which was associated with intestinal barrier dysfunction and reduced intestinal motility as determined by in vivo intestinal bolus tracking. Recolonizing germ-free mice with dysbiotic poststroke microbiota exacerbates lesion volume and functional deficits after experimental stroke compared with the recolonization with a normal control microbiota. In addition, recolonization of mice with a dysbiotic microbiome induces a proinflammatory T-cell polarization in the intestinal immune compartment and in the ischemic brain. Using in vivo cell-tracking studies, we demonstrate the migration of intestinal lymphocytes to the ischemic brain. Therapeutic transplantation of fecal microbiota normalizes brain lesion-induced dysbiosis and improves stroke outcome. These results support a novel mechanism in which the gut microbiome is a target of stroke-induced systemic alterations and an effector with substantial impact on stroke outcome.We have identified a bidirectional communication along the brain-gut microbiota-immune axis and show that the gut microbiota is a central regulator of immune homeostasis. Acute brain lesions induced dysbiosis of the microbiome and, in turn, changes in the gut microbiota affected neuroinflammatory and functional outcome after brain injury. The microbiota impact on immunity and stroke outcome was transmissible by microbiota transplantation. Our findings support an emerging concept in which the gut microbiota is a key regulator in priming the neuroinflammatory response to brain injury. These findings highlight the key role of microbiota as a potential therapeutic target to protect brain function after injury.

Abstract Blood vasculature represents a complex network of vessels with varying lengths and diameters that are precisely organized in space to allow proper tissue function. Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) is very useful to generate tomograms of tissue vasculature with high spatial accuracy. Yet, quantitative LSFM analysis is still cumbersome and available methods are restricted to single organs and advanced computing hardware. Here, we introduce VesselExpress, an automated software that reliably analyzes six characteristic vascular network parameters including vessel diameter in LSFM data on average computing hardware. VesselExpress is ~100 times faster than other existing vessel analysis tools, requires no user interaction, integrates batch processing, and parallelization. Employing an innovative dual Frangi filter approach we show that obesity induces a large-scale modulation of brain vasculature in mice and that seven other major organs differ strongly in their 3D vascular makeup. Hence, VesselExpress transforms LSFM from an observational to an analytical working tool.

Abstract Previous studies have identified a crucial role of the gut microbiome in modifying Alzheimer’s disease (AD) progression. However, the mechanisms of microbiome-brain interaction in AD, including the microbial mediators and their cellular targets in the brain, were so far unknown. Here, we identify microbiota-derived short chain fatty acids (SCFA) as key metabolites along the gut-brain axis in AD. Germ-free (GF) AD mice exhibit a substantially reduced Aβ plaque load and markedly reduced SCFA plasma concentrations; conversely, SCFA supplementation to GF AD mice was sufficient to increase the Aβ plaque load to levels of conventionally colonized animals. While Aβ generation was only mildly affected, we observed strong microglial activation and upregulation of ApoE upon the SCFA supplementation. Taken together, our results demonstrate that microbiota-derived SCFA are the key mediators along the gut-brain axis resulting in increased microglial activation, ApoE upregulation and Aβ deposition.

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.

Summary Lymphocyte contraction (LC) in central immune organs is a concomitant of sterile tissue injury, for example after stroke. Intestinal Peyer’s patches (PP) harbor large numbers of B cells, but how sterile tissue injury leads to LC in PP has not been explored. We observed rapid and macroscopically evident shrinkage of PP after stroke and myocardial infarction. Light-sheet fluorescence microscopy and flow cytometry revealed a strong reduction in the number of PP-resident B cells. Mechanistically, tissue injury triggered the activation of neutrophils that released B cell-toxic neutrophil extracellular traps (NETs) decorated with citrullinated histone-H3. Antibody-mediated or genetically induced neutrophil-loss, NETs-degradation or blockade of their generation completely reversed B cell loss and preserved the tissue architecture of PP. We also found NET-like elements in human post-stroke plasma. Hence, we propose that targeting NET-generation or -function counteracts post-injury B cell contraction in PP and thereby maintains immune homeostasis at mucosal barriers. In brief High numbers of B cells reside in the intestinal Peyer’s patches. Tuz et al. revealed that in response to sterile tissue injury, activated neutrophils release histone-decorated DNA into the circulation which induces B cell death. The loss of B cells results in the shrinkage of Peyer’s patches and reduced amounts of secretory IgA. Highlights Stroke and myocardial infarction induce the melting of Peyer’s patch Light-sheet microscopy and cytometry revealed B cell loss in Peyer’s patch Post-injury activated neutrophils release NETs and trigger B cell death Inhibition of NETs rescues B cell loss and degeneration of Peyer’s patch

Abstract Background The newly emerged severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) has caused a worldwide pandemic of human respiratory disease. Angiotensin-converting enzyme (ACE) 2 is the key receptor on lung epithelial cells to facilitate initial binding and infection of SARS-CoV-2. The binding to ACE2 is mediated via the spike glycoprotein present on the virus surface. Recent clinical data have demonstrated that patients suffering from stroke are particularly susceptible to severe courses of SARS-CoV-2 infection, thus forming a defined risk group. However, a mechanistic explanation for this finding is lacking. Sterile tissue injuries including stroke induce lymphocytopenia and systemic inflammation that might modulate the expression levels of surface proteins in distant organs. Whether systemic inflammation following stroke can specifically modulate ACE2 expression in the lung has not been investigated. Methods Mice were subjected to transient middle cerebral artery occlusion (MCAO) for 45 min and sacrificed after 24 h and 72 h for analysis of brain and lung tissues. Gene expression and protein levels of ACE2, ACE, IL-6 and IL1β were measured by quantitative PCR and Western blot, respectively. Immune cell populations in lymphoid organs were analyzed by flow cytometry. Results Strikingly, 24 h after stroke, we observed a substantial increase in the expression of ACE2 both on the transcriptional and protein levels in the lungs of MCAO mice compared to sham-operated mice. This increased expression persisted until day 3 after stroke. In addition, MCAO increased the expression of inflammatory cytokines IL-6 and IL-1β in the lungs. Higher gene expression of cytokines IL-6 and IL-1β was found in ischemic brain hemispheres and a reduced number of T-lymphocytes were present in the blood and spleen as an indicator of sterile tissue injury-induced immunosuppression. Conclusions We demonstrate significantly augmented ACE2 levels and inflammation in murine lungs after experimental stroke. These pre-clinical findings might explain the clinical observation that patients with pre-existing stroke represent a high-risk group for the development of severe SARS-CoV-2 infections. Our studies call for further investigations into the underlying signaling mechanisms and possible therapeutic interventions. Highlights Brain tissue injury increases ACE2 levels in the lungs Brain injury induces pro-inflammatory cytokine expression in the lungs Brain injury causes parenchymal inflammation and systemic lymphopenia