The only treatment of patients with acute ischemic stroke is thrombolytic therapy, which benefits only a fraction of stroke patients. Both human and experimental studies indicate that ischemic stroke involves secondary inflammation that significantly contributes to the outcome after ischemic insult. Minocycline is a semisynthetic second-generation tetracycline that exerts antiinflammatory effects that are completely separate from its antimicrobial action. Because tetracycline treatment is clinically well tolerated, we investigated whether minocycline protects against focal brain ischemia with a wide therapeutic window. Using a rat model of transient middle cerebral artery occlusion, we show that daily treatment with minocycline reduces cortical infarction volume by 76 +/- 22% when the treatment is started 12 h before ischemia and by 63 +/- 35% when started even 4 h after the onset of ischemia. The treatment inhibits morphological activation of microglia in the area adjacent to the infarction, inhibits induction of IL-1beta-converting enzyme, and reduces cyclooxygenase-2 expression and prostaglandin E(2) production. Minocycline had no effect on astrogliosis or spreading depression, a wave of ionic transients thought to contribute to enlargement of cortical infarction. Treatment with minocycline may act directly on brain cells, because cultured primary neurons were also salvaged from glutamate toxicity. Minocycline may represent a prototype of an antiinflammatory compound that provides protection against ischemic stroke and has a clinically relevant therapeutic window.

Ischemic stroke is the most common life-threatening neurological disease and has limited therapeutic options. One component of ischemic neuronal death is inflammation. Here we show that doxycycline and minocycline, which are broad-spectrum antibiotics and have antiinflammatory effects independent of their antimicrobial activity, protect hippocampal neurons against global ischemia in gerbils. Minocycline increased the survival of CA1 pyramidal neurons from 10.5% to 77% when the treatment was started 12 h before ischemia and to 71% when the treatment was started 30 min after ischemia. The survival with corresponding pre- and posttreatment with doxycycline was 57% and 47%, respectively. Minocycline prevented completely the ischemia-induced activation of microglia and the appearance of NADPH-diaphorase reactive cells, but did not affect induction of glial acidic fibrillary protein, a marker of astrogliosis. Minocycline treatment for 4 days resulted in a 70% reduction in mRNA induction of interleukin-1β-converting enzyme, a caspase that is induced in microglia after ischemia. Likewise, expression of inducible nitric oxide synthase mRNA was attenuated by 30% in minocycline-treated animals. Our results suggest that lipid-soluble tetracyclines, doxycycline and minocycline, inhibit inflammation and are neuroprotective against ischemic stroke, even when administered after the insult. Tetracycline derivatives may have a potential use also as antiischemic compounds in humans.

Minocycline, a semisynthetic tetracycline derivative, protects brain against global and focal ischemia in rodents. We examined whether minocycline reduces excitotoxicity in primary neuronal cultures. Minocycline (0.02 microm) significantly increased neuronal survival in mixed spinal cord (SC) cultures treated with 500 microm glutamate or 100 microm kainate for 24 hr. Treatment with these excitotoxins induced a dose-dependent proliferation of microglia that was associated with increased release of interleukin-1beta (IL-1beta) and was followed by increased lactate dehydrogenase (LDH) release. The excitotoxicity was enhanced when microglial cells were cultured on top of SC cultures. Minocycline prevented excitotoxin-induced microglial proliferation and the increased release of nitric oxide (NO) metabolites and IL-1beta. Excitotoxins induced microglial proliferation and increased the release of NO metabolites and IL-1beta also in pure microglia cultures, and these responses were inhibited by minocycline. In both SC and pure microglia cultures, excitotoxins activated p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK) exclusively in microglia. Minocycline inhibited p38 MAPK activation in SC cultures, and treatment with SB203580, a p38 MAPK inhibitor, but not with PD98059, a p44/42 MAPK inhibitor, increased neuronal survival. In pure microglia cultures, glutamate induced transient activation of p38 MAPK, and this was inhibited by minocycline. These findings indicate that the proliferation and activation of microglia contributes to excitotoxicity, which is inhibited by minocycline, an antibiotic used in severe human infections.

Alzheimer's disease (AD) is a common neurodegenerative disorder and the leading cause of cognitive impairment. Due to insufficient understanding of the disease mechanisms, there are no efficient therapies for AD. Most studies have focused on neuronal cells, but astrocytes have also been suggested to contribute to AD pathology. We describe here the generation of functional astrocytes from induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from AD patients with PSEN1 ΔE9 mutation, as well as healthy and gene-corrected isogenic controls. AD astrocytes manifest hallmarks of disease pathology, including increased β-amyloid production, altered cytokine release, and dysregulated Ca2+ homeostasis. Furthermore, due to altered metabolism, AD astrocytes show increased oxidative stress and reduced lactate secretion, as well as compromised neuronal supportive function, as evidenced by altering Ca2+ transients in healthy neurons. Our results reveal an important role for astrocytes in AD pathology and highlight the strength of iPSC-derived models for brain diseases.

The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease (AD) postulates that amyloid-β (Aβ) deposition and neurotoxicity play a causative role in AD; oxidative injury is thought to be central in the pathogenesis. An endogenous defense system against oxidative stress is induced by binding of the transcription factor nuclear factor E2-related factor 2 (Nrf2) to the antioxidant response element (ARE) enhancer sequence. The Nrf2-ARE pathway is activated in response to reactive oxygen species to trigger the simultaneous expression of numerous protective enzymes and scavengers. To exploit the Nrf2-ARE pathway therapeutically, we delivered Nrf2 bilaterally into the hippocampus of 9-month-old transgenic AD mice (APP/PS1 mice) using a lentiviral vector encoding human Nrf2. The data indicate that significant reductions in spatial learning deficits of aged APP/PS1 mice in a Morris Water Maze can be achieved by modulating levels of Nrf2 in the brain. Memory improvement in APP/PS1 mice after Nrf2 transduction shifts the balance between soluble and insoluble Aβ toward an insoluble Aβ pool without concomitant change in total brain Aβ burden. Nrf2 gene transfer is associated with a robust reduction in astrocytic but not microglial activation and induction of Nrf2 target gene heme oxygenase 1, indicating overall activation of the Nrf2-ARE pathway in hippocampal neurons 6 months after injection. Results warrant further exploration of the Nrf2-ARE pathway for treatment of AD and suggest that the Nrf2-ARE pathway may represent a potential therapeutic strategy to pursue in AD in humans, particularly in view of the multiple mechanisms by which Nrf2 can exert its protective effects.

Abstract Human astrocytes are multifunctional brain cells and may contribute to the pathophysiology of schizophrenia (SCZ). We differentiated astrocytes from induced pluripotent stem cells of monozygotic twins discordant for SCZ, and found sex-specific gene expression and signaling pathway alterations related particularly to inflammation and synaptic functions. While Ingenuity Pathway Analysis identified SCZ disease and synaptic transmission pathway changes in SCZ astrocytes, the most consistent findings were related to collagen and cell adhesion associated pathways. Neuronal responses to glutamate and GABA differed between astrocytes from control persons, affected twins, and their unaffected co-twins, and were normalized by clozapine treatment. SCZ astrocyte cell transplantation to the mouse forebrain caused gene expression changes in demyelination, synaptic dysfunction and inflammation pathways of mouse brain cells and resulted in behavioral changes in cognitive and olfactory functions. Altogether, our results show that astrocytes contribute to both familial risk and clinical manifestation of SCZ in a sex-specific manner.

Human stem cell-derived brain organoids provide a physiologically relevant in vitro 3D brain model for studies of neurological development that are unique to the human nervous system. Prior studies have reported protocols that support the maturation of microglia from mesodermal progenitors leading to innately developing microglia within the organoids. However, although microglia are known to support neuronal development in rodents, none of the previous studies have reported what is the impact of microglia on neuronal growth and maturation in human brain organoids. Here we show that incorporating microglial progenitors into the developing organoid supports neuronal maturation, the emergence of neurons capable of firing repetitive action potentials and the appearance of synaptic and neuronal bursting activity. Immunocompetent organoids enable experimental strategies for interrogating fundamental questions on microglial and neuronal diversity and function during human brain development.

Abstract Rationale The recently discovered meningeal lymphatic vessels (mLVs) have been proposed to be the missing link between the immune and the central nervous systems. The role of mLVs in modulating the neuro-immune response following a brain injury, however, has not been analyzed. Parenchymal T lymphocyte infiltration has been previously reported as part of secondary events after traumatic brain injury (TBI), suggestive of an adaptive neuro-immune response. The phenotype of these cells has remained mostly uncharacterized. In this study, we identified the subpopulations of T cells infiltrating the perilesional areas 30 days post-injury (an early-chronic time point). Furthermore, we analyzed how the lack of mLVs affects the magnitude and the type of immune response in the brain after TBI. Methods TBI was induced in K14-VEGFR3-Ig transgenic (TG) mice or in their littermate controls (WT; wild type), applying a controlled cortical impact (CCI). One month after TBI, T cells were isolated from cortical areas ipsilateral or contralateral to the trauma and from the spleen, then characterized by flow cytometry. Lesion size in each animal was evaluated by MRI. Results In both WT and TG-CCI mice, we found a prominent T cell infiltration in the brain confined to the perilesional cortex and hippocampus. The majority of infiltrating T cells were cytotoxic CD8+ expressing a CD44 hi CD69+ phenotype, suggesting that these are effector resident memory T cells. K14-VEGFR3-Ig mice showed a significant reduction of infiltrating CD4+ T lymphocytes, implying that mLVs are important in establishing a proper neuro-immune response. Extension of the lesion (measured as lesion volume from MRI) did not differ between the genotypes. Finally, TBI did not relate with alterations in peripheral circulating T cells, as assessed one month after injury induction. Conclusions Our data support the hypothesis that mLVs are pivotal for a proper and specific neuro-immune response after TBI, which is principally mediated by the resident memory CD8+ T cells.

Abstract Under physiological conditions in vivo astrocytes internalize and degrade neuronal mitochondria in a process called transmitophagy. Mitophagy is widely reported to be impaired in neurodegeneration but it is unknown whether and how transmitophagy is altered in Alzheimer’s disease (AD). Here we report that the internalization and degradation of neuronal mitochondria are significantly increased in astrocytes isolated from aged AD mouse brains. We also demonstrate for the first time a similar phenomenon between human neurons and AD astrocytes, and in murine hippocampi in vivo . The results suggest the involvement of S100a4 in impaired mitochondrial transfer between neurons and aged AD astrocytes. Significant increases in the mitophagy regulator Ambra1 were observed in the aged AD astrocytes. These findings demonstrate altered neuron-supporting functions of aged AD astrocytes and provide a starting point for studying the molecular mechanisms of transmitophagy in AD.

Abstract The molecular pathophysiological mechanisms underlying schizophrenia have remained unknown, and no treatment exists for primary prevention. Studies using stem cell-derived neurons have investigated differentially expressed genes (DEGs) and GO and KEGG pathways between patients and controls, but not analyzed data-driven causal molecular pathways involved. We used Ingenuity Pathway Analysis (IPA) to analyze canonical and causal pathways in two different datasets, including patients from Finland and USA. The most significant findings in canonical pathway analysis were observed for glutamate receptor signaling, hepatic fibrosis, and glycoprotein 6 (GP6) pathways in the Finnish dataset, and GP6 and hepatic fibrosis pathways in the US dataset. In data-driven causal pathways, ADCYAP1, ADAMTS , and CACNA genes were involved in the majority of the top 10 pathways differentiating patients and controls in both Finnish and US datasets. In contrast, no dopamine-specific genes were consistently involved. Results from a Finnish nation-wide database showed that the risk of schizophrenia relapse was 41% lower among first-episode patients during the use of losartan, the master regulator of an ADCYAP1, ADAMTS , and CACNA -related pathway, compared to those time periods when the same individual did not use the drug. This association was not attributable to general adherence to drug treatments. The results from the two independent datasets suggest that the GP6 signaling pathway, and the ADCYAP1, ADAMTS , and CACNA -related purine, oxidative stress, and glutamatergic signaling pathways are primary pathophysiological alterations in schizophrenia among patients with European ancestry. While no reproducible dopaminergic alterations were observed, the results imply that agents such as losartan, and ADCYAP1/PACAP -deficit alleviators, such as metabotropic glutamate 2/3 agonist MGS0028 and 5-HT7 antagonists – which have shown beneficial effects in an experimental Adcyap1 -/- mouse model for schizophrenia – could be potential treatments before the full manifestation of illness involving dopaminergic abnormalities.