Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating central nervous system (CNS) disorder that is associated with functional impairment and accruing disability. There are multiple U.S. Food and Drug Administration (FDA)-approved drugs that effectively dampen inflammation and slow disability progression. However, these agents do not work well for all patients and are associated with side effects that may limit their use. The vagus nerve (VN) provides a direct communication conduit between the CNS and the periphery, and modulation of the inflammatory reflex via electrical stimulation of the VN (VNS) shows efficacy in ameliorating pathology in several CNS and autoimmune disorders. We therefore investigated the impact of VNS in a rat experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model of MS. In this study, VNS-mediated neuroimmune modulation is demonstrated to effectively decrease EAE disease severity and duration, infiltration of neutrophils and pathogenic lymphocytes, myelin damage, blood–brain barrier disruption, fibrinogen deposition, and proinflammatory microglial activation. VNS modulates expression of genes that are implicated in MS pathogenesis, as well as those encoding myelin proteins and transcription factors regulating new myelin synthesis. Together, these data indicate that neuroimmune modulation via VNS may be a promising approach to treat MS, that not only ameliorates symptoms but potentially also promotes myelin repair (remyelination).

In Alzheimer disease (AD) pathophysiology, plaque and tangle accumulation trigger an inflammatory response that mounts positive feed-back loops between inflammation and protein aggregation, aggravating neurite damage and neuronal death. One of the earliest brain regions to undergo neurodegeneration is the locus coeruleus (LC), the predominant site of norepinephrine (NE) production in the central nervous system (CNS). In animal models of AD, dampening the impact of noradrenergic signaling pathways, either through administration of beta blockers or pharmacological ablation of the LC, heightened neuroinflammation through increased levels of pro-inflammatory mediators. Since microglia are the resident immune cells of the CNS, it is reasonable to postulate that they are responsible for translating the loss of NE tone into exacerbated disease pathology. Recent findings from our lab demonstrated that noradrenergic signaling inhibits microglia dynamics via β2 adrenergic receptors (β2ARs), suggesting a potential anti-inflammatory role for microglial β2AR signaling. Thus, we hypothesize that microglial β2 adrenergic signaling is progressively impaired during AD progression, which leads to the chronic immune vigilant state of microglia that worsens disease pathology. First, we characterized changes in microglial β2AR signaling as a function of amyloid pathology. We found that LC neurons and their projections degenerate early and progressively in the 5xFAD mouse model of AD; accompanied by mild decrease in the levels of norepinephrine and its metabolite normetanephrine. Interestingly, while 5xFAD microglia, especially plaque-associated microglia, significant downregulated β2AR gene expression early in amyloid pathology, they did not lose their responsiveness to β2AR stimulation. Most importantly, we demonstrated that specific microglial β2AR deletion worsened disease pathology while chronic β2AR stimulation resulted in attenuation of amyloid pathology and associated neuritic damage, suggesting microglial β2AR might be used as potential therapeutic target to modify AD pathology.

Background: Links between acute lung injury (ALI), infectious disease, and neurological outcomes have been frequently discussed over the past few years, especially due to the COVID-19 pandemic. Yet, much of the cross-communication between organs, particularly the lung and the brain, has been understudied. Here, we have focused on the role of neutrophils in driving changes to the brain endothelium with ensuing microglial activation and neuronal loss in a model of ALI. Methods: We have applied a three-dose paradigm of 10μg/40μl intranasal lipopolysaccharide (LPS) to induce neutrophilia accompanied by proteinaceous exudate in bronchoalveolar lavage fluid (BALF) in adult C57BL/6 mice. Brain endothelial markers, microglial activation, and neuronal cytoarchitecture were evaluated 24hr after the last intranasal dose of LPS or saline. C57BL/6-Ly6g(tm2621(Cre-tdTomato)Arte (Catchup mice) were used to measure neutrophil and blood-brain barrier permeability following LPS exposure with intravital 2-photon imaging. Results: Three doses of intranasal LPS induced robust neutrophilia accompanied by proteinaceous exudate in BALF. ALI triggered central nervous system pathology as highlighted by robust activation of the cerebrovascular endothelium (VCAM1, CD31), accumulation of plasma protein (fibrinogen), microglial activation (IBA1, CD68), and decreased expression of proteins associated with postsynaptic terminals (PSD-95) in the hippocampal stratum lacunosum moleculare, a relay station between the entorhinal cortex and CA1 of the hippocampus. 2-photon imaging of Catchup mice revealed neutrophil homing to the cerebral endothelium in the blood-brain barrier and neutrophil extravasation from cerebral vasculature 24hr after the last intranasal treatment. Conclusions: Overall, these data demonstrate ensuing brain pathology resulting from ALI, highlighting a key role for neutrophils in driving brain endothelial changes and subsequent neuroinflammation. This paradigm may have a considerable translational impact on understanding how infectious disease with ALI can lead to neurodegeneration, particularly in the elderly.

Abstract The botulinum neurotoxin serotype A (BoNT/A) cuts a single peptide bond in SNAP25, an activity used to treat a wide range of diseases. Reengineering the substrate specificity of BoNT/A’s protease domain (LC/A) could expand its therapeutic applications; however, LC/A’s extended substrate recognition (≈60 residues) challenges conventional approaches. We report a directed evolution method for retargeting LC/A’s substrate and retaining its exquisite specificity. The resultant eight-mutation LC/A (omLC/A) has improved cleavage specificity and catalytic efficiency (1300- and 120-fold, respectively) for SNAP23 versus SNAP25 compared to a previously reported LC/A variant. Importantly, the BoNT/A holotoxin equipped with omLC/A infiltrates neurons and retains its SNAP23 activity. The identification of substrate control loops outside BoNT/A’s active site could guide the design of improved BoNT proteases and inhibitors. One Sentence Summary Directed evolution of the BoNT/A protease targets a new cellular protein, SNAP23, expanding its therapeutic potential.