Abstract Cranial irradiation for the treatment of brain cancer elicits progressive and severe cognitive dysfunction that is associated with significant neuropathology. Radiation injury in the CNS has been linked to persistent microglial activation, and we find upregulation of pro-inflammatory genes even 6 weeks after irradiation. We hypothesize that depletion of microglia in the irradiated brain would have a neuroprotective effect. Adult mice received acute head only irradiation (9 Gy) and were administered a dietary inhibitor (PLX5622) of colony stimulating factor-1 receptor (CSF1R) to deplete microglia post-irradiation. Cohorts of mice maintained on a normal and PLX5662 diet were analyzed for cognitive changes using a battery of behavioral tasks 4–6 weeks later. PLX5622 treatment caused a rapid and near complete elimination of microglia in the brain within 3 days of treatment. Irradiation of animals given a normal diet caused characteristic behavioral deficits designed to test medial pre-frontal cortex (mPFC) and hippocampal learning and memory and caused increased microglial activation. Animals receiving the PLX5622 diet exhibited no radiation-induced cognitive deficits, and exhibited near complete loss of IBA-1 and CD68 positive microglia in the mPFC and hippocampus. Our data demonstrate that elimination of microglia through CSF1R inhibition can ameliorate radiation-induced cognitive deficits in mice.

Abstract The Mars mission will result in an inevitable exposure to cosmic radiation that has been shown to cause cognitive impairments in rodent models, and possibly in astronauts engaged in deep space travel. Of particular concern is the potential for cosmic radiation exposure to compromise critical decision making during normal operations or under emergency conditions in deep space. Rodents exposed to cosmic radiation exhibit persistent hippocampal and cortical based performance decrements using six independent behavioral tasks administered between separate cohorts 12 and 24 weeks after irradiation. Radiation-induced impairments in spatial, episodic and recognition memory were temporally coincident with deficits in executive function and reduced rates of fear extinction and elevated anxiety. Irradiation caused significant reductions in dendritic complexity, spine density and altered spine morphology along medial prefrontal cortical neurons known to mediate neurotransmission interrogated by our behavioral tasks. Cosmic radiation also disrupted synaptic integrity and increased neuroinflammation that persisted more than 6 months after exposure. Behavioral deficits for individual animals correlated significantly with reduced spine density and increased synaptic puncta, providing quantitative measures of risk for developing cognitive impairment. Our data provide additional evidence that deep space travel poses a real and unique threat to the integrity of neural circuits in the brain.

Animal models reveal an unexpected sensitivity of mature neurons in the brain to the charged particles found in space.

Purpose: Ultra-high dose-rate radiotherapy (FLASH) has been shown to mitigate normal tissue toxicities associated with conventional dose rate radiotherapy (CONV) without compromising tumor killing in preclinical models. A prominent challenge in preclinical radiation research, including FLASH, is validating both the physical dosimetry and the biological effects across multiple institutions. Methods: We previously demonstrated dosimetric reproducibility of two different electron FLASH devices at separate institutions using standardized phantoms and dosimeters. In this study, we compared the outcome of FLASH and CONV 10 Gy whole brain irradiation on female adult mice at both institutions to evaluate the reproducibility and temporal evolution of multiple endpoints. Results: FLASH sparing of behavioral performance on novel object recognition (4 months post-irradiation) and electrophysiologic long-term potentiation (LTP, 5-months post-irradiation) was reproduced between institutions. Interestingly, differences between FLASH and CONV on the endpoints of hippocampal neurogenesis (Sox2, doublecortin), neuroinflammation (microglial activation), and electrophysiology (LTP) at late times were not observed at early times. Conclusions: In summary, we demonstrated reproducible FLASH sparing effects between two beams and two institutions with validated dosimetry. FLASH sparing effects on the endpoints evaluated manifested at late but not early time points.

Abstract Cranial irradiation used to control brain malignancies invariably leads to progressive and debilitating declines in cognition. Clinical efforts implementing hippocampal avoidance and NMDAR antagonism, have sought to minimize dose to radiosensitive neurogenic regions while normalizing excitatory/inhibitory (E/I) tone. Results of these trials have yielded only marginal benefits to cognition, prompting current studies to evaluate the potential of systemic extracellular vesicle (EV) therapy to restore neurocognitive functionality in the irradiated brain. Here we tested the hypothesis that EVs derived from inhibitory but not excitatory neuronal cultures would prove beneficial to cognition and associated pathology. Rats subjected to a clinically relevant, fractionated cranial irradiation paradigm were given multiple injections of either GABAergic- or glutamatergic-derived EV and subjected to behavioral testing. Rats treated with GABAergic but not glutamatergic EVs showed significant improvements on hippocampal- and cortical-dependent behavioral tasks. While each treatment enhanced levels of the neurotrophic factors BDNF and GDNF, only GABAergic EVs preserved granule cell neuron dendritic spine density. Additional studies conducted with GABAergic EVs, confirmed significant benefits on amygdala-dependent behavior and modest changes in synaptic plasticity as measured by long-term potentiation. These data point to a potentially more efficacious approach for resolving radiation-induced neurological deficits, possibly through a mechanism able to restore homeostatic E/I balance.

Prenatal alcohol exposure (PAE) causes cognitive impairment and a distinctive craniofacial dysmorphology, due in part to apoptotic losses of the pluripotent cranial neural crest cells (CNCs) that form facial bones and cartilage. We previously reported that PAE rapidly represses expression of >70 ribosomal proteins (padj = 10-E47). Ribosome dysbiogenesis causes nucleolar stress and activates p53-MDM2-mediated apoptosis. Using primary avian CNCs and the murine CNC line O9-1, we tested whether nucleolar stress and p53-MDM2 signaling mediates this apoptosis. We further tested whether haploinsufficiency in genes that govern ribosome biogenesis, using a blocking morpholino approach, synergizes with alcohol to worsen craniofacial outcomes in a zebrafish model. In both avian and murine CNCs, pharmacologically relevant alcohol exposure (20mM, 2hr) causes the dissolution of nucleolar structures and the loss of rRNA synthesis; this nucleolar stress persisted for 18-24hr. This was followed by reduced proliferation, stabilization of nuclear p53, and apoptosis that was prevented by overexpression of MDM2 or dominant-negative p53. In zebrafish embryos, low-dose alcohol or morpholinos directed against ribosomal proteins Rpl5a, Rpl11, and Rps3a, the Tcof homolog Nolc1, or mdm2 separately caused modest craniofacial malformations, whereas these blocking morpholinos synergized with low-dose alcohol to reduce and even eliminate facial elements. Similar results were obtained using a small molecule inhibitor of RNA Polymerase 1, CX5461, whereas p53-blocking morpholinos normalized craniofacial outcomes under high-dose alcohol. Transcriptome analysis affirmed that alcohol suppressed the expression of >150 genes essential for ribosome biogenesis. We conclude that alcohol causes the apoptosis of CNCs, at least in part, by suppressing ribosome biogenesis and invoking a nucleolar stress that initiates their p53-MDM2 mediated apoptosis. We further note that the facial deficits that typify PAE and some ribosomopathies share features including reduced philtrum, upper lip, and epicanthal distance, suggesting the facial deficits of PAE represent, in part, a ribosomopathy.

Cranial radiation therapy (RT) for brain cancers leads to an irreversible decline in cognitive function without an available remedy. Radiation-induced cognitive deficits (RICD) are particularly a pressing problem for the survivors of pediatric and low grade glioma (LGG) patients who often live long post-RT. Radiation-induced elevated neuroinflammation and gliosis, triggered by the detrimental CNS complement cascade, lead to excessive synaptic and cognitive loss. Using intact and brain cancer-bearing mouse models, we now show that targeting anaphylatoxin complement C5a receptor (C5aR1) is neuroprotective against RICD. We used a genetic knockout, C5aR1 KO mouse, and a pharmacologic approach, employing the orally active, brain penetrant C5aR1 antagonist PMX205, to reverse RICD. Irradiated C5aR1 KO and WT mice receiving PMX205 showed significant neurocognitive improvements in object recognition memory and memory consolidation tasks. C5aR1 inhibition reduced microglial activation, astrogliosis, and synaptic loss in the irradiated brain. Importantly, C5aR1 inhibition in the syngeneic, orthotopic astrocytoma, and glioblastoma-bearing mice protected against RICD without interfering with the therapeutic efficacy of RT to reduce tumor volume