The central nervous system undergoes constant immune surveillance, but the route that immune cells take to exit the brain has been unclear as it had been thought to lack a classical lymphatic drainage system; here functional lymphatic vessels able to carry both fluid and immune cells from the cerebrospinal fluid are shown to be located in the brain meninges. The central nervous system is under constant immune surveillance, but the exit route for immune cells has been unclear as the brain was thought to lack a classical lymphatic drainage system. Jonathan Kipnis and colleagues now show that the brain does indeed possess functional lymphatic vessels, located in the meninges, and that these vessels are able to carry both fluid and immune cells from the cerebrospinal fluid. The presence of a classical lymphatic system in the central nervous system suggests that current thinking on brain tolerance and the immune privilege of the brain should be revisited. Malfunction of the meningeal lymphatic vessels could be a root cause of a variety of neuroimmunological disorders. One of the characteristics of the central nervous system is the lack of a classical lymphatic drainage system. Although it is now accepted that the central nervous system undergoes constant immune surveillance that takes place within the meningeal compartment1,2,3, the mechanisms governing the entrance and exit of immune cells from the central nervous system remain poorly understood4,5,6. In searching for T-cell gateways into and out of the meninges, we discovered functional lymphatic vessels lining the dural sinuses. These structures express all of the molecular hallmarks of lymphatic endothelial cells, are able to carry both fluid and immune cells from the cerebrospinal fluid, and are connected to the deep cervical lymph nodes. The unique location of these vessels may have impeded their discovery to date, thereby contributing to the long-held concept of the absence of lymphatic vasculature in the central nervous system. The discovery of the central nervous system lymphatic system may call for a reassessment of basic assumptions in neuroimmunology and sheds new light on the aetiology of neuroinflammatory and neurodegenerative diseases associated with immune system dysfunction.

Neuroinflammatory diseases, such as multiple sclerosis, are characterized by invasion of the brain by autoreactive T cells. The mechanism for how T cells acquire their encephalitogenic phenotype and trigger disease remains, however, unclear. The existence of lymphatic vessels in the meninges indicates a relevant link between the CNS and peripheral immune system, perhaps affecting autoimmunity. Here we demonstrate that meningeal lymphatics fulfill two critical criteria: they assist in the drainage of cerebrospinal fluid components and enable immune cells to enter draining lymph nodes in a CCR7-dependent manner. Unlike other tissues, meningeal lymphatic endothelial cells do not undergo expansion during inflammation, and they express a unique transcriptional signature. Notably, the ablation of meningeal lymphatics diminishes pathology and reduces the inflammatory response of brain-reactive T cells during an animal model of multiple sclerosis. Our findings demonstrate that meningeal lymphatics govern inflammatory processes and immune surveillance of the CNS and pose a valuable target for therapeutic intervention. Louveau et al. demonstrate that meningeal lymphatics drain CSF-derived macromolecules and immune cells and play a key role in regulating neuroinflammation. Meningeal lymphatics may represent a new therapeutic target for multiple sclerosis.

T cells in the brains of Toxoplasma-infected mice are shown to move by Lévy-like walks. T cells are an important first point of contact between the immune system and invading pathogens. The currently accepted model of the early stages of the immune reaction, in which the T cells encounter the invader, is that of a Brownian random walk. This paper reports the use of in vivo multiphoton microscopy to demonstrate that the chemokine CXCL10 enhances the ability of CD8+ T cells to control the protozoon pathogen Toxoplasma gondii. Surprisingly, the in vivo imaging reveals that T cells in the brains of mice infected with T. gondii move not by Brownian-type motion but instead follow a Lévy walk pattern of runs punctuated by periodic pauses. Mathematical simulations suggest that this mode of movement increases the chances of finding targets at unknown locations. Chemokines have a central role in regulating processes essential to the immune function of T cells1,2,3, such as their migration within lymphoid tissues and targeting of pathogens in sites of inflammation. Here we track T cells using multi-photon microscopy to demonstrate that the chemokine CXCL10 enhances the ability of CD8+ T cells to control the pathogen Toxoplasma gondii in the brains of chronically infected mice. This chemokine boosts T-cell function in two different ways: it maintains the effector T-cell population in the brain and speeds up the average migration speed without changing the nature of the walk statistics. Notably, these statistics are not Brownian; rather, CD8+ T-cell motility in the brain is well described by a generalized Lévy walk. According to our model, this unexpected feature enables T cells to find rare targets with more than an order of magnitude more efficiency than Brownian random walkers. Thus, CD8+ T-cell behaviour is similar to Lévy strategies reported in organisms ranging from mussels to marine predators and monkeys4,5,6,7,8,9,10, and CXCL10 aids T cells in shortening the average time taken to find rare targets.

Neutralizing CXCL10 reverses established vitiligo.

Interferon-γ (IFN-γ) promotes a population of T-bet+ CXCR3+ regulatory T (Treg) cells that limit T helper 1 (Th1) cell-mediated pathology. Our studies demonstrate that interleukin-27 (IL-27) also promoted expression of T-bet and CXCR3 in Treg cells. During infection with Toxoplasma gondii, a similar population emerged that limited T cell responses and was dependent on IFN-γ in the periphery but on IL-27 at mucosal sites. Transfer of Treg cells ameliorated the infection-induced pathology observed in Il27−/− mice, and this was dependent on their ability to produce IL-10. Microarray analysis revealed that Treg cells exposed to either IFN-γ or IL-27 have distinct transcriptional profiles. Thus, IFN-γ and IL-27 have different roles in Treg cell biology and IL-27 is a key cytokine that promotes the development of Treg cells specialized to control Th1 cell-mediated immunity at local sites of inflammation.

Vitiligo is an autoimmune disease of the skin causing disfiguring patchy depigmentation of the epidermis and, less commonly, hair. Therapeutic options for vitiligo are limited, reflecting in part limited knowledge of disease pathogenesis. Existing mouse models of vitiligo consist of hair depigmentation but lack prominent epidermal involvement, which is the hallmark of human disease. They are thus unable to provide a platform to fully investigate disease mechanisms and treatment. CD8(+) T cells have been implicated in the pathogenesis of vitiligo, and expression of IFN-γ is increased in the lesional skin of patients, however, it is currently unknown what role IFN-γ has in disease. Here, we have developed an adoptive transfer mouse model of vitiligo using melanocyte-specific CD8(+) T cells, which recapitulates the human condition by inducing epidermal depigmentation while sparing the hair. Like active lesions in human vitiligo, histology of depigmenting skin reveals a patchy mononuclear infiltrate and single-cell infiltration of the epidermis. Depigmentation is accompanied by accumulation of autoreactive CD8(+) T cells in the skin, quantifiable loss of tyrosinase transcript, and local IFN-γ production. Neutralization of IFN-γ with antibody prevents CD8(+) T-cell accumulation and depigmentation, suggesting a therapeutic potential for this approach.

Abstract Toxoplasma gondii is a ubiquitous intracellular protozoan parasite that establishes a life-long chronic infection largely restricted to the central nervous system (CNS). Constant immune pressure, notably IFN-γ-STAT1 signaling, is required for preventing fatal pathology during T. gondii infection. Here, we report that abrogation of STAT1 signaling in microglia, the resident immune cells of the CNS, is sufficient to induce a loss of parasite control in the CNS and susceptibility to toxoplasmic encephalitis during the early stages of chronic infection. Using a microglia-specific genetic labeling and targeting system that discriminates microglia from blood-derived myeloid cells that infiltrate the brain during infection, we find that, contrary to previous in vitro reports, microglia do not express inducible nitric-oxide synthase (iNOS) during T. gondii infection in vivo . Instead, transcriptomic analyses of microglia reveal that STAT1 regulates both (i) a transcriptional shift from homeostatic to “disease-associated microglia” (DAM) phenotype conserved across several neuroinflammatory models, including T. gondii infection, and (ii) the expression of anti-parasitic cytosolic molecules that are required for eliminating T. gondii in a cell-intrinsic manner. Further, genetic deletion of Stat1 from microglia during T. gondii challenge leads to fatal pathology despite largely equivalent or enhanced immune effector functions displayed by brain-infiltrating immune populations. Finally, we show that microglial STAT1-deficiency results in the overrepresentation of the highly replicative, lytic tachyzoite form of T. gondii , relative to its quiescent, semi-dormant bradyzoite form typical of chronic CNS infection. Our data suggest an overall protective role of CNS-resident microglia against T. gondii infection, illuminating (i) general mechanisms of CNS-specific immunity to infection (ii) and a clear role for IFN-STAT1 signaling in regulating a microglial activation phenotype observed across diverse neuroinflammatory disease states.

Microglia, the resident immune cells of the brain parenchyma, are thought to be first-line defenders against CNS infections. We sought to identify specific roles of microglia in the control of the eukaryotic parasite Toxoplasma gondii, an opportunistic infection that can cause severe neurological disease. In order to identify the specific function of microglia in the brain during infection, we sorted microglia and infiltrating myeloid cells from infected microglia reporter mice. Using RNA-sequencing, we find strong NF-kB and inflammatory cytokine signatures overrepresented in blood-derived macrophages versus microglia. Interestingly, we also find that IL-1 alpha is enriched in microglia and IL-1 beta in macrophages, which was also evident at the protein level. We find that mice lacking IL-1R1 or IL-1 alpha, but not IL-1 beta, have impaired parasite control and immune cell infiltration specifically within the brain. Further, by sorting purified populations from infected brains, we show that microglia, not peripheral myeloid cells, release IL-1 alpha ex vivo. Finally, using knockout mice as well as chemical inhibition, we show that ex vivo IL-1 alpha release is gasdermin-D dependent, and that gasdermin-D and caspase-1/11 deficient mice show deficits in immune infiltration into the brain and parasite control. These results demonstrate that microglia and macrophages are differently equipped to propagate inflammation, and that in chronic T. gondii infection, microglia specifically can release the alarmin IL-1 alpha, a cytokine that promotes neuroinflammation and parasite control.

ABSTRACT The discovery of meningeal lymphatic vessels that drain the central nervous system (CNS) has prompted new insights into how neuroinflammation develops. In this study, we examined how T cell responses against CNS-derived antigen develop in the context of infection. We found that meningeal lymphatic drainage promotes CD4 + and CD8 + T cell responses against the neurotropic parasite Toxoplasma gondii , and we discovered changes in the antigen-presenting cell compartment of the dural meninges that potentially support this process. Indeed, compared to uninfected controls, mice chronically infected with T. gondii displayed a ten-fold increase in the total number of dendritic cells in the dural meninges. These cells upregulated MHC class II, CD80, and CD86 expression, sampled cerebrospinal fluid-derived protein, and were detected within meningeal lymphatic vessels in greater numbers during infection. Disrupting meningeal lymphatic drainage via ligation surgery resulted in reduced dendritic cell number and maturation in the deep cervical lymph nodes and impaired CD4 + and CD8 + T cell activation, proliferation, and IFN-γ production at this site. Surprisingly, parasite-specific T cell responses in the brain remained intact following ligation, which may be due to activation of T cells at alternative sites during chronic infection, including lymph nodes that drain non-CNS tissue. Collectively, our work reveals that CNS lymphatic drainage supports the development of peripheral T cell responses against T. gondii but is nonetheless dispensable for host protection of the brain.