The medical burden of stroke extends beyond the brain injury itself and is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily. We hypothesized that these comorbidities might share a common immunological cause, yet chronic effects post-stroke on systemic immunity are underexplored. Here, we identify myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Single-cell sequencing revealed persistent pro-inflammatory changes in monocytes/macrophages in multiple organs up to 3 months after brain injury, notably in the heart, leading to cardiac fibrosis and dysfunction in both mice and stroke patients. IL-1β was identified as a key driver of epigenetic changes in innate immune memory. These changes could be transplanted to naive mice, inducing cardiac dysfunction. By neutralizing post-stroke IL-1β or blocking pro-inflammatory monocyte trafficking with a CCR2/5 inhibitor, we prevented post-stroke cardiac dysfunction. Such immune-targeted therapies could potentially prevent various IL-1β-mediated comorbidities, offering a framework for secondary prevention immunotherapy.

Abstract Incomplete reperfusion of the microvasculature (“no-reflow”) after ischemic stroke damages salvageable brain tissue. Previous ex-vivo studies suggest pericytes are vulnerable to ischemia and may exacerbate no-reflow, but the viability of pericytes and their association with no-reflow remains underexplored in vivo. Using longitudinal in vivo 2-photon single-cell imaging over seven days we show 87% of pericytes constrict during cerebral ischemia, remain constricted post-reperfusion and 50% of the pericyte population are acutely damaged. Moreover, we reveal ischemic pericytes are fundamentally implicated in capillary no-reflow by limiting and arresting blood flow within the first 24 hours post-stroke. Despite sustaining acute membrane damage, we observe up to 80% of cortical pericytes survive ischemia, upregulate unique transcriptomic profiles and replicate. Finally, we demonstrate delayed recovery of capillary diameter by ischemic pericytes after reperfusion predicts vessel reconstriction in the sub-acute phase of stroke. Cumulatively, these findings demonstrate surviving cortical pericytes remain both viable and promising therapeutic targets to counteract no-reflow after ischemic stroke.

The enormous medical burden of stroke is not only due to the brain injury itself and the acute systemic effects, but is largely determined by chronic comorbidities that develop secondarily after stroke. We hypothesized that the high rate of comorbidity developing after a stroke might have a shared immunological cause, however, the chronic effects of brain injury on systemic immunity have so far been barely investigated. Here, we identified myeloid innate immune memory as a cause of remote organ dysfunction after stroke. Using single-cell sequencing, we identified persistent pro-inflammatory transcriptomic changes in resident monocytes/macrophages in multiple organs one month after experimental ischemic brain injury, which was particularly abundant in the heart and associated with the development of cardiac fibrosis and diastolic dysfunction. A similar phenotype was seen in myocardial autopsy samples from stroke versus control patients. We observed chronic functional changes in myeloid hematopoiesis driven by post-stroke IL-1beta-mediated epigenetic changes. These alterations could be transplanted to naive recipient mice and were sufficient to induce cardiac dysfunction. By effectively blocking the trafficking of pro-inflammatory monocytes from the bone marrow to the heart using a dual CCR2/5 inhibitor, we successfully prevented post-stroke cardiac dysfunction. This approach holds promising potential as a novel immune-targeted secondary prevention therapy. We anticipate that the epigenetic immune reprogramming mechanisms detailed here for the brain-heart axis could be generalized to provide a novel framework for explaining the development of various comorbidities after acute tissue injury in remote organs.

Abstract Nanotechnology holds great promise to improve delivery of therapeutics to the brain. Current experimental approaches are, however, hampered by the lack of tools to dynamically monitor cargo delivery in vivo . We developed highly fluorescent lipid nanodroplets (LNDs) that carry a Förster-resonance energy transfer (FRET)-based drug delivery detection system able to monitor cargo release (FedEcs) in vivo . We investigated the distribution, stability, and cargo release of FedEcs-LNDs in the healthy and ischemic mouse brain by intravital multiphoton microscopy. We dynamically observed that LNDs accumulated within cerebral microclots after ischemia, caused by magnetic nanoparticles (Nano-stroke), and released their cargo. Furthermore, the blood-brain barrier (BBB) became permeable at sites of microclots thereby allowing FedEcs-LNDs to cross the BBB and to deliver their cargo to the brain parenchyma. Consequently, FedEcs represents a novel tool to quantitatively investigate the nanocarriers biodistribution and cargo release using intravital microscopy and may thus tremendously ease their translational validation.

Neuronal activity is accompanied by a net outflow of potassium ions (K