Cilia are complex organelles involved in sensory perception and fluid or cell movement. They are constructed through a highly conserved process called intraflagellar transport (IFT). Mutations in IFT genes, such as Tg737, result in severe developmental defects and disease. In the case of the Tg737orpk mutants, these pathological alterations include cystic kidney disease, biliary and pancreatic duct abnormalities, skeletal patterning defects, and hydrocephalus. Here, we explore the connection between cilia dysfunction and the development of hydrocephalus by using the Tg737orpk mutants. Our analysis indicates that cilia on cells of the brain ventricles of Tg737orpk mutant mice are severely malformed. On the ependymal cells, these defects lead to disorganized beating and impaired cerebrospinal fluid (CSF) movement. However, the loss of the cilia beat and CSF flow is not the initiating factor, as the pathology is present prior to the development of motile cilia on these cells and CSF flow is not impaired at early stages of the disease. Rather, our results suggest that loss of cilia leads to altered function of the choroid plexus epithelum, as evidenced by elevated intracellular cAMP levels and increased chloride concentration in the CSF. These data suggest that cilia function is necessary for regulating ion transport and CSF production, as well as for CSF flow through the ventricles.

Abstract Neurovascular coupling, the process by which neuronal activity elicits increases in the local blood supply, is impaired in stroke patients in brain regions outside the infarct. Such impairment may contribute to neurological deterioration over time, but its mechanism is unknown. Using the middle cerebral artery occlusion (MCAO) model of stroke, we show that neuronal activity-evoked capillary dilation is reduced by ∼75% in the intact cortical tissue outside the infarct border. This decrease in capillary responsiveness was not explained by a decrease in local neuronal activity or a loss of vascular contractility. Inhibiting synthesis of the vasoconstrictive molecule 20-HETE, either by inhibiting its synthetic enzyme CYP450 ω-hydroxylases or by increasing nitric oxide (NO), which is a natural inhibitor of ω-hydroxylases, rescued activity-evoked capillary dilation. The capillary dilation unmasked by inhibiting 20-HETE was dependent on PGE2 activation of EP4 receptors, a vasodilatory pathway previously identified in healthy animals. Cortical 20-HETE levels were increased following MCAO, in agreement with data from stroke patients. Inhibition of ω-hydroxylases normalized 20-HETE levels in vivo and increased cerebral blood flow in the peri-infarct cortex. These data identify 20-HETE-dependent vasoconstriction as a mechanism underlying neurovascular coupling impairment after stroke. Our results suggest that the brain’s energy supply may be significantly reduced after stroke in regions previously believed to be asymptomatic and that ω-hydroxylase inhibition may restore healthy neurovascular coupling post-stroke.

The glymphatic system is a brain-wide metabolite clearance pathway, impairment of which in post-traumatic and ischemic brain or healthy aging is proposed to contribute to intracerebral accumulation of amyloid-β and tau proteins. Glymphatic perivascular influx of cerebrospinal fluid (CSF) depends upon the expression and perivascular localization of the astroglial water channel aquaporin-4 (AQP4). Prompted by a recent publication that failed to find an effect of Aqp4 knock- out on perivascular CSF tracer influx and interstitial fluid (ISF) tracer dispersion, four independent research groups have herein re-examined the importance of Aqp4 in glymphatic fluid transport. We concur in finding that CSF tracer influx, as well as fluorescently-tagged amyloid-β efflux, are significantly faster in wild-type mice than in three different transgenic lines featuring disruption of the Aqp4 gene and one line in which AQP4 expression lacks the critical perivascular localization (Snta1 knockout). These data validate the role of AQP4 in supporting fluid and solute transport and efflux in brain in accordance with the glymphatic system model.

The phenomenon of active trans-membrane water cycling (AWC) has emerged in little over a decade. Here, we consider H2O transport across cell membranes from the origins of its study. Historically, trans-membrane water transport processes were classified into: A) compensating bidirectional fluxes (exchange), and B) unidirectional flux (net flow) categories. Recent literature molecular structure determinations and molecular dynamic (MD) simulations indicate probably all the many different hydrophilic substrate membrane co-transporters have membrane-spanning hydrophilic pathways and co-transport water along with their substrates, and that they individually catalyze category A and/or B water flux processes, although usually not simultaneously. The AWC name signifies that, integrated over the all the cell co-transporters, the rate of homeostatic, bidirectional trans cytolemmal water exchange (category A) is synchronized with the metabolic rate of the crucial Na+,K+ ATPase (NKA) enzyme. A literature survey indicates the stoichiometric (category B) water/substrate ratios of individual co transporters are often very large. The MD simulations also suggest how different co-transporter reactions can be kinetically coupled molecularly. Is this (Na+,K+-ATPase rate-synchronized) cycling futile, or is it consequential? Conservatively representative literature metabolomic and proteinomic results enable comprehensive free energy analyses of the many transport reactions with known water stoichiometries. Free energy calculations, using literature intracellular pressure (Pi) values reveals there is an outward trans membrane H2O barochemical gradient of magnitude comparable to that of the well known inward Na+ electrochemical gradient. For most co-influxers, these gradients are finely balanced to maintain intracellular metabolite concentration values near their consuming enzyme Michaelis constants. The thermodynamic analyses include glucose, glutamate- , gamma-aminobutyric acid (GABA), and lactate- transporters. 2%-4% Pi alterations can lead to disastrous concentration levels. For the neurotransmitters glutamate- and GABA, very small astrocytic Pi changes can allow/disallow synaptic transmission. Unlike the Na+ and K+ electrochemical steady states, the H2O barochemical steady-state is in (or near) chemical equilibrium. The analyses show why the presence of aquaporins (AQPs) does not dissipate the trans-membrane pressure gradient. A feedback loop inherent in the opposing Na+ electrochemical and H2O barochemical gradients regulates AQP-catalyzed water flux as an integral AWC aspect. These results also require a re-consideration of the underlying nature of Pi. Active trans membrane water cycling is not futile, but is inherent to the cell NKA system - a new, fundamental aspect of biology.