Little is known about the mechanisms converting psychosocial stress into cellular dysfunction. Various genes, up-regulated in atherosclerosis but also by psychosocial stress, are controlled by the transcription factor nuclear factor kappaB (NF-kappaB). Therefore, NF-kappaB is a good candidate to convert psychosocial stress into cellular activation. Volunteers were subjected to a brief laboratory stress test and NF-kappaB activity was determined in peripheral blood mononuclear cells (PBMC), as a window into the body and because PBMC play a role in diseases such as atherosclerosis. In 17 of 19 volunteers, NF-kappaB was rapidly induced during stress exposure, in parallel with elevated levels of catecholamines and cortisol, and returned to basal levels within 60 min. To model this response, mice transgenic for a strictly NF-kappaB-controlled beta-globin transgene were stressed by immobilization. Immobilization resulted in increased beta-globin expression, which could be reduced in the presence of the alpha1-adrenergic inhibitor prazosin. To define the role of adrenergic stimulation in the up-regulation of NF-kappaB, THP-1 cells were induced with physiological amounts of catecholamines for 10 min. Only noradrenaline resulted in a dose- and time-dependent induction of NF-kappaB and NF-kappaB-dependent gene expression, which depended on pertussis-toxin-sensitive G protein-mediated phosphophatidylinositol 3-kinase, Ras/Raf, and mitogen-activated protein kinase activation. Induction was reduced by alpha(1)- and beta-adrenergic inhibitors. Thus, noradrenaline-dependent adrenergic stimulation results in activation of NF-kappaB in vitro and in vivo. Activation of NF-kappaB represents a downstream effector for the neuroendocrine response to stressful psychosocial events and links changes in the activity of the neuroendocrine axis to the cellular response.

Activation of the transcription factor nuclear factor-κB (NF-κB) has been suggested to participate in chronic disorders, such as diabetes and its complications. In contrast to the short and transient activation of NF-κB in vitro, we observed a long-lasting sustained activation of NF-κB in the absence of decreased IκBα in mononuclear cells from patients with type 1 diabetes. This was associated with increased transcription of NF-κBp65. A comparable increase in NF-κBp65 antigen and mRNA was also observed in vascular endothelial cells of diabetic rats. As a mechanism, we propose that binding of ligands such as advanced glycosylation end products (AGEs), members of the S100 family, or amyloid-β peptide (Aβ) to the transmembrane receptor for AGE (RAGE) results in protein synthesis–dependent sustained activation of NF-κB both in vitro and in vivo. Infusion of AGE-albumin into mice bearing a β-globin reporter transgene under control of NF-κB also resulted in prolonged expression of the reporter transgene. In vitro studies showed that RAGE-expressing cells induced sustained translocation of NF-κB (p50/p65) from the cytoplasm into the nucleus for >1 week. Sustained NF-κB activation by ligands of RAGE was mediated by initial degradation of IκB proteins followed by new synthesis of NF-κBp65 mRNA and protein in the presence of newly synthesized IκBα and IκBβ. These data demonstrate that ligands of RAGE can induce sustained activation of NF-κB as a result of increased levels of de novo synthesized NF-κBp65 overriding endogenous negative feedback mechanisms and thus might contribute to the persistent NF-κB activation observed in hyperglycemia and possibly other chronic diseases.

The potential neuroprotective effect of the granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF) after glutamate-induced excitotoxicity in cell culture and after focal cerebral ischemia in rats was studied. We hypothesized the existence of the G-CSF receptor (G-CSFR) as a main G-CSF effector on neurons, and immunohistochemistry, immunoblotting, and polymerase chain reaction were performed. The G-CSFR-mediated action was studied by activation of signal transducer(s) and activator(s) of transcription-3 (STAT3) in the periphery of the infarction.Neuroprotection of various G-CSF concentrations on glutamate-induced excitotoxicity was studied in cell culture. In vivo, ischemia was induced by use of a suture occlusion model of the middle cerebral artery (90-minute occlusion) in the rat. Thirty minutes after the induction of ischemia, the animals (n=12 per group) received G-CSF at 60 microg/kg body wt IV for 90 minutes or vehicle (saline). Infarct volume was calculated on the basis of 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride staining 24 hours after ischemia. Expression of the G-CSFR was studied by immunohistochemistry and verified by reverse transcription-polymerase chain reaction and immunoblotting. Expression of STAT3 was determined by immunohistochemistry.In cell culture, G-CSF exhibited a significant neuroprotective effect after glutamate-induced excitotoxicity (P<0.05). A G-CSF concentration of 10 ng/mL was maximally effective, resulting in a nearly complete protection. In vivo, G-CSF reduced infarct volume to 47% (132.0+/-112.7 mm3 versus 278.9+/-91.6 mm3 [P<0.05] in the control group). Immunohistochemistry, Western blotting, and reverse transcription-polymerase chain reaction revealed the existence of G-CSFRs in neurons and glial cells. Animals treated with G-CSF significantly upregulated STAT3 in the periphery of the infarction compared with control animals (P<0.05).G-CSF achieved a significant neuroprotective effect in cell culture and after intravenous administration after stroke. Increased STAT3 expression in the penumbra of G-CSF-treated rats suggests mediation by G-CSFR.

In ischemic stroke, the necrotic core is surrounded by a zone of inflammation, in which delayed cell death aggravates the initial insult. Here, we provide evidence that the receptor for advanced glycation end products (RAGE) functions as a sensor of necrotic cell death and contributes to inflammation and ischemic brain damage. The RAGE ligand high mobility group box 1 (HMGB1) was elevated in serum of stroke patients and was released from ischemic brain tissue in a mouse model of cerebral ischemia. A neutralizing anti-HMGB1 antibody and HMGB1 box A, an antagonist of HMGB1 at the receptor RAGE, ameliorated ischemic brain damage. Interestingly, genetic RAGE deficiency and the decoy receptor soluble RAGE reduced the infarct size. In vitro , expression of RAGE in (micro)glial cells mediated the toxic effect of HMGB1. Addition of macrophages to neural cultures further enhanced the toxic effect of HMGB1. To test whether immigrant macrophages in the ischemic brain mediate the RAGE effect, we generated chimeric mice by transplanting RAGE −/− bone marrow to wild-type mice. RAGE deficiency in bone marrow-derived cells significantly reduced the infarct size. Thus, HMGB1–RAGE signaling links necrosis with macrophage activation and may provide a target for anti-inflammatory therapy in stroke.

The ketone body β-hydroxybutyrate (BHB) is an endogenous factor protecting against stroke and neurodegenerative diseases, but its mode of action is unclear. Here we show in a stroke model that the hydroxy-carboxylic acid receptor 2 (HCA2, GPR109A) is required for the neuroprotective effect of BHB and a ketogenic diet, as this effect is lost in Hca2(-/-) mice. We further demonstrate that nicotinic acid, a clinically used HCA2 agonist, reduces infarct size via a HCA2-mediated mechanism, and that noninflammatory Ly-6C(Lo) monocytes and/or macrophages infiltrating the ischemic brain also express HCA2. Using cell ablation and chimeric mice, we demonstrate that HCA2 on monocytes and/or macrophages is required for the protective effect of nicotinic acid. The activation of HCA2 induces a neuroprotective phenotype of monocytes and/or macrophages that depends on PGD2 production by COX1 and the haematopoietic PGD2 synthase. Our data suggest that HCA2 activation by dietary or pharmacological means instructs Ly-6C(Lo) monocytes and/or macrophages to deliver a neuroprotective signal to the brain.

According to the neurovascular hypothesis, impairment of low-density lipoprotein receptor–related protein-1 (LRP1) in brain capillaries of the blood-brain barrier (BBB) contributes to neurotoxic amyloid-β (Aβ) brain accumulation and drives Alzheimer’s disease (AD) pathology. However, due to conflicting reports on the involvement of LRP1 in Aβ transport and the expression of LRP1 in brain endothelium, the role of LRP1 at the BBB is uncertain. As global Lrp1 deletion in mice is lethal, appropriate models to study the function of LRP1 are lacking. Moreover, the relevance of systemic Aβ clearance to AD pathology remains unclear, as no BBB-specific knockout models have been available. Here, we developed transgenic mouse strains that allow for tamoxifen-inducible deletion of Lrp1 specifically within brain endothelial cells (Slco1c1-CreERT2 Lrp1fl/fl mice) and used these mice to accurately evaluate LRP1-mediated Aβ BBB clearance in vivo. Selective deletion of Lrp1 in the brain endothelium of C57BL/6 mice strongly reduced brain efflux of injected [125I] Aβ1–42. Additionally, in the 5xFAD mouse model of AD, brain endothelial–specific Lrp1 deletion reduced plasma Aβ levels and elevated soluble brain Aβ, leading to aggravated spatial learning and memory deficits, thus emphasizing the importance of systemic Aβ elimination via the BBB. Together, our results suggest that receptor-mediated Aβ BBB clearance may be a potential target for treatment and prevention of Aβ brain accumulation in AD.

An aged circulatory environment can activate microglia, reduce neural precursor cell activity and impair cognition in mice. We hypothesized that brain endothelial cells (BECs) mediate at least some of these effects. We observe that BECs in the aged mouse hippocampus express an inflammatory transcriptional profile with focal upregulation of vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM1), a protein that facilitates vascular–immune cell interactions. Concomitantly, levels of the shed, soluble form of VCAM1 are prominently increased in the plasma of aged humans and mice, and their plasma is sufficient to increase VCAM1 expression in cultured BECs and the hippocampi of young mice. Systemic administration of anti-VCAM1 antibody or genetic ablation of Vcam1 in BECs counteracts the detrimental effects of plasma from aged individuals on young brains and reverses aging aspects, including microglial reactivity and cognitive deficits, in the brains of aged mice. Together, these findings establish brain endothelial VCAM1 at the blood–brain barrier as a possible target to treat age-related neurodegeneration. The detrimental effects of aged blood on cognition and nervous system function in mice can be combatted by targeting brain endothelial cell dysfunction via inhibition of aberrant VCAM1 signaling at the blood–brain barrier.

Taken orally, the drug dimethyl fumarate (DMF) has been shown to improve functional outcomes for patients with MS; however, it is unclear how DMF mediates a protective effect. DMF and, more so, its active metabolite, monomethyl fumarate, are known agonists of the hydroxycarboxylic acid receptor 2 (HCA₂), a G protein-coupled membrane receptor. Here, we evaluated the contribution of HCA₂ in mediating the protective effect afforded by DMF in EAE, a mouse model of MS. DMF treatment reduced neurological deficit, immune cell infiltration, and demyelination of the spinal cords in wild-type mice, but not in Hca2⁻/⁻ mice, indicating that HCA₂ is required for the therapeutic effect of DMF. In particular, DMF decreased the number of infiltrating neutrophils in a HCA₂-dependent manner, likely by interfering with neutrophil adhesion to endothelial cells and chemotaxis. Together, our data indicate that HCA₂ mediates the therapeutic effects of DMF in EAE. Furthermore, identification of HCA₂ as a molecular target may help to optimize MS therapy.