Abstract The difficulty in obtaining as well as maintaining weight loss, together with the loss of metabolic control in conditions like diabetes and cardiovascular disease, may represent pathological situations of inadequate neural communication between the brain and peripheral organs and tissues. Innervation of adipose tissues by peripheral nerves provides a means of communication between the master metabolic regulator in the brain (chiefly the hypothalamus), and energy-expending and energy-storing cells in the body (primarily adipocytes). Although chemical and surgical denervation studies have clearly demonstrated how crucial adipose tissue neural innervation is for maintaining proper metabolic health, we have uncovered that adipose tissue becomes neuropathic in various conditions of metabolic dysregulation. Here, utilizing both human and mouse adipose tissues, we present evidence of adipose tissue neuropathy, or loss of innervation, under pathophysiological conditions such as obesity, diabetes, and aging, all of which are concomitant with insult to the adipose organ and metabolic dysfunction. Neuropathy is indicated by loss of nerve fiber protein expression, reduction in synaptic markers, and less neurotrophic factor expression in adipose tissue. Aging-related adipose neuropathy particularly results in loss of innervation around the tissue vasculature. These findings underscore that peripheral neuropathy is not restricted to classic tissues like the skin of distal extremities, and that loss of innervation to adipose may trigger or exacerbate metabolic diseases. In addition, we have demonstrated stimulation of adipose tissue neural plasticity with exercise, cold exposure or neurotrophic factor treatment, which may ameliorate adipose neuropathy and be a potential therapeutic option to re-innervate adipose and restore metabolic health.

ABSTRACT Peripheral neuropathy is a pathophysiological state of nerve degeneration and loss of tissue innervation. The most prominent cause of small fiber neuropathy is diabetes which can be demyelinating in nature, but this has not yet been explored in adipose tissue. Both demyelinating neuropathies and axonopathies implicate Schwann cells (SCs), the peripheral glial required for nerve myelination and regeneration after injury. Here, we perform a comprehensive assessment of SCs and myelination patterns of subcutaneous white adipose tissue (scWAT) nerves, including changes that occur with obesity and other imbalanced energy states in mice and humans. We found that mouse scWAT is densely innervated by both myelinated and unmyelinated sensory and sympathetic nerves. Accordingly, scWAT is home to both myelinating and non-myelinating SCs – the greater proportion of which are myelinating. Furthermore, SCs were found closely associated with synaptic vesicle-containing nerve terminals in scWAT. Obese BTBR ob/ob mice exhibit diabetic peripheral neuropathy in scWAT, and display concordant demyelination specific to small fibers, which was also associated with a decrease in the pan-SC marker Sox10 and compensatory increase in Krox20 gene expression. Together this suggests that adipose SCs may be involved in regulating the plasticity or the neuropathy of adipose tissue nerves.

Adipose tissue requires neural innervation in order to regulate important metabolic functions. Though seminal work on adipose denervation has underscored the importance of adipose-nerve interactions in both white (energy storing) and brown (energy expending) adipose tissues, much remains a mystery. This is due, in part, to the inability to effectively visualize the various nerve subtypes residing within these tissues and to gain a comprehensive quantitation of neurite density in an entire depot. With the recent surge of advanced imaging techniques such as light sheet microscopy and optical clearing procedures, adipose tissue imaging has been reinvigorated with a focus on three-dimensional analysis of tissue innervation. However, clearing techniques are time consuming, often require solvents caustic to objective lenses, alter tissue morphology, and greatly reduce fluorophore lifespan. Not only are current methods of imaging wholemount adipose tissues inconvenient, but often attempts to quantify neurite density across physiological or pathophysiological conditions have been limited to representative section sampling. We have developed a new method of adipose tissue neurite imaging and quantitation that is faster than current clearing-based methods, does not require caustic chemicals, and leaves the tissue fully intact. Maintenance of a fully intact depot allowed for tiling z-stacks and producing maximum intensity projections of the entire adipose depot, which were then used to quantify neurite density across the tissue. With this processing method we were able to characterize the nerves, nerve-subtypes, and neurovascular interactions within the inguinal subcutaneous white adipose tissue in mice using up to five fluorescent channels at high resolution. We also utilized second harmonic generation, which provides label-free imaging, to investigate collagen fiber abundance in adipose of obese mice.

Innervation of adipose tissue is essential for the proper function of this critical metabolic organ. Numerous surgical and chemical denervation studies have demonstrated how maintenance of brain-adipose communication through both sympathetic efferent and sensory afferent nerves helps regulate adipocyte size, cell number, lipolysis, and browning of white adipose tissue. Neurotrophic factors are growth factors that promote neuron survival, regeneration and outgrowth of neurites from adult nerves. Peripheral blood immune cells have been shown to be a source of neurotrophic factors in humans and mice. Although a number of these immune cells also reside in the adipose stromal vascular fraction (SVF), it has remained unclear what roles they play in adipose innervation. We have demonstrated that adipose resident myeloid lineage immune cells secrete brain derived neurotrophic factor (BDNF) and that deletion of this neurotrophic factor from the myeloid lineage led to a "genetic denervation" of inguinal subcutaneous adipose tissue, thereby causing decreased energy expenditure and increased adipose mass. AAV-BDNF intra-adipose injections resulted in an increase in markers of innervation in two models with demonstrated adipose neuropathy. We and others have previously shown that noradrenergic stimulation via cold exposure increases adipose innervation in the inguinal depot. Here we have identified a subset of myeloid cells that are Cx3cr1+ monocytes/macrophages expressing adrenergic receptors. The quantity of these mobile immune cells increased in adipose tissue upon cold stimulation, fitting with their function to hone to sites of tissue injury and repair, and these cells also expressed BDNF. We propose that these cold induced neuroimmune cells (CINCs) are key players in maintaining adipose innervation as well as promoting adipose nerve remodeling under adrenergic stimuli such as cold exposure.

Abstract Telomerase reverse transcriptase (TERT) is expressed by quiescent adult stem cells (ASC) in numerous adult murine and human tissues, but has never been explored in the adult brain. Here, we demonstrate that TERT+ cells in the adult mouse brain represent a novel population of multipotent ASCs that are localized to numerous classical neuro/gliogenic niches (including the ventricular-subventricular zone, hypothalamus, and olfactory bulb), as well as more recently described regions of adult brain plasticity such as the meninges and choroid plexus. Using a direct-reporter mouse line, we found that TERT+ cells expressed known neural stem cell markers such as Nestin and Sox2, but not markers of committed stem/progenitor cells, nor markers of mature neuronal or glial cells. TERT+ ASCs rarely expressed the proliferation marker Ki67, and in vitro TERT+ cells lost TERT expression when activated by growth factors, together indicating a quiescent phenotype similar to what has been observed in other tissues. When cultured, TERT+ cells behaved like neural stem cells by forming neurospheres, which could proliferate and become more metabolically active once stimulated by growth factors. TERT+ cells were observed in numerous brain niches, particularly near the ventricles and cerebrospinal fluid barriers, but notably, TERT+ cells were never observed in the hippocampus. Lineage tracing of TERT+ cells in adult transgenic mice (mTERTrtTA::oTET-Cre::RosamTmG) revealed large-scale expansion of TERT+ progeny and differentiation to diverse cell types in multiple brain regions. For example, lineage-traced cells expressed markers of mature neurons, oligodendrocytes, astrocytes, ependymal cells, and choroid epithelial cells, thus demonstrating the striking multipotency of this stem cell population in basal tissue turnover of the adult brain. Together, these data demonstrate that TERT+ cells represent a novel population of multipotent stem cells that contribute to basal plasticity and regeneration in the adult mouse brain. Graphical Abstract

Abstract Diabetic peripheral neuropathy (DPN) is a common complication of diabetes. Proactive treatment options remain limited, which is exacerbated by a lack of sensitive and convenient diagnostics, especially early in disease progression or specifically to assess small fiber neuropathy (SFN), the loss of distal small diameter axons that innervate tissues and organs. We designed, fabricated, tested, and validated a first-of-its-kind medical diagnostic device for the functional assessment of transdermal small fiber nerve activity. This device, the Detecting Early Neuropathy (DEN), is an electrically conductive needle array designed to record nerve electrical activity in the skin and subdermal tissues. DEN recordings were validated across a time course of diet-induced DPN in mice, using statistical and computational analyses compared to other SFN measures. Based on these preclinical mouse data, the device design was adapted to obtain recordings in human with a flexible printed circuit board to mold to the leg or other skin regions. The DEN successfully recorded various types of neural activity in mouse and human, with or without stimulation, including validated action potentials and electromyography signals. New functional diagnostic tools like DEN offer a promising outlook for patients needing an earlier or more sensitive diagnosis of SFN/DPN, to allow for earlier and more effective treatment options, especially as more become available in the clinic in future years.