Summary

 Individual reports suggest that the central nervous system (CNS) contains multiple immune cell types with diverse roles in tissue homeostasis, immune defense, and neurological diseases. It has been challenging to map leukocytes across the entire brain, and in particular in pathology, where phenotypic changes and influx of blood-derived cells prevent a clear distinction between reactive leukocyte populations. Here, we applied high-dimensional single-cell mass and fluorescence cytometry, in parallel with genetic fate mapping systems, to identify, locate, and characterize multiple distinct immune populations within the mammalian CNS. Using this approach, we revealed that microglia, several subsets of border-associated macrophages and dendritic cells coexist in the CNS at steady state and exhibit disease-specific transformations in the immune microenvironment during aging and in models of Alzheimer's disease and multiple sclerosis. Together, these data and the described framework provide a resource for the study of disease mechanisms, potential biomarkers, and therapeutic targets in CNS disease.

Brain malignancies can either originate from within the CNS (gliomas) or invade from other locations in the body (metastases). A highly immunosuppressive tumor microenvironment (TME) influences brain tumor outgrowth. Whether the TME is predominantly shaped by the CNS micromilieu or by the malignancy itself is unknown, as is the diversity, origin, and function of CNS tumor-associated macrophages (TAMs). Here, we have mapped the leukocyte landscape of brain tumors using high-dimensional single-cell profiling (CyTOF). The heterogeneous composition of tissue-resident and invading immune cells within the TME alone permitted a clear distinction between gliomas and brain metastases (BrM). The glioma TME presented predominantly with tissue-resident, reactive microglia, whereas tissue-invading leukocytes accumulated in BrM. Tissue-invading TAMs showed a distinctive signature trajectory, revealing tumor-driven instruction along with contrasting lymphocyte activation and exhaustion. Defining the specific immunological signature of brain tumors can facilitate the rational design of targeted immunotherapy strategies.

In vivo reactivation of myelin-reactive T cells requires conventional DCs but not other brain-resident antigen-presenting cells.

Microglia play a key role in shaping the formation and refinement of the excitatory network of the brain. However, less is known about whether and how they organize the development of distinct inhibitory networks. We find that microglia are essential for the proper development of somatostatin-positive (SST+) cell synapses during the second postnatal week. We further identify a pair of molecules that act antagonistically to one another in the organization of SST+ cell axonal elaboration. Whereas CX3CL1 acts to suppress axonal growth and complexity, CXCL12 promotes it. Assessing the functional importance of microglia in the development of cortical activity, we find that a whisker stimulation paradigm that drives SST+ cell activation leads to reduced cortical spiking in brains depleted of microglia. Collectively, our data demonstrate an important role of microglia in regulating the development of SST+ cell output early in life.

Brain endothelium possesses several organ-specific features collectively known as the blood-brain barrier (BBB). In addition, trafficking of immune cells in the healthy central nervous system (CNS) is tightly regulated by CNS vasculature. In CNS autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS), these homeostatic mechanisms are overcome by autoreactive lymphocyte entry into the CNS causing inflammatory demyelinating immunopathology. Previous studies have shown that pericytes regulate the development of organ-specific characteristics of brain vasculature such as the BBB and astrocytic end-feet. Whether pericytes are involved in the control of leukocyte trafficking remains elusive. Using adult, pericyte-deficient mice (Pdgfbret/ret), we show here that brain vasculature devoid of pericytes shows increased expression of VCAM-1 and ICAM-1, which is accompanied by increased leukocyte infiltration of dendritic cells, monocytes and T cells into the brain, but not spinal cord parenchyma. Regional differences enabling leukocyte trafficking into the brain as opposed to the spinal cord inversely correlate with the pericyte coverage of blood vessels. Upon induction of experimental autoimmune encephalitomyelitis (EAE), pericyte-deficient mice succumb to severe neurological impairment. Treatment with first line MS therapy - fingolimod significantly reverses EAE, indicating that the observed phenotype is due to the massive influx of immune cells into the brain. Furthermore, pericyte-deficiency in mice that express myelin oligodendrocyte glycoprotein peptide (MOG35-55) specific T cell receptor (Pdgfbret/ret; 2D2Tg) leads to the development of spontaneous neurological symptoms paralleled by massive influx of leukocytes into the brain, suggesting altered brain vascular immune quiescence as a prime cause of exaggerated neuroinflammation. Thus, we show that pericytes indirectly restrict immune cell transmigration into the CNS under homeostatic conditions and during autoimmune-driven neuroinflammation by inducing immune quiescence of brain endothelial cells.

Microglia participate in CNS development and homeostasis and are often implicated in modulating disease processes in the CNS. However, less is known about the role of microglia in the biology of the neurovascular unit (NVU). In particular, data are scant on whether microglia are involved in CNS vascular pathology. In this study, we use a mouse model of primary familial brain calcification (PFBC) - Pdgfbret/ret to investigate the role of microglia in calcification of the NVU. We report that microglia enclosing vessel-calcifications, coined calcification-associated microglia (CAM), display a distinct activation signature. Pharmacological ablation of microglia with the CSF1R inhibitor - PLX5622 leads to aggravated vessel calcification. Additionally, depletion of microglia in wild-type and Pdgfbret/ret mice causes the development of bone protein (osteocalcin, osteopontin) containing axonal spheroids in the white matter. Mechanistically, we show that microglia require functional TREM2 for controlling vessel-associated calcification. In conclusion, our results demonstrate that microglial activity in the setting of pathological vascular calcification is beneficial. In addition, we identify a new, previously unrecognized function of microglia in halting the expansion of ectopic calcification.