Demyelination in the adult CNS can be followed by extensive repair. However, in multiple sclerosis, the differentiation of oligodendrocyte lineage cells present in demyelinated lesions is often inhibited by unknown factors. In this study, we test whether myelin debris, a feature of demyelinated lesions and an in vitro inhibitor of oligodendrocyte precursor differentiation, affects remyelination efficiency. Focal demyelinating lesions were created in the adult rat brainstem, and the naturally generated myelin debris was augmented by the addition of purified myelin. After quantification of myelin basic protein mRNA expression from lesion material obtained by laser capture microdissection and supported by histological data, we found a significant impairment of remyelination, attributable to an arrest of the differentiation and not the recruitment of oligodendrocyte precursor cells. These data identify myelin as an inhibitor of remyelination as well as its well documented inhibition of axon regeneration.

After central nervous system (CNS) demyelination—such as occurs during multiple sclerosis—there is often spontaneous regeneration of myelin sheaths, mainly by oligodendrocytes but also by Schwann cells. The origins of the remyelinating cells have not previously been established. We have used Cre-lox fate mapping in transgenic mice to show that PDGFRA/NG2-expressing glia, a distributed population of stem/progenitor cells in the adult CNS, produce the remyelinating oligodendrocytes and almost all of the Schwann cells in chemically induced demyelinated lesions. In contrast, the great majority of reactive astrocytes in the vicinity of the lesions are derived from preexisting FGFR3-expressing cells, likely to be astrocytes. These data resolve a long-running debate about the origins of the main players in CNS remyelination and reveal a surprising capacity of CNS precursors to generate Schwann cells, which normally develop from the embryonic neural crest and are restricted to the peripheral nervous system.

The progressive loss of CNS myelin in patients with multiple sclerosis (MS) has been proposed to result from the combined effects of damage to oligodendrocytes and failure of remyelination. A common feature of demyelinated lesions is the presence of oligodendrocyte precursors (OLPs) blocked at a premyelinating stage. However, the mechanistic basis for inhibition of myelin repair is incompletely understood. To identify novel regulators of OLP differentiation, potentially dysregulated during repair, we performed a genome-wide screen of 1040 transcription factor-encoding genes expressed in remyelinating rodent lesions. We report that ∼50 transcription factor-encoding genes show dynamic expression during repair and that expression of the Wnt pathway mediator Tcf4 (aka Tcf7l2) within OLPs is specific to lesioned—but not normal—adult white matter. We report that β-catenin signaling is active during oligodendrocyte development and remyelination in vivo. Moreover, we observed similar regulation of Tcf4 in the developing human CNS and lesions of MS. Data mining revealed elevated levels of Wnt pathway mRNA transcripts and proteins within MS lesions, indicating activation of the pathway in this pathological context. We show that dysregulation of Wnt–β-catenin signaling in OLPs results in profound delay of both developmental myelination and remyelination, based on (1) conditional activation of β-catenin in the oligodendrocyte lineage in vivo and (2) findings from APC Min mice, which lack one functional copy of the endogenous Wnt pathway inhibitor APC. Together, our findings indicate that dysregulated Wnt–β-catenin signaling inhibits myelination/remyelination in the mammalian CNS. Evidence of Wnt pathway activity in human MS lesions suggests that its dysregulation might contribute to inefficient myelin repair in human neurological disorders.

The age-associated decrease in the efficiency of CNS remyelination has clear implications for recovery from demyelinating diseases such as multiple sclerosis (MS) that may last for several decades. Developing strategies to reverse the age-associated decline requires the identification of how the regenerative process is impaired. We addressed whether remyelination becomes slower because of an impairment of recruitment of oligodendrocyte progenitors (OPs) or, as is the case in some MS lesions, an impairment of OP differentiation into remyelinating oligodendrocytes. The OP response during remyelination of focal, toxin-induced CNS demyelination in young and old rats was compared by in situ hybridization using probes to two OP-expressed mRNA species: platelet-derived growth factor-α receptor and the OP transcription factor myelin transcription factor 1 (MyT1). We found that the expression patterns for the two OP markers are very similar and reveal a delay in the colonization of the demyelinated focus with OPs in the old animals compared with the young animals. By comparing the mRNA expression pattern of MyT1 with that of the myelin proteins myelin basic protein and Gtx, we found that in the old animals there is also a delay in OP differentiation that increases with longer survival times. These results indicate that the age-associated decrease in remyelination efficiency occurs because of an impairment of OP recruitment and the subsequent differentiation of the OPs into remyelinating oligodendrocytes, and that strategies aimed at ameliorating the age-associated decline in remyelination efficiency will therefore need to promote both components of the regenerative process.

High-throughput screening platform for the testing of small bioactive molecules that promote oligodendrocyte differentiation and remyelination: a new path to the discovery of potential drugs for multiple sclerosis. Functional screening for compounds that promote remyelination represents a major hurdle in the development of rational therapeutics for multiple sclerosis. Screening for remyelination is problematic, as myelination requires the presence of axons. Standard methods do not resolve cell-autonomous effects and are not suited for high-throughput formats. Here we describe a binary indicant for myelination using micropillar arrays (BIMA). Engineered with conical dimensions, micropillars permit resolution of the extent and length of membrane wrapping from a single two-dimensional image. Confocal imaging acquired from the base to the tip of the pillars allows for detection of concentric wrapping observed as 'rings' of myelin. The platform is formatted in 96-well plates, amenable to semiautomated random acquisition and automated detection and quantification. Upon screening 1,000 bioactive molecules, we identified a cluster of antimuscarinic compounds that enhance oligodendrocyte differentiation and remyelination. Our findings demonstrate a new high-throughput screening platform for potential regenerative therapeutics in multiple sclerosis.

The molecular basis of CNS myelin regeneration (remyelination) is poorly understood. We generated a comprehensive transcriptional profile of the separate stages of spontaneous remyelination that follow focal demyelination in the rat CNS and found that transcripts that encode the retinoid acid receptor RXR-γ were differentially expressed during remyelination. Cells of the oligodendrocyte lineage expressed RXR-γ in rat tissues that were undergoing remyelination and in active and remyelinated multiple sclerosis lesions. Knockdown of RXR-γ by RNA interference or RXR-specific antagonists severely inhibited oligodendrocyte differentiation in culture. In mice that lacked RXR-γ, adult oligodendrocyte precursor cells efficiently repopulated lesions after demyelination, but showed delayed differentiation into mature oligodendrocytes. Administration of the RXR agonist 9-cis-retinoic acid to demyelinated cerebellar slice cultures and to aged rats after demyelination caused an increase in remyelinated axons. Our results indicate that RXR-γ is a positive regulator of endogenous oligodendrocyte precursor cell differentiation and remyelination and might be a pharmacological target for regenerative therapy in the CNS.

Olig1 and Olig2 are closely related basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factors that are expressed in myelinating oligodendrocytes and their progenitor cells in the developing central nervous system (CNS). Olig2 is necessary for the specification of oligodendrocytes, but the biological functions of Olig1 during oligodendrocyte lineage development are poorly understood. We show here that Olig1 function in mice is required not to develop the brain but to repair it. Specifically, we demonstrate a genetic requirement for Olig1 in repairing the types of lesions that occur in patients with multiple sclerosis.

Regeneration of CNS myelin involves differentiation of oligodendrocytes from oligodendrocyte progenitor cells. In multiple sclerosis, remyelination can fail despite abundant oligodendrocyte progenitor cells, suggesting impairment of oligodendrocyte differentiation. T cells infiltrate the CNS in multiple sclerosis, yet little is known about T cell functions in remyelination. We report that regulatory T cells (Treg) promote oligodendrocyte differentiation and (re)myelination. Treg-deficient mice exhibited substantially impaired remyelination and oligodendrocyte differentiation, which was rescued by adoptive transfer of Treg. In brain slice cultures, Treg accelerated developmental myelination and remyelination, even in the absence of overt inflammation. Treg directly promoted oligodendrocyte progenitor cell differentiation and myelination in vitro. We identified CCN3 as a Treg-derived mediator of oligodendrocyte differentiation and myelination in vitro. These findings reveal a new regenerative function of Treg in the CNS, distinct from immunomodulation. Although the cells were originally named 'Treg' to reflect immunoregulatory roles, this also captures emerging, regenerative Treg functions.

Ageing causes a decline in tissue regeneration owing to a loss of function of adult stem cell and progenitor cell populations1. One example is the deterioration of the regenerative capacity of the widespread and abundant population of central nervous system (CNS) multipotent stem cells known as oligodendrocyte progenitor cells (OPCs)2. A relatively overlooked potential source of this loss of function is the stem cell 'niche'-a set of cell-extrinsic cues that include chemical and mechanical signals3,4. Here we show that the OPC microenvironment stiffens with age, and that this mechanical change is sufficient to cause age-related loss of function of OPCs. Using biological and synthetic scaffolds to mimic the stiffness of young brains, we find that isolated aged OPCs cultured on these scaffolds are molecularly and functionally rejuvenated. When we disrupt mechanical signalling, the proliferation and differentiation rates of OPCs are increased. We identify the mechanoresponsive ion channel PIEZO1 as a key mediator of OPC mechanical signalling. Inhibiting PIEZO1 overrides mechanical signals in vivo and allows OPCs to maintain activity in the ageing CNS. We also show that PIEZO1 is important in regulating cell number during CNS development. Thus we show that tissue stiffness is a crucial regulator of ageing in OPCs, and provide insights into how the function of adult stem and progenitor cells changes with age. Our findings could be important not only for the development of regenerative therapies, but also for understanding the ageing process itself.

The age-related failure to produce oligodendrocytes from oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) is associated with irreversible neurodegeneration in multiple sclerosis (MS). Consequently, regenerative approaches have significant potential for treating chronic demyelinating diseases. Here, we show that the differentiation potential of adult rodent OPCs decreases with age. Aged OPCs become unresponsive to pro-differentiation signals, suggesting intrinsic constraints on therapeutic approaches aimed at enhancing OPC differentiation. This decline in functional capacity is associated with hallmarks of cellular aging, including decreased metabolic function and increased DNA damage. Fasting or treatment with metformin can reverse these changes and restore the regenerative capacity of aged OPCs, improving remyelination in aged animals following focal demyelination. Aged OPCs treated with metformin regain responsiveness to pro-differentiation signals, suggesting synergistic effects of rejuvenation and pro-differentiation therapies. These findings provide insight into aging-associated remyelination failure and suggest therapeutic interventions for reversing such declines in chronic disease.