Abstract Implanted bioelectronic devices have the potential to treat disorders that are resistant to traditional pharmacological therapies; however, reaching many therapeutic nerve targets requires invasive surgeries and implantation of centimeter-sized devices. Here we show that it is possible to stimulate peripheral nerves from within blood vessels using a millimeter-sized wireless implant. By directing the stimulating leads through the blood vessels we can target specific nerves that are difficult to reach with traditional surgeries. Furthermore, we demonstrate this endovascular nerve stimulation (EVNS) with a millimeter sized wireless stimulator that can be delivered minimally invasively through a percutaneous catheter which would significantly lower the barrier to entry for neuromodulatory treatment approaches because of the reduced risk. This miniaturization is achieved by using magnetoelectric materials to efficiently deliver data and power through tissue to a digitally-programmable 0.8 mm 2 CMOS system-on-a-chip. As a proof-of-principle we show wireless stimulation of peripheral nerve targets both directly and from within the blood vessels in rodent and porcine models. The wireless EVNS concept described here provides a path toward minimally invasive bioelectronics where mm-sized implants combined with endovascular stimulation enable access to a number of nerve targets without open surgery or implantation of battery-powered pulse generators.

Minimally invasive neural interfaces can be used to diagnose, manage, and treat many disorders with substantially reduced risks of surgical complications. Endovascular neural interfaces implanted in the veins or arteries is one approach, but it requires prescriptions of anti-thrombotic medication and are likely not explantable after endothelialization. More critically, the approach is limited by the small size and location of blood vessels, such that many important cortical, subcortical, spinal targets cannot be reached. Here, we demonstrate a chronic endocisternal neural interface that approaches brain and spinal cord targets through inner and outer cerebral spinal fluid (CSF) spaces. These spaces surround the nervous system and lack the tortuosity of the circulatory system, giving us access to the entire brain convexity, deep brain structures within the ventricles, and the spinal cord from the spinal subarachnoid space. Combined with miniature magnetoelectric-powered bioelectronics, the entire wireless system is deployable through a percutaneous procedure. The flexible catheter electrodes can be freely navigated throughout the body from the spinal to cranial subarachnoid space, and from the cranial subarachnoid space to the ventricles. We show in a large animal model that we can also reposition the recording and stimulation electrodes or explant the neural interface after chronic implantation. This enables applications in therapies that require transient or permanent brain/machine interface such as stroke rehabilitation and epilepsy monitoring and opens a new class of minimally invasive endocisternal bioelectronics.

Treatment of the tumor and dural margin with surgery and sometimes radiation are cornerstones of therapy for meningioma. Molecular classifications have provided insights into the biology of disease; however, response to treatment remains heterogeneous. In this study, we used retrospective data on 2,824 meningiomas, including molecular data on 1,686 tumors and 100 prospective meningiomas, from the RTOG-0539 phase 2 trial to define molecular biomarkers of treatment response. Using propensity score matching, we found that gross tumor resection was associated with longer progression-free survival (PFS) across all molecular groups and longer overall survival in proliferative meningiomas. Dural margin treatment (Simpson grade 1/2) prolonged PFS compared to no treatment (Simpson grade 3). Molecular group classification predicted response to radiotherapy, including in the RTOG-0539 cohort. We subsequently developed a molecular model to predict response to radiotherapy that discriminates outcome better than standard-of-care classification. This study highlights the potential for molecular profiling to refine surgical and radiotherapy decision-making. In a large, partially prospective cohort of patients with molecularly profiled and clinically annotated meningioma, the extent of surgical resection and radiotherapy (RT) response correlate with molecular classification, which can be used in a molecular model to predict clinical outcomes in response to RT.

To understand how genomic heterogeneity of glioblastoma (GBM) contributes to the poor response to therapy, which is characteristic of this disease, we performed DNA and RNA sequencing on GBM tumor samples and the neurospheres and orthotopic xenograft models derived from them. We used the resulting data set to show that somatic driver alterations including single nucleotide variants, focal DNA alterations, and oncogene amplification in extrachromosomal DNA (ecDNA) elements were in majority propagated from tumor to model systems. In several instances, ecDNAs and chromosomal alterations demonstrated divergent inheritance patterns and clonal selection dynamics during cell culture and xenografting. Longitudinal patient tumor profiling showed that oncogenic ecDNAs are frequently retained after disease recurrence. Our analysis shows that extrachromosomal elements increase the genomic heterogeneity during tumor evolution of glioblastoma, independent of chromosomal DNA alterations.

Blood-brain barrier (BBB) breakdown is a component of the progression and pathology of Alzheimer's disease (AD). BBB dysfunction is primarily caused by reduced or disorganized tight junction or adherens junction proteins of brain microvascular endothelial cell (BMEC). While there is growing evidence of tight junction disruption in BMECs in AD, the functional role of adherens junctions during BBB dysfunction in AD remains unknown. Exosomes secreted from senescent cells have unique characteristics and contribute to modulating the phenotype of recipient cells. However, it remains unknown if and how these exosomes cause BMEC dysfunction in AD.This study aimed to investigate the potential roles of AD circulating exosomes and their RNA cargos in brain endothelial dysfunction in AD.We isolated exosomes from sera of five cases of AD compared with age- and sex-matched cognitively normal controls using size-exclusion chromatography technology. We validated the qualities and particle sizes of isolated exosomes with nanoparticle tracking analysis and atomic force microscopy. We measured the biomechanical natures of the endothelial barrier of BMECs, the lateral binding forces between live BMECs, using fluidic force miscopy. We visualized the paracellular expressions of the key adherens junction protein VE-cadherin in BMEC cultures and a 3D BBB model that employs primary human BMECs and pericytes with immunostaining and evaluated them using confocal microscopy. We also examined the VE-cadherin signal in brain tissues from five cases of AD and five age- and sex-matched cognitively normal controls.We found that circulating exosomes from AD patients suppress the paracellular expression levels of VE-cadherin and impair the barrier function of recipient BMECs. Immunostaining analysis showed that AD circulating exosomes damage VE-cadherin integrity in a 3D model of microvascular tubule formation. We found that circulating exosomes in AD weaken the BBB depending on the RNA cargos. In parallel, we observed that microvascular VE-cadherin expression is diminished in AD brains compared to normal controls.Using in vitro and ex vivo models, our study illustrates that circulating exosomes from AD patients play a significant role in mediating the damage effect on adherens junction of recipient BMEC of the BBB in an exosomal RNA-dependent manner. This suggests a novel mechanism of peripheral senescent exosomes for AD risk.