Abstract Photoperiod drives metabolic activity of brown adipose tissue (BAT), and affects food intake and weight gain in mammals. Sympathetic innervation in BAT controls thermogenesis and facilitates physiological adaption to seasons, but the exact mechanism remains elusive. Previous studies show that the central opioid signaling tunes BAT heating and the brain muopioid receptor (MOR) levels have seasonal patterns. It is hence intriguing to know whether the peripheral MOR signaling shows seasonal variation. Here, we examined the effect of photoperiod on BAT MOR availability using [ 11 C]carfentanil positron emission topography (PET). Adult rats (n = 9) were repeatedly imaged under changing photoperiods which simulates the local seasons. Long photoperiod downregulated MOR availability in BAT, while MOR availability in the muscles was unaffected. We confirmed the expression of MOR in BAT and muscle using immunofluorescence imaging. We conclude that photoperiod causally affects MOR availability in BAT, and sympathetic innervation of BAT may influence thermogenesis via the peripheral MOR system. Significance of the study Photoperiod impacts the metabolic activity of brown adipose tissue (BAT) with the exact mechanism still unclear. The current study shows that photoperiod causally affects the mu-opioid receptor (MOR) levels in BAT, with longer photoperiod leading to lower MOR availability. This possibly indicates down-regulated innervation during bright seasons. Immunofluorescence staining data reveal expression of MOR in both brain and peripheral tissues, drawing attention to the under-investigated peripheral MOR system. Also, the study highlights the feasibility of [ 11 C]carfentanil PET in studying the peripheral MOR signaling.

Abstract Seasonal rhythms influence mood and sociability. The brain μ-opioid receptor (MOR) system modulates a multitude of seasonally varying socioemotional functions, but its seasonal variation remains elusive with no previously reported in vivo evidence. Here, we studied the seasonal effects on brain MOR availability via analysing a dataset (n=204) of [ 11 C]carfentanil positron emission tomography (PET) scans of healthy volunteers. We found that seasonally varying daylength had an inverted U-shaped functional relationship with brain MOR availability. Brain regions sensitive to daylength spanned the socio-emotional brain circuits, where MOR availability formed a spring-like peak. Causal effect of daylength on brain MOR availability was further verified by a post hoc experiment with repeated PET imaging of rats (n=9) under seasonal photoperiodic simulation. Therefore, the in vivo brain MOR availability in normal humans shows significant seasonal variation, which aligns with expected seasonal variation in mood and suicidality.

ABSTRACT MicroRNAs (miRNAs) are a class of regulatory non-coding RNAs that finetune cellular functions by modulating the stability and abundance of their target mRNAs, thereby contributing to regulation of tissue homeostasis. MiRNA genes are transcribed similarly to protein-coding genes and recent studies have enabled their annotation and quantification genome-wide from bulk nascent transcriptomes. Here, we developed an approach to quantify and integrate miRNA gene signatures into single-cell studies. To characterize miRNA gene expression dynamics, we first compared the suitability of droplet and plate-based single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) platforms using the matched datasets provided by the Tabula Muris Senis and Tabula Sapiens consortiums. We found high concordance between the platforms and with cell type-specific bulk expression data. Based on the comprehensive aging profiles, our analysis comparing spleen immune cells between young and old mice revealed a concordant regulation of miRNAs involved in senescence and inflammatory pathways in multiple immune cell types, including up-regulation of mmu-mir-146a, mmu-mir-101a and mmu-mir-30 family genes. To study the aberrant regulation of immune cell homeostasis and tissue inflammation that pre-dispose to aging-related disease development, we collected transcriptome profiles from atherosclerosis development in LDLR -/- ApoB 100/100 mice. We found an elevated myeloid cell proportion in the adipose tissue and further characterized the cell subtypes based on reproducible transcriptome clusters. We then compared miRNA gene expression in early versus late disease and upon inflammatory challenge to monitor different stages during disease progression. At atherosclerotic stage, pro-inflammatory mmu-mir-511 expression increased in several macrophage subtypes, while immunosuppressive mmu-mir-23b∼mir-24-2∼mir-27b up-regulation was specific to Trem2+ lipid-associated macrophages. The infiltrating monocytes up-regulated mmu-mir-1938 and mmu-mir-22 expression and in classical monocytes maturation further increased mmu-mir-221∼222, mmu-mir-511 and mmu-mir-155 expression. To validate that these changes detected from single cell profiles represent miRNA gene transcriptional regulation, we used nascent transcriptomics data from ex vivo macrophage cultures with pro-inflammatory stimulation, confirming both rapid and long-lasting transcriptional activation of the miRNA loci studied. Collectively, our work enables integrating miRNA gene analysis to current single cell genomics pipelines and facilitates characterization of miRNA regulatory networks during aging and disease development.

ABSTRACT Folate receptor β (FR-β) is one of the markers expressed on macrophages and a promising target for imaging of inflammation. Here, we report the radiosynthesis and preclinical evaluation of [ 68 Ga]Ga-NOTA-folate ( 68 Ga-FOL). First, we determined the affinity of 68 Ga-FOL using human FR-β expressing cells. Then, we studied atherosclerotic mice with 68 Ga-FOL and 18 F-FDG PET/CT. After sacrifice, the tissues excised were measured with a γ-counter for ex vivo biodistribution. Further, the tracer distribution and co-localization with macrophages in aorta cryosections were studied using autoradiography, hematoxylin-eosin staining and immunostaining with anti-Mac-3 antibody. Specificity of 68 Ga-FOL was assessed in a blocking study with excess of folate glucosamine. As a last step, human radiation doses were extrapolated from rat PET data. We were able to produce 68 Ga-FOL at high radioactivity concentration, with high molar activity and radiochemical purity. The cell binding studies showed high (5.1 ± 1.1 nM) affinity of 68 Ga-FOL to FR-β. The myocardial uptake of 68 Ga-FOL (SUV 0.43 ± 0.06) was 20-folds lower compared to 18 F-FDG (SUV 10.6 ± 1.8, P = 0.001). The autoradiography and immunohistochemistry of aorta revealed that 68 Ga-FOL radioactivity co-localized with Mac-3-positive macrophage-rich atherosclerotic plaques. The plaque-to-healthy vessel wall ratio of 68 Ga-FOL (2.44 ± 0.15) was significantly higher than that of 18 F-FDG (1.93 ± 0.22, P = 0.005). Blocking studies verified 68 Ga-FOL specificity to FR. As estimated from rat data the human effective dose was 0.0105 mSv/MBq. The organ with highest absorbed dose was kidney (0.1420 mSv/MBq). In conclusion, 68 Ga-FOL is a promising new FR-β-targeted tracer for imaging macrophage-associated inflammation. TABLE OF CONTENT/ABSTRACT GRAPHIC