Summary Microglia of the developing brain have unique functional properties but how their activation states is regulated is poorly understood. Inflammatory activation of microglia in the still-developing brain of preterm born infants is associated with permanent neurological sequelae in 9 million infants every year. Investigating the regulators of microglial activation in the developing brain with multiple models of neuroinflammation-mediated injury and primary human microglia we found that a reduction in Wnt/β-catenin signalling is necessary and sufficient to drive an oligodendrocyte-injurious microglial phenotype. We validated in a cohort of preterm born infants that genomic variation in the WNT pathway is associated with the levels of connectivity found in their brains. Using a Wnt agonist delivered by a BBB penetrant microglia-specific targeting nanocarrier we prevented in our animal model the pro-inflammatory microglial activation, white matter injury and behavioural deficits. Collectively, these data validate that the Wnt pathway regulates microglial activation, is critical in the evolution of an important form of human brain injury and is a viable therapeutic target.

Infants born very preterm (below 28 weeks of gestation) are at high risk of developing neurodevelopmental disorders, such as intellectual deficiency, autism spectrum disorders, and attention deficit. Preterm birth often occurs in the context of perinatal systemic inflammation due to chorioamnionitis and postnatal sepsis (Dammann, O. and Leviton, A., Intermittent or sustained systemic inflammation and the preterm brain. Pediatr Res, 2014. 75(3): p. 376-80). In addition, C-section is often performed for very preterm neonates to avoid hypoxia during a vaginal delivery (Luca, A.,et al., Birth trauma in preterm spontaneous vaginal and cesarean section deliveries: A 10-years retrospective study. PloS one,2022, 17(10), e0275726.) We have developed and characterized a mouse model based on intraperitoneal injections of IL-1b; between postnatal days one and five to reproduce perinatal systemic inflammation (Favrais, G.,et al., Systemic inflammation disrupts the developmental program of white matter. Ann Neurol,2011. 70(4): p. 550-65). This model replicates several neuropathological, brain imaging, and behavioral deficits observed in preterm infants. We hypothesized that C-sections could synergize with systemic inflammation to induce more severe brain abnormalities. We observed that C-sections significantly exacerbated the deleterious effects of IL-1b; on reduced gut microbial diversity, increased levels of circulating peptidoglycans, abnormal microglia/macrophage reactivity, impaired myelination, and reduced functional connectivity in the brain relative to vaginal delivery plus intraperitoneal saline. These data demonstrate the deleterious synergistic effects of C-section and neonatal systemic inflammation on brain maldevelopment and malfunction, two conditions frequently observed in very preterm infants, who are at high risk of developing neurodevelopmental disorders.

Abstract Preterm infants often show pathologies of the cerebellum, which are associated with impaired motor performance, lower IQ and poor language skills at school ages. Because 1 in 10 babies is born preterm cerebellar injury is a significant clinical problem. The causes of cerebellar damage are yet to be fully explained. Herein, we tested the hypothesis that perinatal inflammatory stimuli may play a key role in cerebellar injury of preterm infants. We undertook our studies in an established mouse model of inflammation-induced encephalopathy of prematurity driven by systemic administration of the prototypic pro-inflammatory cytokine interleukin-1β (IL-1β). Inflammation is induced between postnatal day (P) 1 to day 5, timing equivalent to the last trimester for brain development in humans the period of vulnerability to preterm birth related brain injury. We investigated acute and long-term consequences for the cerebellum on brain volume expansion, oligodendroglial maturation, myelin levels and the microglial transcriptome. Perinatal inflammation induced global mouse brain volume reductions, including specific grey and white matter volume reductions in cerebellar lobules I and II (5% FDR) in IL-1β versus control treated mice from P15 onwards. Oligodendroglia damage preceded the MRI-detectable volume changes, as evidenced by a reduced proliferation of OLIG2+ cells at P10 and reduced levels of the myelin proteins MOG, MBP and MAG at P10 and P15. Increased density of Iba1+ cerebellar microglia was observed at P5 and P45, with evidence for increased microglial proliferation at P5 and P10. Comparison of the transcriptome of microglia isolated from P5 cerebelli and cerebrum revealed significant enrichment of pro-inflammatory markers in microglia from both regions, but in the cerebellum microglia displayed a unique type I interferon signalling dysregulation. Collectively, these data suggest that in our model that systemic inflammation causes chronic activation of microglia and maldevelopment of cerebellum that includes myelin deficits which is driven in the cerebellum by type I interferon signalling. Future protective strategies for preterm infants should consider sustained type I interferon signalling driven cerebellar inflammation as an important target.