Microglia mediate multiple facets of neuroinflammation, including cytotoxicity, repair, regeneration, and immunosuppression due to their ability to acquire diverse activation states, or phenotypes. Modulation of microglial phenotype is an appealing neurotherapeutic strategy but a comprehensive study of classical and more novel microglial phenotypic markers in vitro is lacking. The aim of this study was to outline the temporal expression of a battery of phenotype markers from polarised microglia to generate an in vitro tool for screening the immunomodulatory potential of novel compounds. We characterised expression of thirty-one macrophage/microglial phenotype markers in primary microglia over time (4, 12, 36, and 72 h), using RT-qPCR or multiplex protein assay. Firstly, we selected Interleukin-4 (IL-4) and lipopolysaccharide (LPS) as the strongest M1-M2 polarising stimuli, from six stimuli tested. At each time point, markers useful to identify that microglia were M1 included iNOS, Cox-2 and IL-6 and a loss of M2a markers. Markers useful for quantifying M2b-immunomodulatory microglia included, increased IL-1RA and SOCS3 and for M2a-repair and regeneration, included increased arginase-1, and a loss of the M1 and M2b markers were discriminatory. Additional markers were regulated at fewer time points, but are still likely important to monitor when assessing the immunomodulatory potential of novel therapies. Further, to facilitate identification of how novel immunomodulatory treatments alter the functional affects of microglia, we characterised how the soluble products from polarised microglia affected the type and rate of neuronal death; M1/2b induced increasing and M2a-induced decreasing neuronal loss. We also assessed any effects of prior activation state, to provide a way to identify how a novel compound may alter phenotype depending on the stage of injury/insult progression. We identified generally that a prior M1/2b reduced the ability of microglia to switch to M2a. Altogether, we have characterised a profile of phenotype markers and a mechanism of assessing functional outcome that we can use as a reference guide for first-line screening of novel immunomodulatory therapies in vitro in the search for viable neuroprotectants.

ZIKA virus (ZIKV) is an emerging pathogen responsible for neurological disorders and congenital microcephaly. However, the molecular basis for ZIKV neurotropism remains poorly understood. Here, we show that Axl is expressed in human microglia and astrocytes in the developing brain and that it mediates ZIKV infection of glial cells. Axl-mediated ZIKV entry requires the Axl ligand Gas6, which bridges ZIKV particles to glial cells. Following binding, ZIKV is internalized through clathrin-mediated endocytosis and traffics to Rab5+ endosomes to establish productive infection. During entry, the ZIKV/Gas6 complex activates Axl kinase activity, which downmodulates interferon signaling and facilitates infection. ZIKV infection of human glial cells is inhibited by MYD1, an engineered Axl decoy receptor, and by the Axl kinase inhibitor R428. Our results highlight the dual role of Axl during ZIKV infection of glial cells: promoting viral entry and modulating innate immune responses. Therefore, inhibiting Axl function may represent a potential target for future antiviral therapies.

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.

Abstract Meta-analyses have revealed associations between the incidence of maternal infections during pregnancy, premature birth, smaller brain volumes, and subsequent cognitive, motor and behavioral deficits as these children mature. Inflammation during pregnancy in rodents produces cognitive and behavioral deficits in the offspring that are similar to those reported in human studies. These deficits are accompanied by decreased neurogenesis and proliferation in the subgranular zone (SGZ) of the dentate gyrus (DG) of the hippocampus. As systemically administering interleukin-1 β (IL-1β) to neonatal mice recapitulates many of the brain abnormalities seen in premature babies including developmental delays, the goal of this study was to determine whether IL-1-mediated neuroinflammation would affect hippocampal growth during development to produce cognitive and behavioral abnormalities. For these studies, 10 ng/g IL-1β was administered twice daily to Swiss Webster mice during the first 5 days of life, which increased hippocampal levels of IL-1α and acutely reduced the proliferation of Tbr2 + neural progenitors in the DG. In vitro , both IL-1α and IL-1β produced G1/S cell cycle arrest that resulted in reduced progenitor cell proliferation within the transit amplifying progenitor cell cohort. By contrast, IL-1β treatment increased neural stem cell frequency. Upon terminating IL-1β treatment, the progenitor cell pool regained its proliferative capacity. An earlier study that used this in vivo model of perinatal inflammation showed that mice that received IL-1β as neonates displayed memory deficits which suggested abnormal hippocampal function. To evaluate whether other cognitive and behavioral traits associated with hippocampal function would also be altered, mice were tested in tasks designed to assess exploratory and anxiety behavior as well as working and spatial memory. Interestingly, mice that received IL-1β as neonates showed signs of anxiety in several behavioral assays during adolescence that were also evident in adulthood. Additionally, these mice did not display working memory deficits in adulthood, but they did display deficits in long-term spatial memory. Altogether, these data support the view that perinatal inflammation negatively affects the developing hippocampus producing behavioral deficits that persist into adulthood. These data provide a new perspective into the origin of the cognitive and behavioral impairments observed in prematurely-born sick infants. Highlights Systemic inflammation during the first 5 days of life increases hippocampal pro-inflammatory cytokines and chemokines Neuroinflammation reduces Tbr2 + neural progenitor cell proliferation in the dentate gyrus. IL-1 arrests the cell cycle of Tbr-2 + progenitors and enriches for neural stem cells. Adolescent mice that experienced neonatal systemic inflammation have a persistent anxiety disorder. Mice that experienced neonatal systemic inflammation have deficits in spatial memory as adults.

Premature birth is the commonest cause of death and disability in young children. Diffuse white matter injury (DWMI), provoked by inflammatory insults accompanying prematurity, is associated with increased risk of neurodevelopmental disorders – such as autism spectrum disorders – and is due to maturation arrest in oligodendrocyte precursors (OPCs). The lack of therapeutic solutions is a strong impetus to unveil the molecular mechanisms underlying neuroinflammation impact on OPC cell fate. We used a validated mouse model of DWMI, induced by systemic- and neuro-inflammation – as observed in preterm infants – and based on interleukin-1B administration from postnatal day P1 to P5. Using integrated genome-wide approaches we showed that neuroinflammation induced limited epigenomic disturbances in OPCs, but marked transcriptomic alterations of genes of the immune/inflammatory pathways. We found that these genes were expressed in control OPCs and physiologically downregulated between P3-P10, as part of the OPC normal developmental trajectory. We observed that transcription factors of the inflammatory pathways occupied DNA both in unstressed and inflamed OPCs. Thus, rather than altering genome-wide chromatin accessibility, neuroinflammation takes advantage of open chromatin regions and deeply counteracts the stage-dependent downregulation of these active transcriptional programs by the sustained upregulation of transcript levels. The intricate dual roles – stress-responsive and potentially developmental – of these proinflammatory mediators strongly suggest that the mere suppression of these inflammatory mediators, as currently proposed, may not be a valid neurotherapeutic strategy. Our study provides new insights for the future development of more targeted approaches to protect the preterm brain.Significance statement Neuroinflammation provokes premature birth, the commonest cause of death and disability in children, including autism. Neuroinflammation-induced neurological damage encompasses white matter injury. The actual therapeutic strategies are orientated towards global repression of proinflammatory actors. We explore the epigenomic and transcriptomic impacts of neuroinflammation on a purified cell population of oligodendrocyte precursors cells (OPCs). Rather than altering genome-wide chromatin accessibility, neuroinflammation takes advantage of open chromatin regions and deeply counteracts the stage-dependent downregulation of these active transcriptional programs, in particular that of the inflammatory pathway. These proinflammatory genes are constitutively expressed by OPCs and their physiological downregulation during OPC maturation process is counteracted by neuroinflammation. The intricacy between the OPC physiological and neuroinflammation-responsive expression of these proinflammatory mediators reorientates neuroprotective strategies.

Preterm birth places newborn infants in an adverse environment that leads to brain injury linked to neuroinflammation. To characterise this pathology, we present a translational bioinformatics investigation, with integration of human and mouse molecular and neuroimaging datasets to provide a deeper understanding of the role of microglia in preterm white matter damage. We examined preterm neuroinflammation in a mouse model of encephalopathy of prematurity induced by IL1B exposure, carrying out a gene network analysis of the cell-specific transcriptomic response to injury, which we extended to analysis of protein-protein interactions, transcription factors, and human brain gene expression, including translation to preterm infants by means of imaging-genetics approaches in the brain. We identified the endogenous synthesis of DLG4 (PSD95) protein by microglia in mouse and human, modulated by inflammation and development. Systemic genetic variation in DLG4 was associated with structural features in the preterm infant brain, suggesting that genetic variation in DLG4 may also impact white matter development and inter-individual susceptibility to injury.