Chronic unresolved inflammation plays a causal role in the development of advanced atherosclerosis, but the mechanisms that prevent resolution in atherosclerosis remain unclear. Here, we use targeted mass spectrometry to identify specialized pro-resolving lipid mediators (SPM) in histologically-defined stable and vulnerable regions of human carotid atherosclerotic plaques. The levels of SPMs, particularly resolvin D1 (RvD1), and the ratio of SPMs to pro-inflammatory leukotriene B4 (LTB4), are significantly decreased in the vulnerable regions. SPMs are also decreased in advanced plaques of fat-fed Ldlr-/- mice. Administration of RvD1 to these mice during plaque progression restores the RvD1:LTB4 ratio to that of less advanced lesions and promotes plaque stability, including decreased lesional oxidative stress and necrosis, improved lesional efferocytosis, and thicker fibrous caps. These findings provide molecular support for the concept that defective inflammation resolution contributes to the formation of clinically dangerous plaques and offer a mechanistic rationale for SPM therapy to promote plaque stability.

ABSTRACT Multiple Sclerosis (MS) is a chronic autoimmune disease affecting the central nervous system (CNS). Despite therapies that reduce relapses, many patients eventually develop secondary progressive MS (SPMS), characterized by ongoing and irreversible neurodegeneration and worsening clinical symptoms. Microglia are the resident innate immune cells of the CNS. While the cellular and molecular determinants of disability progression in MS remain incompletely understood, they are thought to include non-resolving microglial activation and chronic oxidative injury. In this study, our aim was to better characterize microglia in SPMS tissues to identify disease-related changes at the single cell level. We performed single nucleus RNA-seq (snRNA-seq) on cryopreserved post-mortem brain cortex and identified disease associated changes in multiple cell types and in particular distinct SPMS-enriched microglia subsets. When compared to the cluster most enriched in healthy controls (i.e. homeostatic microglia), we found a number of SPMS-enriched clusters with transcriptional profiles reflecting increased oxidative stress and perturbed iron homeostasis. Using histology and RNA-scope, we confirmed the presence of iron accumulating, ferritin-light chain ( FTL )-expressing microglia in situ . Among disease-enriched clusters, we found evidence for divergent responses to iron accumulation and identified the antioxidant enzyme GPX4 as a key fate determinant. These data help elucidate processes that occur in progressive MS brains, and highlight novel nodes for therapeutic intervention.

Abstract Iron dysregulation has been implicated in multiple neurodegenerative diseases, including Parkinson’s Disease (PD), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), and Multiple Sclerosis (MS). One prominent feature of affected brain regions are iron-loaded microglia, but how iron overload influences microglia physiology and disease response is poorly understood. Here we show that microglia are highly susceptible to ferroptosis, an iron-dependent form of cell death. In a tri-culture of human iPSC-derived neurons, astrocytes, and microglia, under ferroptosis-inducing conditions, microglia undergo a drastic shift in cell state, with increased ferritin levels, disrupted glutathione homeostasis, and altered cytokine signaling. Similar ferroptosis-associated signature (FAS) microglia were uncovered in PD, and the signature was also found in a large cohort of PD patient blood samples, raising the possibility that ferroptosis can be identified clinically. We performed a genome-wide CRISPR screen which revealed a novel regulator of ferroptosis, the vesicle trafficking gene SEC24B. A small molecule screen also nominated several candidates which blocked ferroptosis, some of which are already in clinical use. These data suggest that ferroptosis sits at the interface of cell death and inflammation, and inhibition of this process in microglia and other brain cells may provide new ways for treating neurodegenerative disease.

While significant advances have been made in understanding renal pathophysiology, less is known about the role of glycosphingolipid (GSL) metabolism in driving organ dysfunction. Here, we used a small molecule inhibitor of glucosylceramide synthase to modulate GSL levels in three mouse models of distinct renal pathologies: Alport syndrome (Col4a3 KO), polycystic kidney disease (Nek8jck), and steroid-resistant nephrotic syndrome (Nphs2 cKO). At the tissue level, we identified a core immune-enriched transcriptional signature that was shared across models and enriched in human polycystic kidney disease. Single nuclei analysis identified robust transcriptional changes across multiple kidney cell types, including epithelial and immune lineages. To further explore the role of GSL modulation in macrophage biology, we performed in vitro studies with homeostatic and inflammatory bone marrow-derived macrophages. Cumulatively, this study provides a comprehensive overview of renal dysfunction and the effect of GSL modulation on kidney-derived cells in the setting of renal dysfunction. This study identifies shared immune-related gene signatures across kidney cell types in three distinct mouse models of renal disease and examines the role of glycosphingolipid metabolism in renal dysfunction.