Abstract Background and purpose Activation of astrocytes contributes to synaptic remodeling, tissue repair and neuronal survival following traumatic brain injury (TBI). However, the mechanisms by which these cells interact to infiltrated inflammatory cells to rewire neuronal networks and repair brain functions remain poorly understood. Here, we explored how TLR4-induced astrocyte activation modified synapses and cerebrovascular integrity following TBI. Experimental approach We used pharmacological and genetic approaches to determine how functional astrocyte alterations induced by activation of TLR4-pathway in inflammatory cells regulate synapses and neurovascular unit after TBI. For that, we used calcium imaging, immunofluorescence, flow cytometry, blood-brain barrier (BBB) integrity assessment and molecular and behavioral tools. Key results Shortly after a TBI there is a recruitment of excitable and reactive astrocytes mediated by TLR4-pathway activation with detrimental effects on PSD-95/VGlut1 synaptic puncta, BBB integrity and neurological outcome. Pharmacological blockage of the TLR4-pathway with TAK242 partially reverted many of the observed effects. Synapses and BBB recovery after TAK242 administration were not observed in IP 3 R2 −/− mice, indicating that effects of TLR4-inhibition depend on the subsequent astrocyte activation. In addition, TBI increased the astrocytic-protein thrombospondin-1 necessary to induce a synaptic recovery in a sub-acute phase. Conclusions and implications Our data demonstrate that TLR4-mediated signaling, most probably though microglia and/or infiltrated monocyte-astrocyte communication, plays a crucial role in the TBI pathophysiology and that its inhibition prevents synaptic loss and BBB damage accelerating tissue recovery/repair, which might represent a therapeutic potential in CNS injuries and disorders. Declaration of transparency and scientific rigour This Declaration acknowledges that this paper adheres to the principles for transparent reporting and scientific rigour of preclinical research as stated in the BJP guidelines for Design & Analysis, Immunoblotting and Immunochemistry, and Animal Experimentation, and as recommended by funding agencies, publishers and other organisations engaged with supporting research. Bullet point summary What is already known: Astrocytes and microglia participate in the early cerebral and synaptic response after traumatic brain injury. TLR4 antagonism exerts neuroprotection in acute brain injuries. What this study adds: Acute astrocyte activation contributes to synaptic loss and BBB breakdown in the acute phase of TBI, and synaptic remodeling in the sub-acute phase. Astrocyte activation is mediated by microglia/infiltrating-monocytes activation through TLR4 receptors. Clinical significance: Inhibition of astrocyte activation through TLR4 antagonism could be a promising option for TBI treatment.

ABSTRACT Multiple Sclerosis (MS) is a highly heterogeneous demyelinating disease of the central nervous system (CNS) that needs for reliable biomarkers to foresee disease severity. Previous retrospective investigations in the MS model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), highlighted the important relationship between monocytic-myeloid-derived suppressor cells (M-MDSCs) and the experimented severity of the clinical course. In this work, we show for the first time cells resembling M-MDSCs associated to MS lesions, whose abundance was related to milder MS clinical courses. Moreover, Ly-6C hi cells (which are indistinguishable from circulating M-MDSCs in mice) are useful biomarkers to predict a milder severity of the EAE disease course and a lesser tissue damage extent. Finally, the abundance of M-MDSCs in blood from untreated MS patients at their first relapse was inversely correlated with EDSS at baseline and relapse recovery one-year later. In summary, our data point to M-MDSC load as a promising biomarker of patient’s clinical course severity. Teaser The abundance of myeloid-derived suppressor cells is related to a milder clinical course in multiple sclerosis patients.

Multiple sclerosis (MS) is characterized by neuroinflammation and demyelination of the central nervous system (CNS), leading to disablility. Genetic variants that confer MS risk implicate genes involved in immune function, while variants related to severity of the disease are associated with genes preferentially expressed within the CNS. Current MS therapies decrease relapse rates by preventing immune-mediated damage of myelin, but they ultimately fail to slow long-term disease progression, which apparently depends on CNS intrinsic processes. The molecular events that trigger progressive MS are still unknown. Here we report that the C-terminal region of TAF1 (the scaffolding subunit of the general transcription factor TFIID) is underrepresented in postmortem brain tissue from individuals with MS. Furthermore, we demonstrate in vivo, in genetically modified mice, that C-terminal alteration of TAF1 suffices to induce an RNA polymerase II (RNAPII)-elongation deficit that particularly affects oligodendroglial myelination-related genes and results in an MS-like brain transcriptomic signature, including increased expression of proinflammatory genes. This transcriptional profile is accompanied by CNS-resident inflammation, robust demyelination and MS-like motor phenotypes. We also identify numerous interactors of C-terminal TAF1 that participate in RNAPII-promoter escape, of which two show evidence for genetic association to MS. Our study reveals that TAF1 dysfunction converges with genetic susceptibility to cause transcriptional dysregulation in CNS cell types, such as oligodendrocytes, to ultimately trigger MS.

ABSTRACT Background Multiple sclerosis (MS) is a chronic, inflammatory and demyelinating disease of the central nervous system (CNS) that is highly heterogeneous in terms of disease severity and tissue damage extent. Improving myelin restoration is essential to prevent neurodegeneration and the associated disability in MS patients. However, remyelinating therapies are failing in clinical trials, in part, due to the absence of classifying biomarkers of different endogenous regenerative capacities amongst enrolled patients. We previously reported that circulating monocytic myeloid-derived suppressor cells (M-MDSCs) at the onset of the murine model of MS experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) are associated with milder disease courses and less degree of demyelination and axonal damage in spinal cord lesions, while at peak are indicative of a better symptom recovery. Moreover, M-MDSCs are able to promote in vitro oligodendrocyte precursor cell (OPC) proliferation and differentiation towards mature oligodendrocytes (OLs) through the release of the soluble factor osteopontin. Results Here, we show a relationship between disease severity and a gradient of OPCs between the rim and the core in mixed active-inactive lesions of MS patients, along with a positive correlation between M-MDSC density and OPC abundance in the same lesions. We also show that EAE disease severity negatively influences the density of total and newly generated OPCs found associated to the demyelinated lesions of the spinal cord at the peak of the disease. In addition, disease severity also impacts the abundance of newly generated OLs originated either during the effector phase or during the early recovery phase. We also demonstrate the positive association between infiltrated M-MDSCs and the abundance of OPCs in the periplaque of demyelinating lesions at the peak of EAE. Interestingly, circulating M-MDSCs at EAE onset and peak of the disease are directly associated to a higher density of newly generated OLs in the plaque and periplaque, respectively. Conclusion Disease severity clearly impacts oligodendrocyte generation during a neuroinflammatory insult like EAE. Our results set the basis for further studies on M-MDSCs as a promising new biomarker that identify a CNS prone to the generation of new OLs that may contribute to restore myelin.

Abstract The increasing number of treatments that are now available to manage patients with multiple sclerosis (MS) highlights the need to develop biomarkers that can be used within the framework of individualized medicine. Fingolimod is a disease-modifying treatment that belongs to the sphingosine-1-phosphate receptor modulators. In addition of inhibiting T cell egression from lymph nodes, fingolimod promotes the immunosuppressive activity of Myeloid-Derived Suppressor Cells (MDSCs), a cell type that can be used as a biomarker of disease severity, and of the degree of demyelination and extent of axonal damage in MS. In the present study, we have assessed whether the abundance of circulating monocytic-MDSCs (M-MDSCs) may represent a useful biomarker of fingolimod efficacy. As such, blood immune cells were analyzed at disease onset in the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) MS mouse model. Fingolimod treated animals presented a milder EAE course with less demyelination and axonal damage, although a few animals did not respond well to treatment and they invariably had fewer M-MDSCs prior to initiating the treatment. Remarkably, M-MDSC abundance was also found to be an important and specific parameter to distinguish EAE mice prone to better fingolimod efficacy. Finally, in a translational effort, M-MDSCs were quantified in MS patients at baseline and correlated with different clinical parameters after 12 months of fingolimod treatment. The data obtained indicated that the M-MDSCs at baseline were highly representative of a good therapeutic response to fingolimod, i.e. patients who met at least two of the criteria used to define non-evidence of disease activity (NEDA-3) 12 months after treatment, providing relevant information of intention-to-treat MS patients. Collectively, our data indicate that M-MDSCs might be a useful predictive biomarker of the response of MS patients to fingolimod.