Significance Thirty to fifty percent of depressed individuals are unresponsive to commonly prescribed antidepressant treatments, suggesting that biological mechanisms, such as stress-induced inflammation and blood vessel dysfunction, remain untreated. The blood–brain barrier is the ultimate frontier between the brain and harmful toxins or inflammatory signals circulating in the blood. Depression and vulnerability to chronic social stress are associated with loss of this barrier integrity; however, the mechanisms involved remain poorly understood. Identification of adaptations leading to resilience under stressful conditions could help develop novel treatments. Here we combined behavioral, pharmacological, and cell-specific gene profiling experiments in mice with epigenetic, molecular, and anatomical analysis of human samples to unravel mechanisms with therapeutic potential to protect the brain and promote resilience.

Prevalence, symptoms, and treatment of depression all point toward major sex differences. Social stress-induced neurovascular pathology is associated with depressive symptoms in male mice however it remains unknown if it contributes to this sexual dimorphism. Here, we report that chronic social and subchronic variable stress promoted sex-specific blood-brain barrier (BBB) molecular and morphological alterations in mood-related brain regions. Viral-mediated functional manipulation leading to a targeted disruption of the BBB induced anxiety- and depression-like behaviors including social avoidance and anhedonia. Endothelium cell-specific transcriptomic profiling revealed key pathways and novel genes involved in maladaptive stress responses vs resilience. We also confirmed BBB leakiness in the brain of stressed females which led us to explore and identify circulating vascular biomarkers of chronic stress that could inform on diagnosis and treatment. Importantly, these pre-clinical findings were validated in human blood and postmortem brain samples from depressed women, thus highlighting their translational value. By revealing a sex-specific causal role of BBB dysfunction in stress responses and depression, our results implicate vascular impairment as a major factor underlying mood disorders.

Abstract Major depressive disorder (MDD) is the leading cause of disability worldwide. However, 30-50% of patients are unresponsive to commonly prescribed antidepressants, highlighting untapped causal biological mechanisms. Dysfunction in the microbiota-gut-brain axis, the bidirectional communications between the central nervous system and gastrointestinal tract that are modulated by gut microorganisms, has been implicated in MDD pathogenesis. Exposure to chronic stress disrupts blood-brain barrier integrity, still, little is known about intestinal barrier function in these conditions particularly for the small intestine where most food and drug absorption takes place. Thus, here we investigate how chronic social or variable stress, two mouse models of depression, impact the jejunum (JEJ) intestinal barrier in males and females. Mice were subjected to stress paradigms followed by analysis of gene expression profiles of intestinal barrier-related targets, fecal microbial composition, and blood-based markers. Altered microbial populations as well as changes in gene expression of JEJ tight junctions were observed depending on the type and duration of stress, with sex-specific effects. We took advantage of machine learning to characterize in detail morphological tight junction properties identifying a cluster of ruffled junctions in stressed animals. Junctional ruffling is associated with inflammation, so we evaluated if LPS injection recapitulates stress-induced changes in the JEJ and observed profound sex differences. Finally, LPS-binding protein (LBP), a marker of gut barrier leakiness, was associated with stress vulnerability in mice and translational value was confirmed on blood samples from women with MDD. Our results provide evidence that chronic stress disrupts intestinal barrier homeostasis in conjunction with the manifestation of depressive-like behaviors in a sex-specific manner in mice and possibly, human depression.

Abstract Experiences are linked to emotions impacting memory consolidation and associated brain neuronal circuits. Posttraumatic stress disorder is an example of strong negative emotions affecting memory processes by flashbacks of past traumas. Stress-related memory deficits are also observed in major depressive disorder (MDD). We recently highlighted that sex-specific blood-brain barrier (BBB) alterations underlie stress responses in mice and human depression. However, little is known about the relationship between emotional valence, memory encoding and BBB function. Here, we investigated the effects of novel object recognition (NOR) test, an experience considered of neutral emotional valence, on BBB properties in dorsal vs ventral hippocampus in the context of various environmental conditions (arena size, handling, age). The hippocampus is a brain area central for learning and memory processes with the dorsal and ventral subregions being associated with working memory vs reference memory retrieval, respectively. Expression of genes related to BBB integrity are altered in line with learning and memory processes in a region- and sex-specific manner. We observed correlations between poor learning, anxiety, stress-induced corticosterone release and changes in BBB-associated gene expression. Comparison of BBB transcriptomes between sexes also revealed profound differences at baseline in both ventral and dorsal hippocampus. Finally, we identified circulating vascular biomarkers, such as sE-selectin and Mmp-9, altered following NOR exposure supporting that recognition memory formation has an impact on the neurovasculature. Although deemed as a neutral valence test, NOR experimental conditions impact performance, highlighting the need to minimize anxiety when performing this commonly used test in mice. Significance Statement With this study, we aim to investigate the blood-brain barrier’s (BBB) role in memory acquisition and consolidation to unravel new mechanisms and decipher the involvement of non-neuronal cell types in these processes. For this purpose, male and female mice were subjected to a recognition memory test associated with a neutral emotional experience and impact on the transcriptomic profile of the BBB along with blood vascular biomarkers were evaluated under various experimental conditions. Crossing the BBB remains an important challenge to develop therapeutic drugs including in the context of memory deficits driven by psychiatric disorders or neurodegenerative diseases and thus, the possibility to directly target this barrier by better understanding its biology is attractive and innovating.

Chronic stress can promote loss of blood-brain barrier (BBB) integrity leading to passage of circulating inflammatory mediators in mood-regulating brain areas and establishment of depressive behaviors. Conversely, neurovascular adaptations favoring resilience to stress exposure remain undetermined. Here, we report that environmental enrichment dampens stress-induced loss of endothelial tight junction protein Claudin-5 (Cldn5) along with anxiety- and depression-like behaviors in mice via an increase in fibroblast growth factor 2 (Fgf2). Treatment of mouse and human endothelial cells with Fgf2 preceding an immune challenge with the proinflammatory cytokine TNFα, elevated after chronic stress and in depression, reduces BBB dysfunction, and altered cell signaling. Coping with voluntary physical exercise also protects the BBB from stress deleterious effects by increasing Fgf2 preventing Cldn5 loss, exacerbated inflammation, and social avoidance. Circulating FGF2 level is linked with depression severity and symptomatology in humans supporting involvement of this growth factor in mood disorders and stress-induced BBB changes.