An intact immune response is critical for survival of hosts chronically infected with Toxoplasma gondii. We observe clusters of macrophages surrounding replicating parasite in brain tissue, but the initial cues which instruct focal inflammatory reactions in the central nervous system (CNS) are not well understood. One potential mechanism of broad relevance is host cell damage. Here we find that IL-33, a nuclear alarmin, is critical for control of T. gondii parasites in the brain. IL-33 is expressed by oligodendrocytes and astrocytes during T. gondii infection, and a loss of nuclear IL-33 staining is observed in association with replicating T. gondii in infected mouse and human brain tissue, suggestive of IL-33 release. IL-33 signaling is required for induction of chemokines in astrocytes, including focal CCL2 production as visualized using CCL2-mCherry reporter mice. Bone marrow chimera experiments support the hypothesis that IL-33 could be acting directly on astrocytes, as the relevant IL-33-responding cell is radio-resistant. In alignment with CCL2 induction, IL-33 signaling is required for the infiltration of CCR2+ myeloid cells that express anti-parasitic iNOS locally. These results expand our knowledge of alarmin signaling in the brain, an environment which is unique from the periphery and demonstrates the importance of a single damage signal in focal control of T. gondii infection in the CNS.

Control of chronic CNS infection with the parasite Toxoplasma gondii requires an ongoing T cell response in the brain. Immunosuppressive cytokines are also important for preventing lethal immunopathology during chronic infection. To explore the loss of suppressive cytokine exclusively during the chronic phase of infection we blocked IL-10 receptor (IL-10R). Blockade was associated with widespread changes in the inflammatory response, including increased antigen presenting cell (APC) activation, expansion of CD4+ T cells, and increased neutrophil recruitment to the brain, consistent with previous reports. We then sought to identify regulatory mechanisms contributing to IL-10 production, focusing on ICOS (inducible T cell costimulator), a molecule that promotes IL-10 production in many systems. Unexpectedly, ICOS-ligand (ICOSL) blockade led to a local expansion of effector T cells in the inflamed brain without affecting IL-10 production or APC activation. Instead, we found that ICOSL blockade led to changes in T cells associated with their proliferation and survival. Specifically, we observed increased expression of IL-2 associated signaling molecules, including CD25, STAT5 phosphorylation, Ki67, and Bcl-2 in T cells in the brain. Interestingly, increases in CD25 and Bcl-2 were not observed following IL-10R blockade. Also unlike IL-10R blockade, ICOSL blockade led to an expansion of both CD8+ and CD4+ T cells in the brain, with no expansion of peripheral T cell populations or neutrophil recruitment to the brain Overall, these results suggest that IL-10 and ICOS differentially regulate T cell responses in the brain during chronic T. gondii infection.

ABSTRACT The discovery of meningeal lymphatic vessels that drain the central nervous system (CNS) has prompted new insights into how neuroinflammation develops. In this study, we examined how T cell responses against CNS-derived antigen develop in the context of infection. We found that meningeal lymphatic drainage promotes CD4 + and CD8 + T cell responses against the neurotropic parasite Toxoplasma gondii , and we discovered changes in the antigen-presenting cell compartment of the dural meninges that potentially support this process. Indeed, compared to uninfected controls, mice chronically infected with T. gondii displayed a ten-fold increase in the total number of dendritic cells in the dural meninges. These cells upregulated MHC class II, CD80, and CD86 expression, sampled cerebrospinal fluid-derived protein, and were detected within meningeal lymphatic vessels in greater numbers during infection. Disrupting meningeal lymphatic drainage via ligation surgery resulted in reduced dendritic cell number and maturation in the deep cervical lymph nodes and impaired CD4 + and CD8 + T cell activation, proliferation, and IFN-γ production at this site. Surprisingly, parasite-specific T cell responses in the brain remained intact following ligation, which may be due to activation of T cells at alternative sites during chronic infection, including lymph nodes that drain non-CNS tissue. Collectively, our work reveals that CNS lymphatic drainage supports the development of peripheral T cell responses against T. gondii but is nonetheless dispensable for host protection of the brain.

Microglia, the resident immune cells of the brain parenchyma, are thought to be first-line defenders against CNS infections. We sought to identify specific roles of microglia in the control of the eukaryotic parasite Toxoplasma gondii, an opportunistic infection that can cause severe neurological disease. In order to identify the specific function of microglia in the brain during infection, we sorted microglia and infiltrating myeloid cells from infected microglia reporter mice. Using RNA-sequencing, we find strong NF-kB and inflammatory cytokine signatures overrepresented in blood-derived macrophages versus microglia. Interestingly, we also find that IL-1 alpha is enriched in microglia and IL-1 beta in macrophages, which was also evident at the protein level. We find that mice lacking IL-1R1 or IL-1 alpha, but not IL-1 beta, have impaired parasite control and immune cell infiltration specifically within the brain. Further, by sorting purified populations from infected brains, we show that microglia, not peripheral myeloid cells, release IL-1 alpha ex vivo. Finally, using knockout mice as well as chemical inhibition, we show that ex vivo IL-1 alpha release is gasdermin-D dependent, and that gasdermin-D and caspase-1/11 deficient mice show deficits in immune infiltration into the brain and parasite control. These results demonstrate that microglia and macrophages are differently equipped to propagate inflammation, and that in chronic T. gondii infection, microglia specifically can release the alarmin IL-1 alpha, a cytokine that promotes neuroinflammation and parasite control.