Ischemic stroke leads to significant morbidity and mortality in the Western world. Early reperfusion strategies remain the treatment of choice but can initiate and augment an inflammatory response causing secondary brain damage. The understanding of postischemic inflammation is very limited. The objectives of this study were to define the temporal and spatial infiltration of immune cell populations and their activation patterns in a murine cerebral ischemia-reperfusion injury model.Transient middle cerebral artery occlusion was induced for 1 hour followed by 12-hour to 7-day reperfusion in C57/BL6 mice. Immunohistochemistry and flow cytometry were used to quantify the infiltrating immune cell subsets.Accumulation of microglia and infiltration of the ischemic hemisphere by macrophages, lymphocytes, and dendritic cells (DCs) preceded the neutrophilic influx. DCs were found to increase 20-fold and constituted a substantial proportion of infiltrating cells. DCs exhibited a significant upregulation of major histocompatibility complex II and major histocompatibility complex II high-expressing DCs were found 100 times more abundant than in sham conditions. Upregulation of the costimulatory molecule CD80 was observed in DCs and microglial cells but did not further increase in major histocompatibility complex II high-expressing DCs. No lymphocyte activation was observed. Additionally, regulatory immune cells (natural killer T-cells, CD4(-)/CD8(-)T lymphocytes) cumulated in the ischemic hemisphere.This study provides a detailed analysis of the temporal dynamics of immune cell accumulation in a rodent stroke model. The peculiar activation pattern and massive increase of antigen-presenting cells in temporal conjunction with regulatory cells might provide additional insight into poststroke immune regulation.

Multi-protein complexes called inflammasomes have recently been identified and shown to contribute to cell death in tissue injury. Intravenous immunoglobulin (IVIg) is an FDA-approved therapeutic modality used for various inflammatory diseases. The objective of this study is to investigate dynamic responses of the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes in stroke and to determine whether the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes can be targeted with IVIg for therapeutic intervention. Primary cortical neurons were subjected to glucose deprivation (GD), oxygen–glucose deprivation (OGD) or simulated ischemia-reperfusion (I/R). Ischemic stroke was induced in C57BL/6J mice by middle cerebral artery occlusion, followed by reperfusion. Neurological assessment was performed, brain tissue damage was quantified, and NLRP1 and NLRP3 inflammasome protein levels were evaluated. NLRP1 and NLRP3 inflammasome components were also analyzed in postmortem brain tissue samples from stroke patients. Ischemia-like conditions increased the levels of NLRP1 and NLRP3 inflammasome proteins, and IL-1β and IL-18, in primary cortical neurons. Similarly, levels of NLRP1 and NLRP3 inflammasome proteins, IL-1β and IL-18 were elevated in ipsilateral brain tissues of cerebral I/R mice and stroke patients. Caspase-1 inhibitor treatment protected cultured cortical neurons and brain cells in vivo in experimental stroke models. IVIg treatment protected neurons in experimental stroke models by a mechanism involving suppression of NLRP1 and NLRP3 inflammasome activity. Our findings provide evidence that the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes have a major role in neuronal cell death and behavioral deficits in stroke. We also identified NLRP1 and NLRP3 inflammasome inhibition as a novel mechanism by which IVIg can protect brain cells against ischemic damage, suggesting a potential clinical benefit of therapeutic interventions that target inflammasome assembly and activity.

Abstract The devastating effect of ischemic stroke is attenuated in mice lacking conventional and unconventional T cells, suggesting that inflammation enhances tissue damage in cerebral ischemia. We explored the functional role of αβ and γδ T cells in a murine model of stroke and distinguished 2 different T cell–dependent proinflammatory pathways in ischemia-reperfusion injury. IFN-γ produced by CD4+ T cells induced TNF-α production in macrophages, whereas IL-17A secreted by γδ T cells led to neutrophil recruitment. The synergistic effect of TNF-α and IL-17A on astrocytes resulted in enhanced secretion of CXCL-1, a neutrophil chemoattractant. Application of an IL-17A–blocking antibody within 3 hours after stroke induction decreased infarct size and improved neurologic outcome in the murine model. In autoptic brain tissue of patients who had a stroke, we detected IL-17A–positive lymphocytes, suggesting that this aspect of the inflammatory cascade is also relevant in the human brain. We propose that selective targeting of IL-17A signaling might provide a new therapeutic option for the treatment of stroke.

Abstract We have recently identified T cells as important mediators of ischemic brain damage, but the contribution of the different T-cell subsets is unclear. Forkhead box P3 (FoxP3)–positive regulatory T cells (Tregs) are generally regarded as prototypic anti-inflammatory cells that maintain immune tolerance and counteract tissue damage in a variety of immune-mediated disorders. In the present study, we examined the role of Tregs after experimental brain ischemia/reperfusion injury. Selective depletion of Tregs in the DEREG mouse model dramatically reduced infarct size and improved neurologic function 24 hours after stroke and this protective effect was preserved at later stages of infarct development. The specificity of this detrimental Treg effect was confirmed by adoptive transfer experiments in wild-type mice and in Rag1−/− mice lacking lymphocytes. Mechanistically, Tregs induced microvascular dysfunction in vivo by increased interaction with the ischemic brain endothelium via the LFA-1/ICAM-1 pathway and platelets and these findings were confirmed in vitro. Ablation of Tregs reduced microvascular thrombus formation and improved cerebral reperfusion on stroke, as revealed by ultra-high-field magnetic resonance imaging at 17.6 Tesla. In contrast, established immunoregulatory characteristics of Tregs had no functional relevance. We define herein a novel and unexpected role of Tregs in a primary nonimmunologic disease state.

The fast and accurate assessment of cerebral perfusion is fundamental for the diagnosis and successful treatment of stroke patients. Magnetic particle imaging (MPI) is a new radiation-free tomographic imaging method with a superior temporal resolution, compared to other conventional imaging methods. In addition, MPI scanners can be built as prehospital mobile devices, which require less complex infrastructure than computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI). With these advantages, MPI could accelerate the stroke diagnosis and treatment, thereby improving outcomes. Our objective was to investigate the capabilities of MPI to detect perfusion deficits in a murine model of ischemic stroke. Cerebral ischemia was induced by inserting of a microfilament in the internal carotid artery in C57BL/6 mice, thereby blocking the blood flow into the medial cerebral artery. After the injection of a contrast agent (superparamagnetic iron oxide nanoparticles) specifically tailored for MPI, cerebral perfusion and vascular anatomy were assessed by the MPI scanner within seconds. To validate and compare our MPI data, we performed perfusion imaging with a small animal MRI scanner. MPI detected the perfusion deficits in the ischemic brain, which were comparable to those with MRI but in real-time. For the first time, we showed that MPI could be used as a diagnostic tool for relevant diseases in vivo, such as an ischemic stroke. Due to its shorter image acquisition times and increased temporal resolution compared to that of MRI or CT, we expect that MPI offers the potential to improve stroke imaging and treatment.

Abstract Due to their exceptional solubility and stability, nanobodies have emerged as powerful building blocks for research tools and therapeutics. However, their generation in llamas is cumbersome and costly. Here, by inserting an engineered llama immunoglobulin heavy chain (IgH) locus into IgH-deficient mice, we generate a transgenic mouse line, which we refer to as ‘LamaMouse’. We demonstrate that LamaMice solely express llama IgH molecules without association to Igκ or λ light chains. Immunization of LamaMice with AAV8, the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike protein, IgE, IgG2c, and CLEC9A enabled us to readily select respective target-specific nanobodies using classical hybridoma and phage display technologies, single B cell screening, and direct cloning of the nanobody-repertoire into a mammalian expression vector. Our work shows that the LamaMouse represents a flexible and broadly applicable platform for a facilitated selection of target-specific nanobodies.

Abstract Stroke and central nervous system dysfunction are cardinal symptoms in critically ill corona virus disease 19 (COVID-19) patients. In an autopsy series of 32 COVID-19 patients, we investigated whether carotid arteries were infected with SARS-CoV-2 by employing genomic, virologic, histochemical and transcriptomic analyses. We show that SARS-CoV-2 productively infects and modulates vascular responses in carotid arteries. This finding has far reaching implications for the understanding and clinical treatment of COVID-19.

ABSTRACT In multiple sclerosis and the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model, both resident microglia and infiltrating macrophages contribute to demyelination as well as spontaneous remyelination. Nevertheless, the specific roles of microglia versus macrophages are unknown. We investigated the influence of microglia in EAE using the colony stimulating factor 1 receptor (CSF-1R) inhibitor, PLX5622, to deplete microglial population and Ccr2 RFP/+ fms EGFP/+ mice, to distinguish peripheral macrophages and microglia. PLX5622 treatment depleted microglia and meningeal macrophages, and provoked a massive infiltration of CCR2 + macrophages into demyelinating lesions and spinal cord parenchyma. PLX5622 treatment did not alter EAE chronic phase. In contrast, microglia and meningeal macrophages depletion reduced the expression of CD80 co-stimulatory molecule in dendritic and myeloid cells and reduced T cell reactivation and proliferation in the spinal cord parenchyma, inducing a significant delay in EAE onset. Altogether, these data points to a specific role of CNS microglia meningeal macrophages in antigen presentation and T cell reactivation at initial stages of the EAE model.

Abstract Among laboratory mouse strains many genes are differentially expressed in the same cell population. As consequence, gene targeting in 129-derived embryonic stem cells (ESCs) and backcrossing the modified mice onto the C57BL/6 (B6) background can introduce passenger mutations in the close proximity of the targeted gene. Here, we demonstrate that several 129-originating transgenic mice in which P2rx7 -neighboring genes were targeted carry a P2rx7 passenger mutation that affects the vitality and function of T cells. By the example of P2rx4 tm1Rass we demonstrate that CD4 + and CD8 + T cells derived from these mice express higher levels of P2X7 when compared to corresponding cell populations in B6-WT mice. The increased T cell sensitivity towards the P2X7 activators adenosine triphosphate (ATP) and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) rendered these cells more vulnerable towards NAD-induced cell death (NICD) compared to their B6-WT counterparts. The enhanced NICD sensitivity significantly affected the outcome of functional assays e.g. cytokine production and cell migration. For P2rx4 tm1Rass , we demonstrate that the expression of P2X7 is diminished in several innate immune cell populations, possibly as a side effect of P2rx4 targeting, and independent of the P2rx7 passenger mutation. These results need to be considered when working with P2rx4 tm1Rass mice or other 129-based transgenic strains that target P2rx7 neighboring genes and might have implications for other mouse models.

ABSTRACT Extracellular vesicles (EVs) are lipid bilayer enclosed structures that not only represent a newly discovered means for cell-to-cell communication but may also serve as promising disease biomarkers and therapeutic tools. Apart from proteins, lipids, and metabolites, EVs can deliver genetic information such as mRNA eliciting a response in the recipient cells. In the present study, we have analyzed the mRNA content of brain-derived EVs (BDEVs) isolated 72 hours after experimental stroke in mice and compared them to controls (shams) using the nCounter® Nanostring panels, with or without prior RNA isolation from BDEVs. We found that both panels show similar results when comparing upregulated mRNA in stroke. Notably, the higher upregulated mRNAs were related to processes of stress and immune system responses, but also to anatomical structure development, cell differentiation, and extracellular matrix organization, indicating that regenerative mechanisms are already taking place at this time-point. The five top overexpressed mRNAs in stroke mice compared to shams were confirmed by RT-qPCR and, interestingly, were found to be present as full-length open-reading frame in BDEVs. We could reveal that the majority of the mRNA cargo in BDEVs was of microglial origin and probably predominantly present in small BDEVs (≤ 200 nm in diameter). However, the EV population with the highest increase in the total BDEVs pool at 72 h after stroke was of oligodendrocytic origin. Our study shows that nCounter® panels are a good tool to study mRNA content in tissue-derived EVs as they can be carried out even without previous mRNA isolation and that the mRNA cargo of BDEVs indicates their participation in inflammatory but also recovery processes after stroke.