ABSTRACT CD8 T cell infiltration of the central nervous system (CNS) is necessary for host protection but contributes to neuropathology. Antigen presenting cells (APCs) situated at CNS borders are thought to mediate T cell entry into the parenchyma during neuroinflammation. The identity of the CNS-resident APC that presents antigen via major histocompatibility complex (MHC) class I to CD8 T cells is unknown. Herein, we characterize MHC class I expression in the naïve and virally infected brain and identify microglia and macrophages (CNS-myeloid cells) as APCs that upregulate H-2K b and H-2D b upon infection. Conditional ablation of H-2K b and H-2D b from CNS-myeloid cells allowed us to determine that antigen presentation via H-2D b , but not H-2K b , was required for CNS immune infiltration during Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV) infection and drives brain atrophy as a consequence of infection. These results demonstrate that CNS-myeloid cells are key APCs mediating CD8 T cell brain infiltration.

The neonatal phase of life is a time during which susceptibility to infection is particularly high, with prematurely born neonates being especially vulnerable to life-threatening conditions such as bacterial sepsis. While Streptococcus agalactiae, also known as group B Streptococcus (GBS) and Escherichia coli are frequent causative pathogens of neonatal sepsis, it is still unclear how the neonatal adaptive immune system responds to these pathogens. In the present study, we find that γδ T cells in neonatal mice rapidly respond to single-organism sepsis infections of GBS and E. coli, and that these infections induce distinct activation and effector functions from IFN-γ and IL-17 producing γδ T cells, respectively. We also report differential reliance on γδTCR signaling to elicit effector cytokine responses during neonatal sepsis, with IL-17 production during E. coli sepsis being associated with TCR signaling, whereas IFN-γ production during GBS sepsis is TCR-independent. Furthermore, we report that the divergent effector responses of γδ during GBS and E. coli sepsis impart distinctive neuroinflammatory phenotypes on the neonatal brain. The present study sheds light on how the neonatal adaptive immune response responds differentially to bacterial stimuli and how these responses impact neonatal sepsis-associated neuroinflammation.

Abstract The contribution of circulating verses tissue resident memory T cells (TRM) to clinical neuropathology is an enduring question due to a lack of mechanistic insights. The prevailing view is TRM cells are protective against pathogens in the brain. However, the extent antigen-specific TRM cells can induce neuropathology upon reactivation has not been determined. Using the described phenotype of TRMs, we found that brains of naïve mice harbor populations of CD69 + CD103 − T cells. Notably, numbers of CD69 + CD103 − TRM cells rapidly increase following neurological insults of physical, cancerous, or viral origins. This TRM expansion precedes infiltration of virus specific CD8 T cells and is due to proliferation of T cells within the brain. In contrast, the CD69 + CD103 + TRMs in the brain are generated after the initial expansion of CD69 + CD103 − cells following injury and are antigen-specific. We next evaluated the capacity of antigen-specific TRMs in the brain to induce significant neuroinflammation post virus clearance, including infiltration of inflammatory monocytes, activation of T cells in the brain, and significant blood brain barrier disruption. These neuroinflammatory events were induced by TRMs, as depletion of peripheral T cells or blocking T cell trafficking using FTY720 did not change the neuroinflammatory course. Reactivation of antigen-specific TRMs in the brain also induced profound lymphopenia within the blood compartment. We have therefore determined that antigen-specific TRMs can induce significant neuroinflammation, neuropathology, and peripheral immune suppression. Importantly, understanding functions of brain TRMs is crucial in investigating their role in neurodegenerative disorders, CNS cancers, and long-term complications associated with viral infections including COVID-19. Graphical Abstract Healthy brain harbors populations of resident memory T cells (TRM). These TRM cells rapidly proliferate in response to CNS insults of various origins. Following clearance of the insult, populations of TRM cells in the brain decline, but an antigen-specific TRM subset remains within the brain. Antigen-specific reactivation of brain TRMs mediates neuroinflammatory sequalae involving activation and blasting of resident T cells, infiltration of inflammatory monocytes and blood brain barrier disruption. Severe neuroinflammation within the brain following antigen-specific TRM reactivation is concurrent with profound lymphopenia within the blood compartment.

Theilers murine encephalomyelitis virus (TMEV) infection of the central nervous system is rapidly cleared in C57BL/6 mice by an anti-viral CD8 T cell response restricted by the MHC class I molecule, H-2Db. While the CD8 T cell response against neurotropic viruses is well characterized, the identity and function of the antigen presenting cell(s) involved in this process is(are) less well defined. To address this gap in knowledge, we developed a novel C57BL/6 H-2Db conditional knockout mouse that expresses an H-2Db transgene in which the transmembrane domain locus is flanked by LoxP sites. We crossed these H-2Db LoxP mice with MHC class I-deficient mice expressing Cre-recombinase under either the CD11c or LysM promoter in order to silence H-2Db restricted antigen presentation predominantly in dendritic cells or macrophages, respectively. Upon challenge with intracranial TMEV infection, we observe that CD11c+ APCs are critical for early priming of CD8 T cells against the immunodominant TMEV peptide VP2121-130 presented in the context of the H-2Db molecule. This stands in stark contrast to later time points post TMEV infection where CD11c+ APCs appear dispensable for the activation of antigen-specific T cells; the functionality of these late-arising antiviral CD8 T cells is reflected in the restoration of viral control at later time points. These late-arising CD8 T cells also retain their capacity to induce blood-brain barrier disruption. In contrast, when H-2Db restricted antigen presentation was selectively silenced in LysM+ APCs there was no overt impact on the priming of Db:VP2121-130 epitope-specific CD8 T cells, although a modest reduction in immune cell entry into the CNS was observed. This work establishes a model system which enables critical dissection of MHC class I restricted antigen presentation to T cells, revealing cell specific and temporal features involved in the generation of antiviral CD8 T cell responses. Employing this novel system, we established CD11c+ cells as a pivotal driver of acute, but not later-arising, antiviral CD8 T cell responses against the TMEV immunodominant epitope VP2121-130, with functional implications both for T cell-mediated viral control and immunopathology.

Immunosuppression of unknown etiology is a hallmark feature of glioblastoma (GBM) and is characterized by decreased CD4 T cell counts and down regulation of MHC class II expression on peripheral blood monocytes in patients. This immunosuppression is a critical barrier to the successful development of immunotherapies for GBM. We recapitulated the immunosuppression observed in GBM patients in the C57BL/6 mouse and investigated the etiology of low CD4 T cell counts. We determined that thymic involution was a hallmark feature of immunosuppression in three distinct models of CNS cancer, including mice harboring GL261 glioma, B16 melanoma, and in a spontaneous model of Diffuse Intrinsic Pontine Glioma (DIPG). In addition to thymic involution, we determined that tumor growth in the brain induced significant splenic involution, reductions in peripheral T cells, reduced MHC class II expression on hematopoietic cells, and a modest increase in bone marrow resident CD4 T cells with a naive phenotype. Using parabiosis we report that thymic involution, declines in peripheral T cell counts, and reduced MHC class II expression levels were mediated through circulating blood-derived factors. Conversely, T cell sequestration in the bone marrow was not governed through circulating factors. Serum isolated from glioma-bearing mice potently inhibited proliferation and functions of T cells both in vitro and in vivo. Interestingly, the factor responsible for immunosuppression in serum is nonsteroidal and of high molecular weight. Through further analysis of neurological disease models, we determined that the aforementioned immunosuppression was not unique to cancer itself, but rather occurs in response to CNS injury. Noncancerous acute neurological insults also induced significant thymic involution and rendered serum immunosuppressive. Both thymic involution and serum-derived immunosuppression were reversible upon clearance of brain insults. These findings demonstrate that CNS cancers cause multifaceted immunosuppression and pinpoint circulating factors as a target of intervention to restore immunity.