Abstract Immune system molecules are expressed by neurons, often for unknown functions. We have identified IL-13 and its receptor IL-13Ra1 as neuronal, synaptic proteins in mouse, rat, and human brains, whose engagement upregulates the phosphorylation of NMDAR and AMPAR subunits and, in turn, increases synaptic activity and CREB-mediated transcription. We demonstrate that increased IL-13 is a hallmark of traumatic brain injury (TBI) in mice as well as in two distinct cohorts of human patients. We also provide evidence that IL-13 upregulation protects neurons from excitotoxic death. We show IL-13 upregulation occurring in several cohorts of human brain samples and in CSF. Thus, IL-13 is a previously unrecognized physiological modulator of synaptic physiology of neuronal origin, with implications for the establishment of synaptic plasticity and the survival of neurons under injury conditions. Furthermore, we suggest that the neuroprotection afforded through the upregulation of IL-13 represents a new entry point for interventions in the pathophysiology of TBI.

Lyme disease (LD), caused by spirochete bacteria of the genus Borrelia burgdorferi sensu lato, remains the most common vector-borne disease in the northern hemisphere. Borrelia outer surface protein A (OspA) is an integral surface protein expressed during the tick cycle, and a validated vaccine target. There are at least 20 recognized Borrelia genospecies, that vary in OspA serotype. Traditional serotyping of Borrelia isolates using OspA-specific monoclonal antibodies is technically challenging and reagent-constrained. This study presents a new in silico sequence-based method for OspA typing using next-generation sequence data. Using a compiled database of over 400 Borrelia genomes encompassing all major genospecies, we characterized OspA diversity in a manner that can accommodate existing and new OspA types and then defined boundaries for classification and assignment of OspA types based on the sequence similarity. To accommodate potential novel OspA types, we have developed a new nomenclature: OspA in silico type (IST). Beyond the ISTs which corresponded to existing OspA serotypes (ST1-8), we identified nine additional ISTs which cover new OspA variants in B. bavariensis (IST9-10), B. garinii (IST11-12), and other Borrelia genospecies (IST13-17). Compared to traditional OspA serotyping methods, this new computational pipeline provides a more comprehensive and broadly applicable approach for characterization of OspA type and Borrelia genospecies to support vaccine development.

Abstract Background Traumatic Brain Injury (TBI) is characterized by massive changes in neuronal excitation, from acute excitotoxicity to chronic hyper- or hypoexcitability. Nuclear calcium signaling pathways are involved in translating changes in synaptic inputs and neuronal activity into discrete transcriptional programs which not only affect neuronal survival and synaptic integrity, but also the crosstalk between neurons and glial cells. Here we report the effects of blunting neuronal nuclear calcium signals in the context of TBI. Methods We used AAV vectors to express the genetically-encoded and nuclear-targeted calcium buffer parvalbumin (PV.NLS.mCherry) or the calcium/calmodulin buffer CaMBP4.mCherry in neurons only. Upon TBI, the extent of neuroinflammation, neuronal death and synaptic loss were assessed by immunohistochemistry and targeted transcriptome analysis. Modulation of the overall level of neuronal activity was achieved by PSAM/PSEM chemogenetics targeted to parvalbumin interneurons. The functional impact of neuronal nuclear Calcium buffering in TBI was assessed by quantification of spontaneous whisking. Results Buffering neuronal nuclear calcium unexpectedly resulted in a massive and long-lasting increase in the recruitment of reactive microglia to the injury site, which was characterised by a disease-associated and phagocytic phenotypes. This effect was accompanied by a substantial surge in synaptic loss and significantly reduced whisking activity. Transcriptome analysis revealed a complex effect of TBI in the context of neuronal nuclear calcium buffering, with upregulation of complement factors, chemokines and interferon-response genes, as well as the downregulation of synaptic genes and epigenetic regulators compared to control conditions. Notably, nuclear calcium buffering led to a substantial loss in neuronal osteoprotegerin (OPG). Whereas stimulation of neuronal firing induced OPG expression. Viral re-expression of OPG resulted in decreased microglial recruitment and synaptic loss. OPG upregulation was also observed in the CSF of human TBI patients, underscoring its translational value. Conclusion Neuronal nuclear calcium signals regulate the degree of microglial recruitment and reactivity upon TBI via, among others, osteoprotegerin signals. Our findings support a model whereby neuronal activity altered after TBI exerts a powerful impact on the neuroinflammatory cascade, which in turn contributes to the overall loss of synapses and functional impairment.

Abstract Blood-based biomarkers have proven to be a reliable measure of traumatic brain injury (TBI) severity and outcome, in both murine models and patients. In particular, neuron-specific enolase (NSE) and neurofilament light (NFL) have been investigated in the clinical setting post injury. Ethanol intoxication (EI) remains a significant comorbidity in TBI, with 30-40% of patients having a positive blood alcohol level (BAC) post TBI. The effect of ethanol on blood-based biomarkers on the prognosis and diagnosis of TBI remain unclear. In this study, we investigated the effect of EI on NSE and NFL and their correlation with blood-brain barrier (BBB) integrity in a murine model of TBI. We have used ultra-sensitive single molecule array technology (SIMOA) and ELISA methods to measure NFL, NSE and Claudin-5 concentrations in plasma 3h post TBI. We showed that both NFL and NSE were increased 3h post TBI. However, ethanol blood concentrations only showed an inverse correlation with NSE, but not NFL. Claudin-5 levels were increased post injury, but no difference was detected in EI. The Claudin-5 increase post TBI was correlated with NFL, but not with NSE. Thus, the data indicate that ethanol has a confined effect on biomarker release in the bloodstream and neuronal biomarkers reflect a different pathophysiology upon TBI.

Abstract Systemic inflammatory consequences remain a significant burden after traumatic brain injury (TBI), with almost all organs affected. The spleen is connected with the brain by autonomic innervation and by soluble mediators, and the cross-talk between brain and spleen may be important to establish the systemic inflammatory response to TBI. Ethanol intoxication, the most common comorbidity of TBI, is posited to influence the peripheral inflammatory response either directly or through the brain-spleen cross-talk. Here we show that TBI causes a substantial change in transcription of genes associated with dendritic cells activation in the spleen, in particular a FLT3 / FLT3L induction 3h after TBI, which was enhanced by EI. The FLT3L induction was associated with the phosphorylation of FLT3 receptor in CD11c+ dendritic cells, which enhanced the protein synthesis of a subset of mRNAs, as shown by the increase in pS6, peIF2A levels in dendritic cells. This corresponded to the upregulation of proteins associated with maturation process and immunostimulatory properties such MHC-II, LAMP1 and CD68, and of pro-inflammatory cytokines such as TNFα. Notably, EI enhanced the maturation of dendritic cells. However, whereas TBI decreases expression of the adrenergic 2b receptors on dendritic cells, EI increased it, thus augmenting the chances of cross-talk regulation of immune function by the autonomic system. In conclusion, this data indicates that TBI induces a fast maturation of the immunomodulatory functions of dendritic cells which is associated by FLT3/FLT3L signaling and which is enhanced by EI prior to TBI.