Abstract Microglia are brain-resident immune cells with a repertoire of functions in the brain. However, the extent of their interactions with the vasculature and potential regulation of vascular physiology has been insufficiently explored. Here, we document interactions between ramified CX3CR1 + myeloid cell somata and brain capillaries. We confirm that these cells are bona fide microglia by molecular, morphological and ultrastructural approaches. Then, we give a detailed spatio-temporal characterization of these capillary-associated microglia (CAMs) comparing them with parenchymal microglia (PCMs) in their morphological activities including during microglial depletion and repopulation. Molecularly, we identify P2RY12 receptors as a regulator of CAM interactions under the control of released purines from pannexin 1 (PANX1) channels. Furthermore, microglial elimination triggered capillary dilation, blood flow increase, and impaired vasodilation that were recapitulated in P2RY12 −/− and PANX1 −/− mice suggesting purines released through PANX1 channels play important roles in activating microglial P2RY12 receptors to regulate neurovascular structure and function.

Abstract In the resistance artery endothelium, we show phosphatidylserine (PS) localizes to a specific subpopulation of myoendothelial junctions (MEJs), signaling microdomains that regulate vasodilation. In silico data has implied PS may compete with PIP 2 binding on Kir2.1, a channel involved in vasodilatory signaling. We found 83.33% of Kir2.1-MEJs also contained PS, possibly indicating an interaction where PS regulates Kir2.1. Electrophysiology experiments on HEK cells demonstrate PS blocks PIP 2 activation of Kir2.1, and addition of exogenous PS blocks PIP 2 -mediated Kir2.1 vasodilation in resistance arteries. Using a mouse model lacking canonical MEJs in resistance arteries ( Eln fl/fl /Cdh5-Cre), PS localization in endothelium was disrupted and PIP 2 activation of Kir2.1 was significantly increased. Taken together, our data suggests PS enrichment to MEJs inhibits PIP 2 -mediated activation of Kir2.1 to tightly regulate changes in arterial diameter, and demonstrates the intracellular lipid localization within endothelium is an important determinant of vascular function.

Abstract Microglia are brain-resident immune cells with a repertoire of functions in the developing, mature and pathological brain. Their wide-ranging roles in physiology include the clearance of cellular debris, elimination of excess synapses, regulation of neuronal activity and contributions to blood vessel development. Despite these known roles for microglia, the extent of their interactions with the vasculature and potential regulation of vascular physiology has been insufficiently explored. Here, using in vivo acute and longitudinal two-photon imaging in transgenic mice combined with electron microscopy, fixed tissue immunohistochemistry, pharmacological treatments and laser speckle imaging, we document the steady-state interactions between ramified CX3CR1 + myeloid cell somata and capillaries in the brain. We first confirm that these myeloid cells are bona fide microglia by molecular, morphological and ultrastructural approaches. Then we give a detailed spatio-temporal characterization of these capillary-associated microglia (CAMs) comparing and contrasting them with parenchymal microglia (PCMs) in their static, dynamic and chronic morphological activities including during microglial depletion and repopulation. Molecularly, we identify microglial-specific purinergic P2RY12 receptors as a receptor regulating CAM interactions under the control of released purines from pannexin 1 (PANX1) channels. Furthermore, to elucidate roles for microglia in vascular structure and function, we eliminated microglia and showed that this triggered capillary dilation, blood flow increase, and impaired vasodilative responses. We find that P2RY12 −/− and PANX1 −/− mice recapitulate these vascular impairments suggesting purines released through PANX1 channels play important roles in activating microglial P2RY12 receptors to regulate neurovascular structure and function.

We propose a fold change transform that demonstrates a combination of visualization properties exhibited by log and linear plots of fold change. A fold change visualization should ideally exhibit: (1) readability, where fold change values are recoverable from datapoint position; (2) proportionality, where fold change values of the same direction are proportionally distant from the point of no change; (3) symmetry, where positive and negative fold changes of the same magnitude are equidistant to the point of no change; and (4) high dynamic range, where datapoint values are distinguishable across orders of magnitude within a fixed plot area and pixel resolution. A linear visualization has readability and partial proportionality but lacks high dynamic range and symmetry (because negative direction fold changes are bound between [0, 1] while positive are between (1, ∞)). Log plots of fold change have partial readability, high dynamic range, and symmetry, but lack proportionality because of the log transform. We outline a new transform, named mirrored axis distortion of fold change (MAD-FC), that extends a linear visualization of fold change data to exhibit readability, proportionality, and symmetry (but still has the limited dynamic range of linear plots). We illustrate the use of MAD-FC with biomedical data using various fold change plots. We argue that MAD plots may be a more useful visualization than log or linear plots for applications that do not require a high dynamic range (less than 8 units in log2 space).

Frigid temperatures of the Southern Ocean are known to be an evolutionary driver in Antarctic fish. For example, many fish have reduced red blood cell (RBC) concentration to minimize vascular resistance. Via the oxygen-carrying protein hemoglobin, RBCs contain the vast majority of the body's iron, which is known to be a limiting nutrient in marine ecosystems. Since lower RBC levels also lead to reduced iron requirements, we hypothesized that low iron availability was an additional evolutionary driver of Antarctic fish speciation. Antarctic Icefish of the family Channichthyidae are known to have extreme alteration of iron metabolism due to loss of two iron-binding proteins, hemoglobin and myoglobin, and no RBCs. Loss of hemoglobin is considered a maladaptive trait allowed by relaxation of predator selection, since extreme adaptations are required to compensate for the loss of oxygen-carrying capacity. However, iron dependency minimization may have driven hemoglobin loss instead of a random evolutionary event. Given the variety of functions that hemoglobin serves in the endothelium, we suspected the protein corresponding to the 3' truncated Hbα fragment (Hbα-3'f) that was not genetically excluded by icefish, may still be expressed as a protein. Using whole mount confocal microscopy, we show that Hbα-3'f is expressed in the vascular endothelium of icefish retina, suggesting this Hbα fragment may still serve an important role in the endothelium. These observations support a novel hypothesis that iron minimization could have influenced icefish speciation with the loss of the iron-binding portion of Hbα in Hbα-3'f, as well as hemoglobin β and myoglobin.

Alterations in vascular networks, including angiogenesis and capillary regression, play key roles in disease, wound healing, and development. Imaging of microvascular networks can reveal their spatial structures, but effective study of network architecture requires methods to accurately quantify them using a variety of metrics. We present REAVER (Rapid Editable Analysis of Vessel Elements Routine), a freely available open source tool that researchers can use to analyze and quantify high resolution fluorescent images of blood vessel networks, and assess its performance compared to alternative state-of-the-art image analysis software programs. Top performing programs for each metric are identified by assigning a rank based on statistical multiple comparisons of accuracy and precision, modeled as matches in a round-robin style tournament. This comparison method yields a clearly defined and consistent standard for characterizing program performance, avoiding the use of non-standard ad hoc interpretations of multiple comparisons between programs. Using this comparison method and a dataset of manually analyzed images as a ground-truth, we show that REAVER was the top ranked program for both accuracy and precision for all metrics quantified, including vessel length density, vessel area fraction, mean vessel diameter, and branchpoint count. REAVER can be used to quantify differences in blood vessel architectures between study groups, which makes it particularly useful in experiments designed to evaluate the effects of different external perturbations (e.g. drugs or disease states).

Diabetic retinopathy threatens the vision of a third of diabetic patients. Progression of the disease is attributed to the dropout of pericytes, a cell type that enwraps and stabilizes the microvasculature. In tandem with this presumptive pericyte dropout, there is enriched formation of structures assumed to be remnants of collapsed or regressed vessels, previously classified as acellular capillaries, string vessels, and basement membrane bridges. Instead of endothelial cells, we show that pericytes colocalize with basement membrane bridges, and both bridging structures are enriched by cell-specific knockout of KLF4 and reversibly enriched with elevation of Ang-2, PDGF-BB, and blood sugar. Our data suggests that pericyte counts from retinal digests have misclassified pericyte bridges as endothelial structures and have exaggerated the role of pericyte loss in DR progression. In vivo imaging of corneal limbal vessels demonstrates pericyte migration off-vessel, implicating pericyte movement in formation of pericyte bridges and pathogenesis of diabetic retinopathy.