Hedgehog signaling is required for maintaining the integrity of the blood-brain barrier.

Multiple sclerosis is a chronic inflammatory disease of the central nervous system, associated with demyelination and neurodegeneration. The mechanisms of tissue injury are poorly understood, but recent data suggest that mitochondrial injury may play an important role in this process. Mitochondrial injury can be triggered by reactive oxygen and nitric oxide species, and we recently provided evidence for oxidative damage of oligodendrocytes and dystrophic axons in early stages of active multiple sclerosis lesions. In this study, we identified potential sources of reactive oxygen and nitrogen species through gene expression in carefully staged and dissected lesion areas and by immunohistochemical analysis of protein expression. Genome-wide microarrays confirmed mitochondrial injury in active multiple sclerosis lesions, which may serve as an important source of reactive oxygen species. In addition, we found differences in the gene expression levels of various nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase subunits between initial multiple sclerosis lesions and control white matter. These results were confirmed at the protein level by means of immunohistochemistry, showing upregulation of the subunits gp91phox, p22phox, p47phox, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 1 and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase organizer 1 in activated microglia in classical active as well as slowly expanding lesions. The subunits gp91phox and p22phox were constitutively expressed in microglia and were upregulated in the initial lesion. In contrast, p47phox, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 1 and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase organizer 1 expression were more restricted to the zone of initial damage or to lesions from patients with acute or early relapsing/remitting multiple sclerosis. Double labelling showed co-expression of the nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase subunits in activated microglia and infiltrated macrophages, suggesting the assembly of functional complexes. Our data suggest that the inflammation-associated oxidative burst in activated microglia and macrophages plays an important role in demyelination and free radical-mediated tissue injury in the pathogenesis of multiple sclerosis.

Macrophages play a dual role in multiple sclerosis (MS) pathology. They can exert neuroprotective and growth promoting effects but also contribute to tissue damage by production of inflammatory mediators. The effector function of macrophages is determined by the way they are activated. Stimulation of monocyte-derived macrophages in vitro with interferon-γ and lipopolysaccharide results in classically activated (CA/M1) macrophages, and activation with interleukin 4 induces alternatively activated (AA/M2) macrophages.For this study, the expression of a panel of typical M1 and M2 markers on human monocyte derived M1 and M2 macrophages was analyzed using flow cytometry. This revealed that CD40 and mannose receptor (MR) were the most distinctive markers for human M1 and M2 macrophages, respectively. Using a panel of M1 and M2 markers we next examined the activation status of macrophages/microglia in MS lesions, normal appearing white matter and healthy control samples.Our data show that M1 markers, including CD40, CD86, CD64 and CD32 were abundantly expressed by microglia in normal appearing white matter and by activated microglia and macrophages throughout active demyelinating MS lesions. M2 markers, such as MR and CD163 were expressed by myelin-laden macrophages in active lesions and perivascular macrophages. Double staining with anti-CD40 and anti-MR revealed that approximately 70% of the CD40-positive macrophages in MS lesions also expressed MR, indicating that the majority of infiltrating macrophages and activated microglial cells display an intermediate activation status.Our findings show that, although macrophages in active MS lesions predominantly display M1 characteristics, a major subset of macrophages have an intermediate activation status.

Abstract Meningeal inflammation strongly associates with demyelination and neuronal loss in the underlying cortex of progressive MS patients, contributing to clinical disability. However, the pathological mechanisms of meningeal inflammation-induced cortical pathology are still largely elusive. Using extensive analysis of human post-mortem tissue, we identified two distinct microglial phenotypes, termed MS1 and MS2, in the cortex of progressive MS patients. These phenotypes differed in morphology and protein expression, but both associated with inflammation of the overlying meninges. We could replicate the MS-specific microglial phenotypes in a novel in vivo rat model for progressive MS-like meningeal inflammation, with microglia present at 1 month post-induction resembling MS1 microglia whereas those at 2 months acquired an MS2-like phenotype. Interestingly, MS1 microglia were involved in presynaptic displacement and phagocytosis and associated with a relative sparing of neurons in the MS and animal cortex. In contrast, the presence of MS2 microglia coincided with substantial neuronal loss. Taken together, we uncovered that in response to meningeal inflammation, microglia acquire two distinct phenotypes that differentially associate with neurodegeneration in the progressive MS cortex. Our data suggests that these phenotypes occur sequentially and that microglia may lose their protective properties over time, contributing to neuronal loss.

ABSTRACT Central nervous system (CNS) inflammation in multiple sclerosis (MS) drives neuro-axonal loss resulting in irreversible disability. While transcripts of mitochondrial genes are strongly suppressed in neurons during CNS inflammation, it is unknown whether this results in mitochondrial dysfunction and whether interventions that increase mitochondrial function can rescue neurodegeneration. Here we show that suppression of mitochondrial gene transcripts in inflamed neurons was predominantly affecting genes of the electron transport chain resulting in impaired mitochondrial complex IV activity. This was associated with posttranslational inactivation of the transcriptional co-regulator peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator 1-α (PGC-1α). Neuronal overexpression of Pgc-1α led to increased numbers of mitochondria, complex IV activity and elevated maximum respiratory capacity. Moreover, Pgc-1α- overexpressing neurons showed a higher mitochondrial membrane potential that related to an improved calcium buffering capacity. Accordingly, neuronal deletion of Pgc-1α aggravated neurodegeneration during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), while neuronal overexpression of Pgc-1α ameliorated EAE disease course and preserved neurons. Our study provides systemic insights into mitochondrial dysfunction in neurons during inflammation and commends elevation of mitochondrial activity as a promising neuroprotective strategy.