Excessive activation of the nuclear enzyme, poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) plays a prominent role in various of models of cellular injury. Here, we identify poly(ADP-ribose) (PAR) polymer, a product of PARP-1 activity, as a previously uncharacterized cell death signal. PAR polymer is directly toxic to neurons, and degradation of PAR polymer by poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) or phosphodiesterase 1 prevents PAR polymer-induced cell death. PARP-1-dependent, NMDA excitotoxicity of cortical neurons is reduced by neutralizing antibodies to PAR and by overexpression of PARG. Neuronal cultures with reduced levels of PARG are more sensitive to NMDA excitotoxicity than WT cultures. Transgenic mice overexpressing PARG have significantly reduced infarct volumes after focal ischemia. Conversely, mice with reduced levels of PARG have significantly increased infarct volumes after focal ischemia compared with WT littermate controls. These results reveal PAR polymer as a signaling molecule that induces cell death and suggests that interference with PAR polymer signaling may offer innovative therapeutic approaches for the treatment of cellular injury.

Intracerebral hemorrhage (ICH) causes high mortality and morbidity, but our knowledge of post-ICH neuronal death and related mechanisms is limited. In this study, we first demonstrated that ferroptosis, a newly identified form of cell death, occurs in the collagenase-induced ICH model in mice. We found that administration of ferrostatin-1, a specific inhibitor of ferroptosis, prevented neuronal death and reduced iron deposition induced by hemoglobin in organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs). Mice treated with ferrostatin-1 after ICH exhibited marked brain protection and improved neurologic function. Additionally, we found that ferrostatin-1 reduced lipid reactive oxygen species production and attenuated the increased expression level of PTGS2 and its gene product cyclooxygenase-2 ex vivo and in vivo. Moreover, ferrostatin-1 in combination with other inhibitors that target different forms of cell death prevented hemoglobin-induced cell death in OHSCs and human induced pluripotent stem cell–derived neurons better than any inhibitor alone. These results indicate that ferroptosis contributes to neuronal death after ICH, that administration of ferrostatin-1 protects hemorrhagic brain, and that cyclooxygenase-2 could be a biomarker of ferroptosis. The insights gained from this study will advance our knowledge of the post-ICH cell death cascade and be essential for future preclinical studies.

Mice, homozygous for prion protein (PrP) gene ablation (Prn-p0/0), develop normally and remain well > 500 days after inoculation with murine scrapie prions. In contrast, wild-type mice developed scrapie < 165 days after inoculation and most Prn-p0/+ mice, heterozygous for disruption of the PrP gene, exhibited signs of central nervous system dysfunction between 400 and 465 days after inoculation. In situ immunoblots showed widespread deposition of scrapie PrP (PrPSc) in the brains of both wild-type Prn-p+/+ and Prn-p0/+ mice, while neither cellular PrP (PrPC) nor PrPSc was detected in the brains of Prn-p0/0 mice. In contrast to Prn-p+/+ and Prn-p0/+ mice, Prn-p0/0 mice failed to propagate prion infectivity as measured by bioassays. Syrian hamster (SHa) PrP transgenes rendered Prn-p0/0 mice susceptible to prions containing SHaPrPSc. Immunization of Prn-p0/0 mice with purified, infectious mouse or SHa prions dispersed in Freund's adjuvant produced antisera that bound mouse, SHa, and human PrP on Western blots. Presumably, the lack of PrPC expression in Prn-p0/0 mice prevents them from becoming tolerant to the immunogen. The resistance of Prn-p0/0 mice to developing scrapie after inoculation with murine prions supports the hypothesis that PrPSc is essential for both transmission and pathogenesis of the prion diseases.

The goals of this study were to quantify the effects of epinephrine on myocardial and cerebral blood flow during conventional cardiopulmonary resuscitation (CPR) and CPR with simultaneous chest compression-ventilation and to test the hypothesis that epinephrine would improve myocardial and cerebral blood flow by preventing collapse of intrathoracic arteries and by vasoconstricting other vascular beds, thereby increasing perfusion pressures. Cerebral and myocardial blood flow were measured by the radiolabeled microsphere technique, which we have previously validated during CPR. We studied the effect of epinephrine on established arterial collapse during CPR with simultaneous chest compression-ventilation with the abdomen bound or unbound. Epinephrine reversed arterial collapse, thereby eliminating the systolic gradient between aortic and carotid pressures and increasing cerebral perfusion pressure and cerebral blood flow while decreasing blood flow to other cephalic tissues. Epinephrine produced higher cerebral and myocardial perfusion pressures during CPR with simultaneous chest compression-ventilation when the abdomen was unbound rather than bound because abdominal binding increased intracranial and venous pressures. In other experiments we compared the effect of epinephrine on blood flow during 1 hr of either conventional CPR or with simultaneous chest compression-ventilation with the abdomen unbound. Epinephrine infusion during conventional CPR produced an average cerebral blood flow of 15 ml/min . 100 g (41 +/- 15% of control) and an average myocardial blood flow of 18 ml/min . 100 g (15 +/- 8% of control). In our previous studies, cerebral and myocardial blood flow were less than 3 +/- 1% of control during conventional CPR without epinephrine. Although flows during CPR with simultaneous chest compression-ventilation without epinephrine were initially higher than those during conventional CPR, arterial collapse developed after 20 min, limiting cerebral and myocardial blood flow. The use of epinephrine throughout 50 min of CPR with simultaneous chest compression-ventilation maintained cerebral blood flow at 22 +/- 2 ml/min . 100 g (73 +/- 25% control) and left ventricular blood flow at 38 +/- 9 ml/min . 100 g (28 +/- 8% control). The improved blood flows with epinephrine correlated with improved electroencephalographic activity and restoration of spontaneous circulation.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

Background and Purpose— Assessment of autoregulation in the time domain is a promising monitoring method for actively optimizating cerebral perfusion pressure (CPP) in critically ill patients. The ability to detect loss of autoregulatory vasoreactivity to spontaneous fluctuations in CPP was tested with a new time-domain method that used near-infrared spectroscopic measurements of tissue oxyhemoglobin saturation in an infant animal model. Methods— Piglets were made progressively hypotensive over 4 to 5 hours by inflation of a balloon catheter in the inferior vena cava, and the breakpoint of autoregulation was determined using laser-Doppler flowmetry. The cerebral oximetry index (COx) was determined as a moving linear correlation coefficient between CPP and INVOS cerebral oximeter waveforms during 300-second periods. A laser-Doppler derived time-domain analysis of spontaneous autoregulation with the same parameters (LDx) was also determined. Results— An increase in the correlation coefficient between cerebral oximetry values and dynamic CPP fluctuations, indicative of a pressure-passive relationship, occurred when CPP was below the steady state autoregulatory breakpoint. This COx had 92% sensitivity (73% to 99%) and 63% specificity (48% to 76%) for detecting loss of autoregulation attributable to hypotension when COx was above a threshold of 0.36. The area under the receiver-operator characteristics curve for the COx was 0.89. COx correlated with LDx when values were sorted and averaged according to the CPP at which they were obtained ( r =0.67). Conclusions— The COx is sensitive for loss of autoregulation attributable to hypotension and is a promising monitoring tool for determining optimal CPP for patients with acute brain injury.

BACKGROUND: The SPAN trial (Stroke Preclinical Assessment Network) is the largest preclinical study testing acute stroke interventions in experimental focal cerebral ischemia using endovascular filament middle cerebral artery occlusion (MCAo). Besides testing interventions against controls, the prospective design captured numerous biological and procedural variables, highlighting the enormous heterogeneity introduced by the multicenter structure that might influence stroke outcomes. Here, we leveraged the unprecedented sample size achieved by the SPAN trial and the prospective design to identify the biological and procedural variables that affect experimental stroke outcomes in transient endovascular filament MCAo. METHODS: The study cohort included all mice enrolled and randomized in the SPAN trial (N=1789). Mice were subjected to 60-minute MCAo and followed for a month. Thirteen biological and procedural independent variables and 4 functional (weight loss and 4-point neuroscore on days 1 and 2, corner test on days 7 and 28, and mortality) and 3 tissue (day 2, magnetic resonance imaging infarct volumes and swelling; day 30, magnetic resonance imaging tissue loss) outcome variables were prospectively captured. Multivariable regression with stepwise elimination was used to identify the predictors and their effect sizes. RESULTS: Older age, active circadian stage at MCAo, and thinner and longer filament silicone tips predicted higher mortality. Older age, larger body weight, longer anesthesia duration, and longer filament tips predicted worse neuroscores, while high-fat diet and blood flow monitoring predicted milder neuroscores. Older age and a high-fat diet predicted worse corner test performance. While shorter filament tips predicted more ipsiversive turning, longer filament tips appeared to predict contraversive turning. Age, sex, and weight interacted when predicting the infarct volume. Older age was associated with smaller infarcts on day 2 magnetic resonance imaging, especially in animals with larger body weights; this association was most conspicuous in females. High-fat diet also predicted smaller infarcts. In contrast, the use of cerebral blood flow monitoring and more severe cerebral blood flow drop during MCAo, longer anesthesia, and longer filament tips all predicted larger infarcts. Bivariate analyses among the dependent variables highlighted a disconnect between tissue and functional outcomes. CONCLUSIONS: Our analyses identified variables affecting endovascular filament MCAo outcome, an experimental stroke model used worldwide. Multiple regression refuted some commonly reported predictors and revealed previously unrecognized associations. Given the multicenter prospective design that represents a sampling of real-world conditions, the degree of heterogeneity mimicking clinical trials, the large number of predictors adjusted for in the multivariable model, and the large sample size, we think this is the most definitive analysis of the predictors of preclinical stroke outcome to date. Future multicenter experimental stroke trials should standardize or at least ensure a balanced representation of the biological and procedural variables identified herein as potential confounders.

Abstract Perinatal ischemic stroke is estimated to occur in 1/2300–1/5000 live births, but early differential diagnosis from global hypoxia-ischemia is often difficult. In this study, we tested the ability of a hand-held transcranial photoacoustic (PA) imaging to non-invasively detect a focal photothrombotic stroke (PTS) within 2 hours of stroke onset in a gyrencephalic piglet brain. 17 stroke lesions of approximately 1-cm 2 area were introduced randomly in anterior or posterior cortex via the light/dye PTS technique in anesthetized neonatal piglets ( n = 11). The contralateral non-ischemic region served as control tissue for discrimination contrast for the PA hemoglobin metrics: HbO 2 saturation, total hemoglobin (tHb), and individual quantities of oxygenated and deoxygenated hemoglobin (HbO 2 and HbR). The PA-derived tissue HbO 2 saturation at 2 hours yielded a significant separation between control and affected regions-of-interest ( p < 0.0001), which were well matched with 24-hr post-stroke cerebral infarction confirmed in the triphenyltetrazolium chloride (TTC)-stained image. The quantity of HbO 2 also displayed a significant contrast ( p = 0.021), whereas tHb and HbR did not. The analysis on receiver operating characteristic curves and multivariate data analysis also agreed with the results above. This study shows that a hand-held transcranial PA neuroimaging can detect a regional thrombotic stroke in cerebral cortex of a neonatal piglet. In particular, we conclude that the HbO2 saturation metric can be used alone to identify regional stroke lesions. The lack of change in tHb may be related to arbitrary hand-held imaging configuration and/or entrapment of red blood cells within the thrombotic stroke.

Abstract We present a light-emitting diode (LED)-based transcranial photoacoustic measurement (LED-trPA) of oxyhemoglobin (HbO 2 ) saturation at superior sagittal sinus (SSS) in hypoxic neonatal piglets. The optimal LED imaging wavelengths and frame averaging scheme were determined based on in vivo characterization of transcranial sensitivity. Based on the framework (690/850 nm with >20 frame averaging), graded hypoxia was successfully identified in neonatal piglets in vivo with less than 10.0 % of root mean squared error (RMSE). This preclinical study suggests the feasibility of a rapid, cost-effective, and safe LED-trPA monitoring of perinatal hypoxia-ischemia and prompt interventions for clinical use.