Multi-protein complexes called inflammasomes have recently been identified and shown to contribute to cell death in tissue injury. Intravenous immunoglobulin (IVIg) is an FDA-approved therapeutic modality used for various inflammatory diseases. The objective of this study is to investigate dynamic responses of the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes in stroke and to determine whether the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes can be targeted with IVIg for therapeutic intervention. Primary cortical neurons were subjected to glucose deprivation (GD), oxygen–glucose deprivation (OGD) or simulated ischemia-reperfusion (I/R). Ischemic stroke was induced in C57BL/6J mice by middle cerebral artery occlusion, followed by reperfusion. Neurological assessment was performed, brain tissue damage was quantified, and NLRP1 and NLRP3 inflammasome protein levels were evaluated. NLRP1 and NLRP3 inflammasome components were also analyzed in postmortem brain tissue samples from stroke patients. Ischemia-like conditions increased the levels of NLRP1 and NLRP3 inflammasome proteins, and IL-1β and IL-18, in primary cortical neurons. Similarly, levels of NLRP1 and NLRP3 inflammasome proteins, IL-1β and IL-18 were elevated in ipsilateral brain tissues of cerebral I/R mice and stroke patients. Caspase-1 inhibitor treatment protected cultured cortical neurons and brain cells in vivo in experimental stroke models. IVIg treatment protected neurons in experimental stroke models by a mechanism involving suppression of NLRP1 and NLRP3 inflammasome activity. Our findings provide evidence that the NLRP1 and NLRP3 inflammasomes have a major role in neuronal cell death and behavioral deficits in stroke. We also identified NLRP1 and NLRP3 inflammasome inhibition as a novel mechanism by which IVIg can protect brain cells against ischemic damage, suggesting a potential clinical benefit of therapeutic interventions that target inflammasome assembly and activity.

Abstract Vascular dementia (VaD) is a progressive cognitive impairment of vascular etiology. VaD is characterized by cerebral hypoperfusion, increased blood-brain barrier permeability and white matter lesions. An increased burden of VaD is expected due to rapidly aging populations. The hippocampus is particularly susceptible to hypoperfusion, and the resulting memory impairment may play a crucial role in VaD. Here we have investigated the hippocampal gene expression profile of young and old mice subjected to chronic cerebral hypoperfusion by bilateral common carotid artery stenosis (BCAS). Our data in sham-operated young and aged mice show the normal age-associated decline in cerebral blood flow and differential gene expression. BCAS and ageing caused broadly similar effects, however, BCAS-induced changes in hippocampal gene expression differed between young and aged mice. Specifically, transcriptomic analysis indicated that in comparison to young sham mice, many pathways altered by BCAS in young mice resembled those present in sham aged mice. Immunoblot analyses confirmed these findings. Finally, relative to young sham mice the cell type-specific profile of genes in both young BCAS and old sham animals further revealed common cell-specific genes. Our data provide a genetic-based molecular framework for chronic hypoperfusion-induced hippocampal damage and reveal common cellular signaling pathways likely to be important in the pathophysiology of VaD.

Abstract Chronic cerebral hypoperfusion (CCH) is an important pathophysiological mechanism of vascular cognitive impairment (VCI). The heterogeneous effects of CCH complicate establishing single target therapies against VCI and its more severe form, vascular dementia (VaD). Intermittent fasting (IF) has multiple targets and is neuroprotective across a range of disease conditions including stroke, but its effects against CCH-induced neurovascular pathologies remain to be elucidated. We therefore assessed the effect of IF against CCH-associated neurovascular pathologies and investigated underlying mechanisms. Male C57BL/6 mice were subjected to either ad libitum feeding (AL) or IF (16 hours of fasting per day) for 4 months. In both groups, CCH was experimentally induced by the bilateral common carotid artery stenosis (BCAS) method. Sham operated groups were used as controls. Measures of leaky microvessels, blood brain barrier (BBB) permeability, protein expression of tight junctions, extracellular matrix components and white matter changes were determined to investigate the effect of IF against CCH-induced neurovascular pathologies. IF alleviated CCH-induced neurovascular pathologies by reducing the number of leaky microvessels, BBB breakdown, loss of tight junctional proteins and vascular endothelial growth factors. In addition, IF mitigated the severity of white matter lesions, maintained myelin basic protein levels, while concurrently reducing hippocampal neuronal cell death. Furthermore, IF reduced CCH-induced increase in levels of matrix metalloproteinase (MMP)-2 and its upstream activator MT1-MMP, which are involved in the breakdown of the extracellular matrix that is a core component of the BBB. Additionally, we observed that IF reduced CCH-induced increase in the oxidative stress marker malondialdehyde, and increased antioxidant markers glutathione and superoxide dismutase. Combined, our data suggests that IF attenuates neurovascular damage, metalloproteinase and oxidative stress-associated pathways, and cell death in the brain following CCH in a mouse model of VCI. Although IF has yet to be assessed in human patients with VaD, our data suggest that IF may be an effective means of preventing the onset or suppressing the development of neurovascular pathologies in VCI and VaD.

Intermittent fasting (IF) is a lifestyle intervention comprising a dietary regimen in which energy intake is restricted via alternating periods of fasting and ad libitum food consumption, without compromising nutritional composition. While epigenetic modifications can mediate effects of environmental factors on gene expression, no information is yet available on potential effects of IF on the epigenome. In this study, we found that IF causes modulation of histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) epigenetic mark in the cerebellum of male C57/BL6 mice, which in turn orchestrates a plethora of transcriptomic changes involved in the robust metabolic switching processes commonly observed during IF. Interestingly, both epigenomic and transcriptomic modulation continued to be observed after refeeding, suggesting that memory of the IF-induced epigenetic change is maintained at the locus. Notably though, we found that termination of IF results in a loss of H3K9me3 regulation of the transcriptome. Collectively, our study characterizes a novel mechanism of IF in the epigenetic-transcriptomic axis, which controls myriad metabolic process changes. In addition to providing a valuable and innovative resource, our systemic analyses reveal molecular framework for understanding how IF impacts the metaboloepigenetics axis of the brain.

Abstract Aims Intermittent fasting (IF) reduces cardiovascular risk factors in animals and humans, and can protect the heart against ischemic injury in models of myocardial infarction, but the underlying molecular mechanisms are unknown. To delineate molecular and cellular adaptations of the heart to IF, we carried out system-wide comprehensive analyses of proteome and phosphoproteome, complemented with transcriptome profiling, followed by functional analysis. Methods and results In order to understand molecular and cellular remodeling of the heart during IF, we employed advanced mass spectrometry for system-wide profiling of the proteome and phosphoproteome of heart tissues obtained from mice maintained for 6 months on either daily 12- or 16-hour fasting, every-other-day fasting or ad libitum control feeding regimens. We also performed transcriptome analyses using RNA sequencing to evaluate whether the observed molecular responses to IF occur at the transcriptional or post-transcriptional levels. IF regimens significantly affected pathways that regulate cyclic GMP signaling, lipid and amino acid metabolism, cell adhesion, cell death, and inflammation. Comparison of differentially expressed proteome and transcriptome upon IF showed the higher correlation of pathway alternation in short IF regimen but the inverse correlation of metabolic processes such as fatty acid oxidation and immune processes in longer IF regimens. In addition, functional echocardiographic analyses demonstrated that IF enhances stress-induced cardiac performance. Conclusion Our systematic multi-omics study elucidates a molecular framework for understanding how IF impacts the heart’s function and its vulnerability to injury and disease. Translational perspective Intermittent fasting is emerging as a desirable lifestyle adaptation to impact cardiovascular health through the modulation of molecular and cellular mechanisms, and by acting on disease risk factors. Evidence from numerous studies indicates that the fasting cycles are highly and consistently effective in protecting against cardiovascular diseases and improving cardiac health in animals and human. Using multi-omics, here we dissect distinct molecular adaptations of the heart to different intermittent fasting regimens. Our results unveil novel cardioprotective mechanisms and open up new avenues for innovative pharmacological approaches to prevent and treat cardiovascular diseases.