With cutaneously applied local anesthetic bases various effects may be observed, such as a decrease in pricking pain and a change in burning, itch, and thermal sensations. These effects occur after skin penetration and may be attributed to the action of the anesthetics on nociceptors and thermoreceptors, i.e., on C and A delta nerve fibers, respectively. As little is known about the pharmacodynamic response of nonionic surfactants with a potentially anesthetic action such as polidocanol, this study characterizes nonionic surfactants pharmacodynamically by measuring thermal thresholds with a thermal sensory analyzer after cutaneous application. The results obtained with the nonionic surfactants were compared with data resulting from the cutaneous application of local anesthetic bases such as mepivacaine, bupivacaine, prilocaine, lidocaine, the 1:1 mixture of lidocaine and prilocaine contained in EMLA and a triple mixture consisting of lidocaine, prilocaine and tetracaine (1:1:1). The results show that none of the investigated surfactants affect thermal thresholds probably due to their high molecular weight. The same was observed with the anesthetics mepivacaine and bupivacaine. In contrast, prilocaine, lidocaine, the 1:1 mixture of lidocaine and prilocaine and the triple mixture consisting of lidocaine, prilocaine and tetracaine (1:1:1) proved to be potent local anesthetics. However, their pharmacodynamic responses do not differ significantly from each other.

APOE4 is the strongest genetic risk factor for late-onset Alzheimer disease. ApoE4 increases brain amyloid-β pathology relative to other ApoE isoforms. However, whether APOE independently influences tau pathology, the other major proteinopathy of Alzheimer disease and other tauopathies, or tau-mediated neurodegeneration, is not clear. By generating P301S tau transgenic mice on either a human ApoE knock-in (KI) or ApoE knockout (KO) background, here we show that P301S/E4 mice have significantly higher tau levels in the brain and a greater extent of somatodendritic tau redistribution by three months of age compared with P301S/E2, P301S/E3, and P301S/EKO mice. By nine months of age, P301S mice with different ApoE genotypes display distinct phosphorylated tau protein (p-tau) staining patterns. P301S/E4 mice develop markedly more brain atrophy and neuroinflammation than P301S/E2 and P301S/E3 mice, whereas P301S/EKO mice are largely protected from these changes. In vitro, E4-expressing microglia exhibit higher innate immune reactivity after lipopolysaccharide treatment. Co-culturing P301S tau-expressing neurons with E4-expressing mixed glia results in a significantly higher level of tumour-necrosis factor-α (TNF-α) secretion and markedly reduced neuronal viability compared with neuron/E2 and neuron/E3 co-cultures. Neurons co-cultured with EKO glia showed the greatest viability with the lowest level of secreted TNF-α. Treatment of P301S neurons with recombinant ApoE (E2, E3, E4) also leads to some neuronal damage and death compared with the absence of ApoE, with ApoE4 exacerbating the effect. In individuals with a sporadic primary tauopathy, the presence of an ε4 allele is associated with more severe regional neurodegeneration. In individuals who are positive for amyloid-β pathology with symptomatic Alzheimer disease who usually have tau pathology, ε4-carriers demonstrate greater rates of disease progression. Our results demonstrate that ApoE affects tau pathogenesis, neuroinflammation, and tau-mediated neurodegeneration independently of amyloid-β pathology. ApoE4 exerts a 'toxic' gain of function whereas the absence of ApoE is protective.

We demonstrated that an antibiotic cocktail (ABX)-perturbed gut microbiome is associated with reduced amyloid-β (Aβ) plaque pathology and astrogliosis in the male amyloid precursor protein (APP)SWE/presenilin 1 (PS1)ΔE9 transgenic model of Aβ amyloidosis. We now show that in an independent, aggressive APPSWE/PS1L166P (APPPS1-21) mouse model of Aβ amyloidosis, an ABX-perturbed gut microbiome is associated with a reduction in Aβ pathology and alterations in microglial morphology, thus establishing the generality of the phenomenon. Most importantly, these latter alterations occur only in brains of male mice, not in the brains of female mice. Furthermore, ABX treatment lead to alterations in levels of selected microglial expressed transcripts indicative of the “M0” homeostatic state in male but not in female mice. Finally, we found that transplants of fecal microbiota from age-matched APPPS1-21 male mice into ABX-treated APPPS1-21 male restores the gut microbiome and partially restores Aβ pathology and microglial morphology, thus demonstrating a causal role of the microbiome in the modulation of Aβ amyloidosis and microglial physiology in mouse models of Aβ amyloidosis.

Diets high in fat (HFD) are known to cause an immune response in the periphery as well as the central nervous system. In peripheral adipose tissue, this immune response is primarily mediated by macrophages that are recruited to the tissue. Similarly, reactivity of microglia, the innate immune cells of the brain, has been shown to occur in the hypothalamus of mice fed a high-fat diet. To characterize the nature of the microglial response to diets high in fat in a temporal fashion, we studied the phenotypic spectrum of hypothalamic microglia of mice fed high-fat diet for 3 days and 8 weeks by assessing their tissue reaction and inflammatory signature. While we observed a significant increase in Iba1+ myeloid cells and a reaction of GFAP+ astrocytes in the hypothalamus after 8 weeks of HFD feeding, we found the hypothalamic myeloid cell reaction to be limited to endogenous microglia and not mediated by infiltrating myeloid cells. Moreover, obese humans were found to present with signs of hypothalamic gliosis and exacerbated microglia dystrophy, suggesting a targeted microglia response to diet in humans as well. Notably, the glial reaction occurring in the mouse hypothalamus was not accompanied by an increase in pro-inflammatory cytokines, but rather by an anti-inflammatory reaction. Gene expression analyses of isolated microglia not only confirmed this observation, but also revealed a downregulation of microglia genes important for sensing signals in the microenvironment. Finally, we demonstrate that long-term exposure of microglia to HFD in vivo does not impair the cell's ability to respond to additional stimuli, like lipopolysaccharide. Taken together, our findings support the notion that microglia react to diets high in fat in a region-specific manner in rodents as well as in humans; however, this response changes over time as it is not exclusively pro-inflammatory nor does exposure to HFD prime microglia in the hypothalamus.

Neuroinflammation is a hallmark of neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease (AD), Parkinson's disease (PD), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Microglia, the innate immune cells of the CNS, are the first to react to pathological insults. However, multiple studies have also demonstrated an involvement of peripheral monocytes in several neurodegenerative diseases. Due to the different origins of these two cell types, it is important to distinguish their role and function in the development and progression of these diseases. In this review, we will summarize and discuss the current knowledge of the differential contributions of microglia and monocytes in the common neurodegenerative diseases AD, PD, and ALS, as well as multiple sclerosis, which is now regarded as a combination of inflammatory processes and neurodegeneration. Until recently, it has been challenging to differentiate microglia from monocytes, as there were no specific markers. Therefore, the recent identification of specific molecular signatures of both cell types will help to advance our understanding of their differential contribution in neurodegenerative diseases.

Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disorder. Antiamyloid antibody treatments modestly slow disease progression in mild dementia due to AD. Emerging evidence shows that homeostatic dysregulation of the brain immune system, especially that orchestrated by microglia, plays an important role in disease onset and progression. Thus, a major question is how to modulate the phenotype and function of microglia to treat AD. Xenon (Xe) gas is a noble gas used in human patients as an anesthetic and a neuroprotectant used for treating brain injuries. Xe penetrates the blood-brain barrier, which could make it an effective therapeutic. To assess the effect of Xe on microglia and AD pathology, we designed a custom Xe inhalation chamber and treated several mouse models of AD with Xe gas. Xe treatment induced mouse microglia to adopt an intermediate activation state that we have termed pre–neurodegenerative microglia (pre-MGnD). This microglial phenotypic transition was observed in mouse models of acute neurodegeneration and amyloidosis (APP/PS1 and 5xFAD mice) and tauopathy (P301S mice). This microglial state enhanced amyloid plaque compaction and reduced dystrophic neurites in the APP/PS1 and 5xFAD mouse models. Moreover, Xe inhalation reduced brain atrophy and neuroinflammation and improved nest-building behavior in P301S mice. Mechanistically, Xe inhalation induced homeostatic brain microglia toward a pre-MGnD state through IFN-γ signaling that maintained the microglial phagocytic response in APP/PS1 and 5xFAD mice while suppressing the microglial proinflammatory phenotype in P301S mice. These results support the translation of Xe inhalation as an approach for treating AD.

Vitamin D deficiency is a major environmental risk factor for the development of multiple sclerosis (MS). The major circulating metabolite of vitamin D (25OHD) is converted to the active form (calcitriol) by the hydroxylase enzyme CYP27B1. In MS lesions the tyrosine kinase MerTK expressed by microglia and macrophages regulates phagocytosis of myelin debris and apoptotic cells that can accumulate and inhibit tissue repair and remyelination. We show that calcitriol downregulates MerTK mRNA and protein expression in adult human microglia and monocyte-derived macrophages, thereby inhibiting myelin phagocytosis and apoptotic cell clearance. Proinflammatory myeloid cells express high levels of CYP27B1 compared to homeostatic (TGFb-treated) myeloid cells. Only proinflammatory cells in the presence of TNFa generate calcitriol from 25OHD, resulting in repression of MerTK expression and function. The selective production of calcitriol in proinflammatory myeloid cells leading to downregulation of MerTK-mediated phagocytosis has the potential to reduce the risk for auto-antigen presentation while retaining the phagocytic ability of homeostatic myeloid cells, thereby contributing to inflammation reduction and enhanced tissue repair.