Summary

 Microglia play a pivotal role in the maintenance of brain homeostasis but lose homeostatic function during neurodegenerative disorders. We identified a specific apolipoprotein E (APOE)-dependent molecular signature in microglia from models of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), multiple sclerosis (MS), and Alzheimer's disease (AD) and in microglia surrounding neuritic β-amyloid (Aβ)-plaques in the brains of people with AD. The APOE pathway mediated a switch from a homeostatic to a neurodegenerative microglia phenotype after phagocytosis of apoptotic neurons. TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2) induced APOE signaling, and targeting the TREM2-APOE pathway restored the homeostatic signature of microglia in ALS and AD mouse models and prevented neuronal loss in an acute model of neurodegeneration. APOE-mediated neurodegenerative microglia had lost their tolerogenic function. Our work identifies the TREM2-APOE pathway as a major regulator of microglial functional phenotype in neurodegenerative diseases and serves as a novel target that could aid in the restoration of homeostatic microglia.

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.

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.

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.