Here, we highlight the potential translational benefits of delivering FLASH radiotherapy using ultra-high dose rates (>100 Gy⋅s-1). Compared with conventional dose-rate (CONV; 0.07-0.1 Gy⋅s-1) modalities, we showed that FLASH did not cause radiation-induced deficits in learning and memory in mice. Moreover, 6 months after exposure, CONV caused permanent alterations in neurocognitive end points, whereas FLASH did not induce behaviors characteristic of anxiety and depression and did not impair extinction memory. Mechanistic investigations showed that increasing the oxygen tension in the brain through carbogen breathing reversed the neuroprotective effects of FLASH, while radiochemical studies confirmed that FLASH produced lower levels of the toxic reactive oxygen species hydrogen peroxide. In addition, FLASH did not induce neuroinflammation, a process described as oxidative stress-dependent, and was also associated with a marked preservation of neuronal morphology and dendritic spine density. The remarkable normal tissue sparing afforded by FLASH may someday provide heretofore unrealized opportunities for dose escalation to the tumor bed, capabilities that promise to hasten the translation of this groundbreaking irradiation modality into clinical practice.

A substantial proportion of breast cancer survivors report significant, long-lasting impairments in cognitive function, often referred to as "chemobrain." Advances in detection and treatment mean that many more patients are surviving long-term following diagnosis of invasive breast cancer. Thus, it is important to define the types, extent, and persistence of cognitive impairments following treatment with cytotoxic cancer drugs.We examined the effects of chronic treatment with two agents commonly used in patients with breast cancer, cyclophosphamide and doxorubicin (Adriamycin). Athymic nude rats were given 50 mg/kg cyclophosphamide, 2 mg/kg doxorubicin, or saline injections once per week for 4 weeks. A novel place recognition task and contextual and cued fear conditioning were used to characterize learning and memory ability. Immunofluorescence staining for immature and mature neurons and activated microglia was used to assess changes in neurogenesis and neuroinflammation.Cyclophosphamide- and doxorubicin-treated rats showed significantly impaired performance on the novel place recognition task and the contextual fear conditioning task compared with untreated controls, suggesting disrupted hippocampal-based memory function. Chemotherapy-treated animals showed a significant decline in neurogenesis [80%-90% drop in bromodeoxyuridine (BrdUrd)-labeled cells expressing NeuN]. Activated microglia (ED1-positive) were found after cyclophosphamide but not doxorubicin treatment.Our results show that chronic treatment with either of two commonly used chemotherapeutic agents impairs cognitive ability and suggest that strategies to prevent or repair disrupted hippocampal neurogenesis may be effective in ameliorating this serious side effect in cancer survivors.

Abstract Cranial irradiation for the treatment of brain cancer elicits progressive and severe cognitive dysfunction that is associated with significant neuropathology. Radiation injury in the CNS has been linked to persistent microglial activation, and we find upregulation of pro-inflammatory genes even 6 weeks after irradiation. We hypothesize that depletion of microglia in the irradiated brain would have a neuroprotective effect. Adult mice received acute head only irradiation (9 Gy) and were administered a dietary inhibitor (PLX5622) of colony stimulating factor-1 receptor (CSF1R) to deplete microglia post-irradiation. Cohorts of mice maintained on a normal and PLX5662 diet were analyzed for cognitive changes using a battery of behavioral tasks 4–6 weeks later. PLX5622 treatment caused a rapid and near complete elimination of microglia in the brain within 3 days of treatment. Irradiation of animals given a normal diet caused characteristic behavioral deficits designed to test medial pre-frontal cortex (mPFC) and hippocampal learning and memory and caused increased microglial activation. Animals receiving the PLX5622 diet exhibited no radiation-induced cognitive deficits, and exhibited near complete loss of IBA-1 and CD68 positive microglia in the mPFC and hippocampus. Our data demonstrate that elimination of microglia through CSF1R inhibition can ameliorate radiation-induced cognitive deficits in mice.

Abstract Purpose: Recent data have shown that single-fraction irradiation delivered to the whole brain in less than tenths of a second using FLASH radiotherapy (FLASH-RT), does not elicit neurocognitive deficits in mice. This observation has important clinical implications for the management of invasive and treatment-resistant brain tumors that involves relatively large irradiation volumes with high cytotoxic doses. Experimental Design: Therefore, we aimed at simultaneously investigating the antitumor efficacy and neuroprotective benefits of FLASH-RT 1-month after exposure, using a well-characterized murine orthotopic glioblastoma model. As fractionated regimens of radiotherapy are the standard of care for glioblastoma treatment, we incorporated dose fractionation to simultaneously validate the neuroprotective effects and optimized tumor treatments with FLASH-RT. Results: The capability of FLASH-RT to minimize the induction of radiation-induced brain toxicities has been attributed to the reduction of reactive oxygen species, casting some concern that this might translate to a possible loss of antitumor efficacy. Our study shows that FLASH and CONV-RT are isoefficient in delaying glioblastoma growth for all tested regimens. Furthermore, only FLASH-RT was found to significantly spare radiation-induced cognitive deficits in learning and memory in tumor-bearing animals after the delivery of large neurotoxic single dose or hypofractionated regimens. Conclusions: The present results show that FLASH-RT delivered with hypofractionated regimens is able to spare the normal brain from radiation-induced toxicities without compromising tumor cure. This exciting capability provides an initial framework for future clinical applications of FLASH-RT. See related commentary by Huang and Mendonca, p. 662

Abstract The Mars mission will result in an inevitable exposure to cosmic radiation that has been shown to cause cognitive impairments in rodent models, and possibly in astronauts engaged in deep space travel. Of particular concern is the potential for cosmic radiation exposure to compromise critical decision making during normal operations or under emergency conditions in deep space. Rodents exposed to cosmic radiation exhibit persistent hippocampal and cortical based performance decrements using six independent behavioral tasks administered between separate cohorts 12 and 24 weeks after irradiation. Radiation-induced impairments in spatial, episodic and recognition memory were temporally coincident with deficits in executive function and reduced rates of fear extinction and elevated anxiety. Irradiation caused significant reductions in dendritic complexity, spine density and altered spine morphology along medial prefrontal cortical neurons known to mediate neurotransmission interrogated by our behavioral tasks. Cosmic radiation also disrupted synaptic integrity and increased neuroinflammation that persisted more than 6 months after exposure. Behavioral deficits for individual animals correlated significantly with reduced spine density and increased synaptic puncta, providing quantitative measures of risk for developing cognitive impairment. Our data provide additional evidence that deep space travel poses a real and unique threat to the integrity of neural circuits in the brain.

Animal models reveal an unexpected sensitivity of mature neurons in the brain to the charged particles found in space.

Combinatorial blockade of Cytotoxic T-lymphocyte associated protein 4 (CTLA-4) and Programmed Cell Death Protein 1 (PD-1) significantly improve the progression-free survival of individuals with metastatic cancers, including melanoma. In addition to unleashing anti-tumor immunity, combination immune checkpoint inhibition (ICI) disrupts immune-regulatory networks critical for maintaining homeostasis in various tissues, including the central nervous system (CNS). Although ICI- and cancer-related cognitive impairments (CRCI) in survivors are increasingly becoming evident, our understanding of ICI-induced immune-related adverse effects (IREA) in the CNS remains incomplete. Here, our murine melanoma model reveals that combination ICI impairs hippocampal-dependent learning and memory, as well as memory consolidation processes. Mechanistically, combination ICI disrupted synaptic integrity, and neuronal plasticity, reduced myelin, and further predisposed CNS for exaggerated experimental autoimmune encephalomyelitis. Combination ICI substantially altered both lymphoid and myeloid cells in the CNS. Neurogenesis was unaffected, however, microglial activation persisted for two-months post- ICI, concurrently with cognitive deficits, which parallels clinical observations in survivors. Overall, our results demonstrate that blockade of CTLA-4 and PD-1 alters neuro-immune homeostasis and activates microglia, promoting long-term neurodegeneration and driving cognitive impairments. Therefore, limiting microglial activation is a potential avenue to mitigate CNS IRAE while maintaining the therapeutic benefits of rapidly evolving ICIs and their combinations.

Cranial radiation therapy (RT) for brain cancers leads to an irreversible decline in cognitive function without an available remedy. Radiation-induced cognitive deficits (RICD) are particularly a pressing problem for the survivors of pediatric and low grade glioma (LGG) patients who often live long post-RT. Radiation-induced elevated neuroinflammation and gliosis, triggered by the detrimental CNS complement cascade, lead to excessive synaptic and cognitive loss. Using intact and brain cancer-bearing mouse models, we now show that targeting anaphylatoxin complement C5a receptor (C5aR1) is neuroprotective against RICD. We used a genetic knockout, C5aR1 KO mouse, and a pharmacologic approach, employing the orally active, brain penetrant C5aR1 antagonist PMX205, to reverse RICD. Irradiated C5aR1 KO and WT mice receiving PMX205 showed significant neurocognitive improvements in object recognition memory and memory consolidation tasks. C5aR1 inhibition reduced microglial activation, astrogliosis, and synaptic loss in the irradiated brain. Importantly, C5aR1 inhibition in the syngeneic, orthotopic astrocytoma, and glioblastoma-bearing mice protected against RICD without interfering with the therapeutic efficacy of RT to reduce tumor volume

Abstract Cranial irradiation used to control brain malignancies invariably leads to progressive and debilitating declines in cognition. Clinical efforts implementing hippocampal avoidance and NMDAR antagonism, have sought to minimize dose to radiosensitive neurogenic regions while normalizing excitatory/inhibitory (E/I) tone. Results of these trials have yielded only marginal benefits to cognition, prompting current studies to evaluate the potential of systemic extracellular vesicle (EV) therapy to restore neurocognitive functionality in the irradiated brain. Here we tested the hypothesis that EVs derived from inhibitory but not excitatory neuronal cultures would prove beneficial to cognition and associated pathology. Rats subjected to a clinically relevant, fractionated cranial irradiation paradigm were given multiple injections of either GABAergic- or glutamatergic-derived EV and subjected to behavioral testing. Rats treated with GABAergic but not glutamatergic EVs showed significant improvements on hippocampal- and cortical-dependent behavioral tasks. While each treatment enhanced levels of the neurotrophic factors BDNF and GDNF, only GABAergic EVs preserved granule cell neuron dendritic spine density. Additional studies conducted with GABAergic EVs, confirmed significant benefits on amygdala-dependent behavior and modest changes in synaptic plasticity as measured by long-term potentiation. These data point to a potentially more efficacious approach for resolving radiation-induced neurological deficits, possibly through a mechanism able to restore homeostatic E/I balance.