Abstract The mechanism and long-term consequences of early blood–brain barrier (BBB) disruption after cerebral ischaemic/reperfusion (I/R) injury are poorly understood. Here we discover that I/R induces subtle BBB leakage within 30–60 min, likely independent of gelatinase B/MMP-9 activities. The early BBB disruption is caused by the activation of ROCK/MLC signalling, persistent actin polymerization and the disassembly of junctional proteins within microvascular endothelial cells (ECs). Furthermore, the EC alterations facilitate subsequent infiltration of peripheral immune cells, including MMP-9-producing neutrophils/macrophages, resulting in late-onset, irreversible BBB damage. Inactivation of actin depolymerizing factor (ADF) causes sustained actin polymerization in ECs, whereas EC-targeted overexpression of constitutively active mutant ADF reduces actin polymerization and junctional protein disassembly, attenuates both early- and late-onset BBB impairment, and improves long-term histological and neurological outcomes. Thus, we identify a previously unexplored role for early BBB disruption in stroke outcomes, whereby BBB rupture may be a cause rather than a consequence of parenchymal cell injury.

Significance Moderate or severe traumatic brain injury (TBI) damages white matter, thereby contributing to long-term neurological deficits. Currently, there are no satisfactory therapies to mitigate this white matter injury (WMI). Here we show that inhibition of histone deacetylases (HDACs) exerts robust structural and functional protection of white matter in a murine model of TBI/WMI by polarizing microglia/macrophages toward the beneficial M2 phenotype. HDAC inhibition shifted microglia/macrophage phenotype by up-regulating glycogen synthase kinase 3 beta (GSK3β), which inactivated phosphatase and tensin homologue (PTEN) through phosphorylation, thereby promoting PI3K/Akt signaling. The GSK3β-dependent M2 phenotype exerted potent anti-inflammatory effects that protected myelin-forming oligodendrocytes and diminished WMI. These results reveal a previously unexplored role for GSK3β/PTEN/PI3K signaling in the regulation of microglia/macrophages and demonstrate the promise of HDAC inhibition in the treatment of TBI/WMI.

Microglia represent rational but challenging targets for improving white matter integrity because of their dualistic protective and toxic roles. The present study examines the effect of Omega-3 polyunsaturated fatty acids (n-3 PUFAs) on microglial responses to myelin pathology in primary cultures and in the cuprizone mouse model of multiple sclerosis (MS), a devastating demyelination disease. Docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA), the two main forms of n-3 PUFAs in the brain, inhibited the release of nitric oxide and tumor necrosis factor-α from primary microglia upon IFN-γ and myelin stimulation. DHA and EPA also enhanced myelin phagocytosis in vitro. Therefore, n-3 PUFAs can inhibit inflammation while at the same time enhancing beneficial immune responses such as microglial phagocytosis. In vivo studies demonstrated that n-3 PUFA supplementation reduced cuprizone-induced demyelination and improved motor and cognitive function. The positive effects of n-3 PUFAs were accompanied by a shift in microglial polarization toward the beneficial M2 phenotype both in vitro and in vivo. These results suggest that n-3 PUFAs may be clinically useful as immunomodulatory agents for demyelinating diseases through a novel mechanism involving microglial phenotype switching.

Significance Blood–brain barrier (BBB) breakdown is a catastrophic event in the pathogenesis of various neurological disorders, including stroke. Here we report that overexpressing heat shock protein 27 (HSP27) specifically within microvascular endothelial cells protects the BBB in models of ischemic stroke. HSP27 achieves this protection through a previously unexplored mechanism—the inhibition of actin polymerization—that suppresses early structural changes within endothelial cells that appear to initiate the BBB breach. Furthermore, intravenous delivery of a cell membrane-permeable TAT-HSP27 protein after postischemic reperfusion boosts endothelial HSP27 and improves BBB integrity and long-term functional outcomes. Thus, HSP27 has translational potential as a therapeutic agent to ameliorate BBB disruption, reduce the progression of brain injury, and improve long-term neurological outcomes in stroke victims.

Dietary supplementation with omega-3 (ω-3) fatty acids is a safe, economical mean of preventive medicine that has shown protection against several neurologic disorders. The present study tested the hypothesis that this method is protective against controlled cortical impact (CCI). Indeed, mice fed with ω-3 polyunsaturated fatty acid (PUFA)-enriched diet for 2 months exhibited attenuated short and long-term behavioral deficits due to CCI. Although ω-3 PUFAs did not decrease cortical lesion volume, these fatty acids did protect against hippocampal neuronal loss after CCI and reduced pro-inflammatory response. Interestingly, ω-3 PUFAs prevented the loss of myelin basic protein (MPB), preserved the integrity of the myelin sheath, and maintained the nerve fiber conductivity in the CCI model. ω-3 PUFAs also directly protected oligodendrocyte cultures from excitotoxicity and blunted the microglial activation-induced death of oligodendrocytes in microglia/oligodendrocyte cocultures. In sum, ω-3 PUFAs elicit multifaceted protection against behavioral dysfunction, hippocampal neuronal loss, inflammation, and loss of myelination and impulse conductivity. The present report is the first demonstration that ω-3 PUFAs protect against white matter injury in vivo and in vitro. The protective impact of ω-3 PUFAs supports the clinical use of this dietary supplement as a prophylaxis against traumatic brain injury and other nervous system disorders.

Angiogenesis promotes neurological recovery after stroke and is associated with longer survival of stroke patients. Cerebral angiogenesis is tightly controlled by certain microRNAs (miRs), such as the miR-15a/16-1 cluster, among others. However, the function of the miR-15a/16-1 cluster in endothelium on postischemic cerebral angiogenesis is not known.To investigate the functional significance and molecular mechanism of endothelial miR-15a/16-1 cluster on angiogenesis in the ischemic brain.Endothelial cell-selective miR-15a/16-1 conditional knockout (EC-miR-15a/16-1 cKO) mice and wild-type littermate controls were subjected to 1 hour middle cerebral artery occlusion followed by 28-day reperfusion. Deletion of miR-15a/16-1 cluster in endothelium attenuates post-stroke brain infarction and atrophy and improves the long-term sensorimotor and cognitive recovery against ischemic stroke. Endothelium-targeted deletion of the miR-15a/16-1 cluster also enhances post-stroke angiogenesis by promoting vascular remodeling and stimulating the generation of newly formed functional vessels, and increases the ipsilateral cerebral blood flow. Endothelial cell-selective deletion of the miR-15a/16-1 cluster up-regulated the protein expression of pro-angiogenic factors VEGFA (vascular endothelial growth factor), FGF2 (fibroblast growth factor 2), and their receptors VEGFR2 (vascular endothelial growth factor receptor 2) and FGFR1 (fibroblast growth factor receptor 1) after ischemic stroke. Consistently, lentiviral knockdown of the miR-15a/16-1 cluster in primary mouse or human brain microvascular endothelial cell cultures enhanced in vitro angiogenesis and up-regulated pro-angiogenic proteins expression after oxygen-glucose deprivation, whereas lentiviral overexpression of the miR-15a/16-1 cluster suppressed in vitro angiogenesis and down-regulated pro-angiogenic proteins expression. Mechanistically, miR-15a/16-1 translationally represses pro-angiogenic factors VEGFA, FGF2, and their receptors VEGFR2 and FGFR1, respectively, by directly binding to the complementary sequences within 3'-untranslated regions of those messenger RNAs.Endothelial miR-15a/16-1 cluster is a negative regulator for postischemic cerebral angiogenesis and long-term neurological recovery. Inhibition of miR-15a/16-1 function in cerebrovascular endothelium may be a legitimate therapeutic approach for stroke recovery.

Scaffolds composed of extracellular matrix (ECM) are being investigated for their ability to facilitate brain tissue remodeling and repair following injury. The present study tested the hypothesis that the implantation of brain-derived ECM would attenuate experimental traumatic brain injury (TBI) and explored potential underlying mechanisms. TBI was induced in mice by a controlled cortical impact (CCI). ECM was isolated from normal porcine brain tissue by decellularization methods, prepared as a hydrogel, and injected into the ipsilesional corpus callosum and striatum 1 h after CCI. Lesion volume and neurological function were evaluated up to 35 d after TBI. Immunohistochemistry was performed to assess post-TBI white matter integrity, reactive astrogliosis, and microglial activation. We found that ECM treatment reduced lesion volume and improved neurobehavioral function. ECM-treated mice showed less post-TBI neurodegeneration in the hippocampus and less white matter injury than control, vehicle-treated mice. Furthermore, ECM ameliorated TBI-induced gliosis and microglial pro-inflammatory responses, thereby providing a favorable microenvironment for tissue repair. Our study indicates that brain ECM hydrogel implantation improved the brain microenvironment that facilitates post-TBI tissue recovery. Brain ECM offers excellent biocompatibility and holds potential as a therapeutic agent for TBI, alone or in combination with other treatments.