COVID survivors frequently experience lingering neurological symptoms that resemble cancer-therapy-related cognitive impairment, a syndrome for which white matter microglial reactivity and consequent neural dysregulation is central. Here, we explored the neurobiological effects of respiratory SARS-CoV-2 infection and found white-matter-selective microglial reactivity in mice and humans. Following mild respiratory COVID in mice, persistently impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes, and myelin loss were evident together with elevated CSF cytokines/chemokines including CCL11. Systemic CCL11 administration specifically caused hippocampal microglial reactivity and impaired neurogenesis. Concordantly, humans with lasting cognitive symptoms post-COVID exhibit elevated CCL11 levels. Compared with SARS-CoV-2, mild respiratory influenza in mice caused similar patterns of white-matter-selective microglial reactivity, oligodendrocyte loss, impaired neurogenesis, and elevated CCL11 at early time points, but after influenza, only elevated CCL11 and hippocampal pathology persisted. These findings illustrate similar neuropathophysiology after cancer therapy and respiratory SARS-CoV-2 infection which may contribute to cognitive impairment following even mild COVID.

Survivors of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection frequently experience lingering neurological symptoms, including impairment in attention, concentration, speed of information processing and memory. This long-COVID cognitive syndrome shares many features with the syndrome of cancer therapy-related cognitive impairment (CRCI). Neuroinflammation, particularly microglial reactivity and consequent dysregulation of hippocampal neurogenesis and oligodendrocyte lineage cells, is central to CRCI. We hypothesized that similar cellular mechanisms may contribute to the persistent neurological symptoms associated with even mild SARS-CoV-2 respiratory infection. Here, we explored neuroinflammation caused by mild respiratory SARS-CoV-2 infection - without neuroinvasion - and effects on hippocampal neurogenesis and the oligodendroglial lineage. Using a mouse model of mild respiratory SARS-CoV-2 infection induced by intranasal SARS-CoV-2 delivery, we found white matter-selective microglial reactivity, a pattern observed in CRCI. Human brain tissue from 9 individuals with COVID-19 or SARS-CoV-2 infection exhibits the same pattern of prominent white matter-selective microglial reactivity. In mice, pro-inflammatory CSF cytokines/chemokines were elevated for at least 7-weeks post-infection; among the chemokines demonstrating persistent elevation is CCL11, which is associated with impairments in neurogenesis and cognitive function. Humans experiencing long-COVID with cognitive symptoms (48 subjects) similarly demonstrate elevated CCL11 levels compared to those with long-COVID who lack cognitive symptoms (15 subjects). Impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes and myelin loss in subcortical white matter were evident at 1 week, and persisted until at least 7 weeks, following mild respiratory SARS-CoV-2 infection in mice. Taken together, the findings presented here illustrate striking similarities between neuropathophysiology after cancer therapy and after SARS-CoV-2 infection, and elucidate cellular deficits that may contribute to lasting neurological symptoms following even mild SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Barrier epithelial organs face the constant challenge of sealing the interior body from the external environment while simultaneously replacing the cells that contact this environment. These replacement cells—the progeny of basal stem cells—are born without apical, barrier-forming structures such as a protective, lumen-facing membrane and occluding junctions. How stem cell progeny acquire these structures to become part of the barrier is unknown. Here we use Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM), Correlative Light-Electron Microscopy (CLEM), and volumetric imaging of live and fixed organs to investigate progenitor integration in the intestinal epithelium of adult Drosophila . We find that stem cell daughters gestate their future lumenal-apical membrane beneath a transient, basal niche formed by an umbrella-shaped occluding junction that shelters the growing cell and adheres it to mature neighbor cells. The umbrella junction both targets formation of a deep, microvilli-lined, apical invagination and closes it off from the contents of the gut lumen. When the growing cell is sufficiently mature, the umbrella junction retracts to expose this Pre-Assembled Apical Compartment (PAAC) to the gut lumen, thus incorporating the new cell into the intestinal barrier. When we block umbrella junctions, stem cell daughters grow and attempt to differentiate but fail to integrate; when we block cell growth, no umbrella junctions form and daughters arrest in early differentiation. Thus, stem cell progeny build new barrier structures in the shelter of a transient niche, where they are protected from lumenal insults until they are prepared to withstand them. By coordinating this dynamic junctional niche with progenitor cell differentiation, a physiologically active epithelial organ incorporates new cells while upholding integrity of its barrier.

Summary Persistent central nervous system (CNS) immune dysregulation and consequent dysfunction of multiple neural cell types is central to the neurobiological underpinnings of a cognitive impairment syndrome that can occur following traditional cancer therapies or certain infections. Immunotherapies have revolutionized cancer care for many tumor types, but the potential long-term cognitive sequelae are incompletely understood. Here, we demonstrate in mouse models that chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy for both CNS and non-CNS cancers can impair cognitive function and induce a persistent CNS immune response characterized by white matter microglial reactivity and elevated cerebrospinal fluid (CSF) cytokines and chemokines. Consequently, oligodendroglial homeostasis and hippocampal neurogenesis are disrupted. Microglial depletion rescues oligodendroglial deficits and cognitive performance in a behavioral test of attention and short-term memory function. Taken together, these findings illustrate similar mechanisms underlying immunotherapy-related cognitive impairment (IRCI) and cognitive impairment following traditional cancer therapies and other immune challenges.