Deposits of amyloid-β (Aβ) in the brains of rodents can be analysed by invasive intravital microscopy on a submillimetre scale, or via whole-brain images from modalities lacking the resolution or molecular specificity to accurately characterize Aβ pathologies. Here we show that large-field multifocal illumination fluorescence microscopy and panoramic volumetric multispectral optoacoustic tomography can be combined to longitudinally assess Aβ deposits in transgenic mouse models of Alzheimer's disease. We used fluorescent Aβ-targeted probes (the luminescent conjugated oligothiophene HS-169 and the oxazine-derivative AOI987) to transcranially detect Aβ deposits in the cortex of APP/PS1 and arcAβ mice with single-plaque resolution (8 μm) and across the whole brain (including the hippocampus and the thalamus, which are inaccessible by conventional intravital microscopy) at sub-150 μm resolutions. Two-photon microscopy, light-sheet microscopy and immunohistochemistry of brain-tissue sections confirmed the specificity and regional distributions of the deposits. High-resolution multiscale optical and optoacoustic imaging of Aβ deposits across the entire brain in rodents thus facilitates the in vivo study of Aβ accumulation by brain region and by animal age and strain.

Abstract Deposition of beta-amyloid (Aβ) deposits is one major histopathological hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Here, we introduce volumetric multi-spectral optoacoustic tomography (vMSOT), which covers 10×10×10 mm 3 field-of-view, capable of 3D whole mouse brain imaging. We show for the first time the optoacoustic properties of oxazine-derivative AOI987 probe, which binds to Aβ, and the application of vMSOT for the quantification of brain-wide Aβ deposition. Administration of AOI987 to two common transgenic mouse strains of AD amyloidosis led to a retention of the probe in Aβ-laden brain regions. Co-registered of vMSOT data to a brain atlas revealed strain-specific pattern of AOI987 uptake. A comparison with ex vivo light-sheet microscopy in cleared mouse brains showed a good correspondence in Aβ distribution. Lastly, we demonstrate the specificity of the AOI987 probe by immunohistochemistry. vMSOT with AOI987 facilitates preclinical brain region-specific studies of Aβ spread and accumulation, and the monitoring of putative treatments targeting Aβ.

Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating these age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies 1,2 , which involve human-specific mechanisms 3–6 that cannot be directly studied in animal models. To explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated iPSC-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors 7 . Single-cell transcriptomics (scRNA-seq) and comparison to independent NSCs 8 , showed that iCoMoNSCs are uniquely homogenous and self-renewing. Differentiated iCoMoNSCs formed a self-organized multicellular system consisting of synaptically connected and electrophysiologically active neurons, which matured into long-lived functional networks. Neuronal and glial maturation in iCoMoNSC-derived cultures was similar to that of cortical organoids 9 . Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of iCoMoNSC-derived neurons led to progressive fragmentation and aggregation, resulting in loss of function and neurotoxicity. scRNA-seq revealed a novel set of misregulated RNA targets coinciding in both TDP-43 overexpressing neurons and patient brains exhibiting loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded for the synaptic protein NPTX2, which was consistently misaccumulated in ALS and FTLD patient neurons with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby highlighting a new pathway of neurotoxicity.

Abstract Antiphospholipid antibodies (aPL), assumed to cause antiphospholipid syndrome (APS), are notorious for their heterogeneity and detect phospholipids and phospholipid-binding proteins. The persistent presence of Lupus anticoagulant and/or aPL against cardiolipin and/or β2 glycoprotein I have been shown to be independent risk factors for vascular thrombosis and pregnancy morbidity in APS. aPL production is thought to be triggered by – among other factors – viral infections, though infection-associated aPL have mostly been considered non-pathogenic. Recently, the potential pathogenicity of infection-associated aPL has gained momentum since an increasing number of patients infected with Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has been described with coagulation abnormalities and hyperinflammation, together with the presence of aPL. Here, we present data from a multicentric, mixed-severity study including three cohorts of individuals who contracted SARS-CoV-2 as well as non-infected blood donors. We simultaneously measured 10 different criteria and non-criteria aPL (IgM and IgG) by using a line immunoassay. Further, IgG antibody response against three SARS-CoV-2 proteins was investigated using tripartite automated blood immunoassay technology. Our analyses revealed that selected non-criteria aPL were enriched concomitant to or after an infection with SARS-CoV-2. Linear mixed-effects models suggest an association of aPL to prothrombin (PT) with the strength of the antibody response against SARS-CoV-2 and that it is further influenced by SARS-CoV-2 disease severity and sex of the individuals. In conclusion, our study is the first to report an association between disease severity, anti-SARS-CoV-2 immunoreactivity and aPL against PT in patients with SARS-CoV-2.

Neuropathological and experimental evidence suggests that the cell-to-cell transfer of α-synuclein has an important role in the pathogenesis of Parkinson’s disease (PD). However, the mechanism underlying this phenomenon is not fully understood. We undertook a small interfering RNA (siRNA), genome-wide screen to identify genes regulating the cell-to-cell transfer of α-synuclein. A genetically encoded reporter, GFP-2A-αSynuclein-RFP, suitable for separating donor and recipient cells, was transiently transfected into HEK cells stably overexpressing α-synuclein. We find that 38 genes regulate the transfer of α-synuclein-RFP, one of which is ITGA8, a candidate gene identified through a recent PD genome-wide association study (GWAS). Weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) and weighted protein-protein network interaction analysis (WPPNIA) show that those hits cluster in networks that include known PD genes more frequently than expected by random chance. The findings expand our understanding of the mechanism of α-synuclein spread.

Over the course of the past decade, tissue clearing methods have reached a high level of sophistication with a wide variety of approaches now available[1][1]. To image large cleared samples, light-sheet microscopes have proven to be ideal due to their excellent optical sectioning capability in

ABSTRACT Learning goal-directed behaviours requires integration of separate information streams representing context, relevant stimuli and reward. Dendrites of pyramidal neurons are suitable sites for such integration, but it remains elusive how their responses adapt when an animal learns a new task. Here, we identify two distinct classes of dendritic responses that represent either contextual/sensory information or reward information and that differ in their task- and learning-related dynamics. Using longitudinal calcium imaging of apical dendritic tufts of L5 pyramidal neurons in mouse barrel cortex, we tracked dendritic activity across learning and analyzed both local dendritic branch signals and global apical tuft activity. During texture discrimination learning, sensory representations (including contextual and touch information) strengthened and converged on the reward-predicting tactile stimulus when mice became experts. In contrast, reward-associated responses were particularly strong in the naïve condition and became less pronounced upon learning. When we blocked the representation of unexpected reward in naïve animals with optogenetic inhibition, animals failed to learn until we released the block and learning proceeded normally. Our results suggest that reward signals in dendrites are essential for adjusting neuronal integration of converging inputs to facilitate adaptive behaviour.

Abstract The humoral immune response plays a key role in suppressing the pathogenesis of SARS-CoV-2. The molecular determinants underlying the neutralization of the virus remain, however, incompletely understood. Here, we show that the ability of antibodies to disrupt the binding of the viral spike protein to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor on the cell, the key molecular event initiating SARS-CoV-2 entry into host cells, is controlled by the affinity of these antibodies to the viral antigen. By using microfluidic antibody-affinity profiling, we were able to quantify the serum-antibody mediated inhibition of ACE2–spike binding in two SARS-CoV-2 seropositive individuals. Measurements to determine the affinity, concentration, and neutralization potential of antibodies were performed directly in human serum. Using this approach, we demonstrate that the level of inhibition in both samples can be quantitatively described using the binding energies of the binary interactions between the ACE2 receptor and the spike protein, and the spike protein and the neutralizing antibody. These experiments represent a new type of in-solution receptor binding competition assay, which has further potential areas of application ranging from decisions on donor selection for convalescent plasma therapy, to identification of lead candidates in therapeutic antibody development, and vaccine development.

Abstract Recent efforts in understanding the course and severity of SARS-CoV-2 infections have highlighted both potential beneficial as well as detrimental effects of cross-reactive antibodies derived from memory immunity. Specifically, due to a significant degree of sequence similarity between SARS-CoV-2 and other members of the coronavirus family, memory B-cells that emerged from previous infections with endemic human coronaviruses (HCoVs) could be re-activated upon encountering the newly emerged SARS-CoV-2, thus prompting the production of cross-reactive antibodies. Understanding the affinity and concentration of these potentially cross-reactive antibodies to the new SARS-CoV-2 antigens is therefore particularly important when assessing both existing immunity against common HCoVs and adverse effects like antibody-dependent enhancement (ADE) in COVID-19. However, these two fundamental parameters cannot easily be deconvoluted by surface-based assays like enzyme-linked immunosorbent assays (ELISAs) which are routinely used to assess cross-reactivity. Here, we have used microfluidic antibody-affinity profiling (MAAP) to quantitatively evaluate the humoral immune response in COVID-19 convalescent patients by determining both antibody affinity and concentration against spike antigens of SARS-CoV-2 directly in nine convalescent COVID-19 patient and three pre-pandemic sera that were seropositive for common HCoVs. All 12 sera contained low concentrations of high affinity antibodies against spike antigens of HCoV-NL63 and HCoV-HKU1, indicative of past exposure to these pathogens, while the affinity against the SARS-CoV-2 spike protein was lower. These results suggest that cross-reactivity as a consequence of memory re-activation upon an acute SARS-CoV-2 infection may not be a significant factor in generating immunity against SARS-CoV-2.

Summary Prion infections cause conformational changes of PrP C and lead to progressive neurological impairment. Here we show that toxic, prion-mimetic ligands induce an intramolecular R208-H140 hydrogen bond (“H-latch”) altering the flexibility of the α2-α3 and β2-α2 loops of PrP C . Expression of a PrP 2Cys mutant mimicking the H-latch was constitutively toxic, whereas a PrP R207A mutant unable to form the H-latch conferred resistance to prion infection. High-affinity ligands that prevented H-latch induction repressed prion-related neurodegeneration in organotypic cerebellar cultures. We then selected phage-displayed ligands binding wild-type PrP C , but not PrP 2Cys . These binders depopulated H-latched conformers and conferred protection against prion toxicity. Finally, brain-specific expression of an antibody rationally designed to prevent H-latch formation, prolonged the life of prion-infected mice despite unhampered prion propagation, confirming that the H-latch is causally linked to prion neurotoxicity.