Abstract Microglia are now considered drivers of Alzheimer’s disease (AD) pathology. However, single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of microglia in mice, a key preclinical model organsim, have shown mixed results regarding translatability to human studies. To address this, scRNA-seq of microglia from C57BL/6J (B6) and wild-derived strains WSB/EiJ, CAST/EiJ and PWK/PhJ carrying APP/PS1 was performed and demonstrated that genetic diversity significantly altered features and dynamics of microglia in baseline neuroimmune functions and in response to amyloidosis. There was significant variation in abundance of microglial subpopulations, including numbers of disease-associated microglia and interferon-responding microglia across the strains. Further, for each subpopulation, significant gene expression differences were observed between strains, and relative to B6 that included nineteen genes previously associated with human AD including Apoe, Trem2, Bin1 and Sorl1 . This resource will be critical in the development of appropriately targeted therapeutics for AD and a range of other neurological diseases.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) are secreted by any neuronal cells in the central nervous system (CNS) for molecular clearance, cellular communications and disease spread in multiple neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease (AD), although their exact molecular mechanism is poorly understood. We hypothesize that high-resolution proteomic profiling of EVs separated from animal models of AD would determine the composition of EV contents and their cellular origin. Here, we examined recently developed transgenic mice (CAST. APP/PS1 ), which express familial AD-linked mutations of amyloid precursor protein ( APP ) and presenilin-1 ( PS1 ) in the CAST/EiJ mouse strain and develop hippocampal neurodegeneration. Quantitative proteomics analysis of EVs separated from CAST. APP/PS1 and age-matched control mice by tandem mass tag-mass spectrometry identified a total of 3,444 unique proteins, which are enriched in neuron, astrocyte, oligodendrocyte and microglia-specific molecules. CAST. APP/PS1 -derived EVs show significant enrichment of Psen1, APP, Itgax, and reduction of Wdr61, Pmpca, Aldh1a2, Calu, Anp32b, Actn4 and Ndufv2 compared to WT-derived EVs, suggesting the involvement of Aβ-processing complex and disease-associated / neurodegenerative microglia (DAM/MGnD) in EV secretion. In addition, Itgax and Apoe, the DAM/MGnD markers, in EV show a positive correlation with Itgax and Apoe mRNA expression from brain tissue in CAST. APP/PS1 mice. These datasets indicate the significant contribution of Aβ plaque and neurodegeneration-induced DAM/MGnD microglia for EV secretion in CAST. APP/PS1 mice and shed light on understanding the AD pathogenesis.

Common features of Alzheimer's disease (AD) include amyloid pathology, microglia activation and synaptic dysfunction, however, the causal relationships amongst them remains unclear. Further, human data suggest susceptibility and resilience to AD neuropathology is controlled by genetic context, a factor underexplored in mouse models. To this end, we leveraged viral strategies to label an AD-vulnerable neuronal circuit in CA1 dendrites projecting to the frontal cortex in genetically diverse C57BL/6J (B6) and PWK/PhJ (PWK) APP/PS1 mouse strains and used PLX5622 to non-invasively deplete brain microglia. Reconstructions of labeled neurons revealed microglia-dependent changes in dendritic spine density and morphology in B6 wild-type (WT) and APP/PS1 yet a marked stability of spines across PWK mice. We further showed that synaptic changes depend on direct microglia-dendrite interactions in B6. APP/PS1 but not PWK. APP/PS1 mice. Collectively, these results demonstrate that microglia-dependent synaptic alterations in a specific AD-vulnerable projection pathway are differentially controlled by genetic context.

Metabolic syndrome (MetS) puts patients more at risk for neurodegenerative diseases such as Alzheimers disease (AD). Microglia are implicated as causal factors in AD, however, the effect of MetS on microglia has not been characterized. To address this, we contrasted New Zealand Obese (NZO) with C57BL/6J (B6J) mice in combination with a high fat/high sugar diet (HFD). Irrespective of diet, NZO mice displayed a broader array of MetS-relevant phenotypes compared to B6J mice fed a HFD. Single cell RNA-sequencing of microglia predicted transcriptional shifts indicative of reduced responsiveness and increased vascular interactions in NZO, but not B6J HFD mice. Significant cerebrovascular fibrin deposition and increased perivascular accumulation of microglia were observed in NZO relative to B6J HFD mice. Further, compared to the widely used B6J.APP/PS1 mice, NZO.APP/PS1 exhibited increased amyloid plaque sizes alongside an increase in microhemorrhages. Overall, our work supports a model whereby MetS alters microglia-vascular interactions, compromising microglial plasticity.

INTRODUCTION: Subcritical epileptiform activity is associated with impaired cognitive function and is commonly seen in patients with Alzheimer9s disease (AD). The anti-convulsant, levetiracetam (LEV), is currently being evaluated in clinical trials for its ability to reduce epileptiform activity and improve cognitive function in AD. The purpose of the current study was to apply pharmacokinetics (PK), network analysis of medical imaging, gene transcriptomics, and PK/PD modeling to a cohort of amyloidogenic mice to establish how LEV restores or drives alterations in the brain networks of mice in a dose-dependent basis using the rigorous preclinical pipeline of the MODEL-AD Preclinical Testing Core. METHODS: Chronic LEV was administered to 5XFAD mice of both sexes for 3 months based on allometrically scaled clinical dose levels from PK models. Data collection and analysis consisted of a multi-modal approach utilizing 18F-FDG PET/MRI imaging and analysis, transcriptomic analyses, and PK/PD modeling. RESULTS: Pharmacokinetics of LEV showed a sex and dose dependence in Cmax, CL/F, and AUC(0-inf);, with simulations used to estimate dose regimens. Chronic dosing at 10, 30, and 56 mg/kg, showed 18F-FDG specific regional differences in brain uptake, and in whole brain covariance measures such as clustering coefficient, degree, network density, and connection strength (i.e. positive and negative). In addition, transcriptomic analysis via nanoString showed dose-dependent changes in gene expression in pathways consistent 18F-FDG uptake and network changes, and PK/PD modeling showed a concentration dependence for key genes, but not for network covariance modeling. DISCUSSION: This study represents the first report detailing the relationships of metabolic covariance and transcriptomic network changes resulting from LEV administration in 5XFAD mice. Overall, our results highlight non-linear kinetics based on dose and sex, where gene expression analysis demonstrated LEV dose- and concentration- dependent changes, along with cerebral metabolism, and/or cerebral homeostatic mechanisms relevant to human AD, which aligned closely with network covariance analysis of 18F-FDG images. Collectively, this study show cases the value of a multimodal connectomic, transcriptomic, and pharmacokinetic approach to further investigate dose dependent relationships in preclinical studies, with translational value towards informing clinical study design.

BACKGROUND: Alzheimer9s disease (AD) is the most common cause of dementia worldwide, with apolipoprotein e4 (APOEe4) being the strongest genetic risk factor. Current clinical diagnostic imaging focuses on amyloid and tau; however, new methods are needed for earlier detection. METHODS: PET imaging of 18F-FDG and 64Cu-PTSM was used to assess metabolism-perfusion profiles in both sexes of aging C57BL/6J, and APOEe3/e3, APOEe4/e4, and APOEe3/e4. RESULTS: Across all strains, 8 months is a key transition stage. Females exhibited the greatest number of regional changes for both tracers, which correlate with GO-term enrichments for glucose metabolism, perfusion and immunity. Our neurovascular uncoupling analysis revealed APOEe4/e4 exhibited significant Type-1 uncoupling at 8 and 12 months, while APOEe3/e4 demonstrated significant Type-2 uncoupling by 8 months. DISCUSSION: This work highlights APOEe4 status determines key differences in progression to neurovascular uncoupling. Our method detects changes in neurovascular coupling, and may serve as an early diagnostic biomarker.