Investigation of axonal biology in the central nervous system (CNS) is hindered by a lack of an appropriate in vitro method to probe axons independently from cell bodies. Here we describe a microfluidic culture platform that polarizes the growth of CNS axons into a fluidically isolated environment without the use of targeting neurotrophins. In addition to its compatibility with live cell imaging, the platform can be used to (i) isolate CNS axons without somata or dendrites, facilitating biochemical analyses of pure axonal fractions and (ii) localize physical and chemical treatments to axons or somata. We report the first evidence that presynaptic (Syp) but not postsynaptic (Camk2a) mRNA is localized to developing rat cortical and hippocampal axons. The platform also serves as a straightforward, reproducible method to model CNS axonal injury and regeneration. The results presented here demonstrate several experimental paradigms using the microfluidic platform, which can greatly facilitate future studies in axonal biology.

Summary

 Microglia play critical roles in brain development, homeostasis, and neurological disorders. Here, we report that human microglial-like cells (iMGLs) can be differentiated from iPSCs to study their function in neurological diseases, like Alzheimer's disease (AD). We find that iMGLs develop in vitro similarly to microglia in vivo, and whole-transcriptome analysis demonstrates that they are highly similar to cultured adult and fetal human microglia. Functional assessment of iMGLs reveals that they secrete cytokines in response to inflammatory stimuli, migrate and undergo calcium transients, and robustly phagocytose CNS substrates. iMGLs were used to examine the effects of Aβ fibrils and brain-derived tau oligomers on AD-related gene expression and to interrogate mechanisms involved in synaptic pruning. Furthermore, iMGLs transplanted into transgenic mice and human brain organoids resemble microglia in vivo. Together, these findings demonstrate that iMGLs can be used to study microglial function, providing important new insight into human neurological disease.

Neural stem cell (NSC) transplantation represents an unexplored approach for treating neurodegenerative disorders associated with cognitive decline such as Alzheimer disease (AD). Here, we used aged triple transgenic mice (3xTg-AD) that express pathogenic forms of amyloid precursor protein, presenilin, and tau to investigate the effect of neural stem cell transplantation on AD-related neuropathology and cognitive dysfunction. Interestingly, despite widespread and established Aß plaque and neurofibrillary tangle pathology, hippocampal neural stem cell transplantation rescues the spatial learning and memory deficits in aged 3xTg-AD mice. Remarkably, cognitive function is improved without altering Aß or tau pathology. Instead, the mechanism underlying the improved cognition involves a robust enhancement of hippocampal synaptic density, mediated by brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Gain-of-function studies show that recombinant BDNF mimics the beneficial effects of NSC transplantation. Furthermore, loss-of-function studies show that depletion of NSC-derived BDNF fails to improve cognition or restore hippocampal synaptic density. Taken together, our findings demonstrate that neural stem cells can ameliorate complex behavioral deficits associated with widespread Alzheimer disease pathology via BDNF.

In addition to amyloid-β plaque and tau neurofibrillary tangle deposition, neuroinflammation is considered a key feature of Alzheimer’s disease pathology. Inflammation in Alzheimer's disease is characterized by the presence of reactive astrocytes and activated microglia surrounding amyloid plaques, implicating their role in disease pathogenesis. Microglia in the healthy adult mouse depend on colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) signalling for survival, and pharmacological inhibition of this receptor results in rapid elimination of nearly all of the microglia in the central nervous system. In this study, we set out to determine if chronically activated microglia in the Alzheimer's disease brain are also dependent on CSF1R signalling, and if so, how these cells contribute to disease pathogenesis. Ten-month-old 5xfAD mice were treated with a selective CSF1R inhibitor for 1 month, resulting in the elimination of ∼80% of microglia. Chronic microglial elimination does not alter amyloid-β levels or plaque load; however, it does rescue dendritic spine loss and prevent neuronal loss in 5xfAD mice, as well as reduce overall neuroinflammation. Importantly, behavioural testing revealed improvements in contextual memory. Collectively, these results demonstrate that microglia contribute to neuronal loss, as well as memory impairments in 5xfAD mice, but do not mediate or protect from amyloid pathology.

Alzheimer's disease (AD), the most prevalent age-related neurodegenerative disorder, is characterized pathologically by the accumulation of beta-amyloid (Abeta) plaques and tau-laden neurofibrillary tangles. Interestingly, up to 50% of AD cases exhibit a third prevalent neuropathology: the aggregation of alpha-synuclein into Lewy bodies. Importantly, the presence of Lewy body pathology in AD is associated with a more aggressive disease course and accelerated cognitive dysfunction. Thus, Abeta, tau, and alpha-synuclein may interact synergistically to promote the accumulation of each other. In this study, we used a genetic approach to generate a model that exhibits the combined pathologies of AD and dementia with Lewy bodies (DLB). To achieve this goal, we introduced a mutant human alpha-synuclein transgene into 3xTg-AD mice. As occurs in human disease, transgenic mice that develop both DLB and AD pathologies (DLB-AD mice) exhibit accelerated cognitive decline associated with a dramatic enhancement of Abeta, tau, and alpha-synuclein pathologies. Our findings also provide additional evidence that the accumulation of alpha-synuclein alone can significantly disrupt cognition. Together, our data support the notion that Abeta, tau, and alpha-synuclein interact in vivo to promote the aggregation and accumulation of each other and accelerate cognitive dysfunction.

Neurofibrillary tangles (NFTs) are composed of abnormal aggregates of the cytoskeletal protein tau. Together with amyloid β (Aβ) plaques and neuronal and synaptic loss, NFTs constitute the primary pathological hallmarks of Alzheimer disease (AD). Recent evidence also suggests that caspases are activated early in the progression of AD and may play a role in neuronal loss and NFT pathology. Here we demonstrate that tau is cleaved at D421 (ΔTau) by executioner caspases. Following caspase-cleavage, ΔTau facilitates nucleation-dependent filament formation and readily adopts a conformational change recognized by the early pathological tau marker MC1. ΔTau can be phosphorylated by glycogen synthase kinase-3β and subsequently recognized by the NFT antibody PHF-1. In transgenic mice and AD brains, ΔTau associates with both early and late markers of NFTs and is correlated with cognitive decline. Additionally, ΔTau colocalizes with Aβ1–42 and is induced by Aβ1–42 in vitro. Collectively, our data imply that Aβ accumulation triggers caspase activation, leading to caspase-cleavage of tau, and that this is an early event that may precede hyperphosphorylation in the evolution of AD tangle pathology. These results suggest that therapeutics aimed at inhibiting tau caspase-cleavage may prove beneficial not only in preventing NFT formation, but also in slowing cognitive decline.

Neurofibrillary tangles (NFTs) are composed of abnormal aggregates of the cytoskeletal protein tau. Together with amyloid β (Aβ) plaques and neuronal and synaptic loss, NFTs constitute the primary pathological hallmarks of Alzheimer disease (AD). Recent evidence also suggests that caspases are activated early in the progression of AD and may play a role in neuronal loss and NFT pathology. Here we demonstrate that tau is cleaved at D421 (ΔTau) by executioner caspases. Following caspase-cleavage, ΔTau facilitates nucleation-dependent filament formation and readily adopts a conformational change recognized by the early pathological tau marker MC1. ΔTau can be phosphorylated by glycogen synthase kinase-3β and subsequently recognized by the NFT antibody PHF-1. In transgenic mice and AD brains, ΔTau associates with both early and late markers of NFTs and is correlated with cognitive decline. Additionally, ΔTau colocalizes with Aβ1–42 and is induced by Aβ1–42 in vitro. Collectively, our data imply that Aβ accumulation triggers caspase activation, leading to caspase-cleavage of tau, and that this is an early event that may precede hyperphosphorylation in the evolution of AD tangle pathology. These results suggest that therapeutics aimed at inhibiting tau caspase-cleavage may prove beneficial not only in preventing NFT formation, but also in slowing cognitive decline.

Significance Neuroinflammation and activation of innate immunity are pathological hallmarks of Alzheimer’s disease (AD). In contrast, very few studies have examined the impact of the adaptive immune system in AD pathogenesis. Here, we find that genetic ablation of peripheral immune cell populations significantly accelerates amyloid pathogenesis, worsens neuroinflammation, and alters microglial activation state. Critically, it appears that loss of IgG-producing B cells impairs microglial phagocytosis, thereby exacerbating amyloid deposition. Conversely, replacement of IgGs via direct injection or bone marrow transplantation reverses these effects and reduces Aβ pathology. Together, these results highlight the importance of the adaptive immune system and its interactions with microglia in the pathogenesis of AD.

The accumulation of misfolded protein aggregates is a common feature of numerous neurodegenerative disorders including Alzheimer disease (AD). Here, we examined the effects of different assembly states of amyloid beta (Aβ) on proteasome function. We find that Aβ oligomers, but not monomers, inhibit the proteasome in vitro. In young 3xTg-AD mice, we observed impaired proteasome activity that correlates with the detection of intraneuronal Aβ oligomers. Blocking proteasome function in pre-pathological 3xTg-AD mice with specific inhibitors causes a marked increase in Aβ and tau accumulation, highlighting the adverse consequences of impaired proteasome activity for AD. Lastly, we show that Aβ immunotherapy in the 3xTg-AD mice reduces Aβ oligomers and reverses the deficits in proteasome activity. Taken together, our results indicate that Aβ oligomers impair proteasome activity, contributing to the age-related pathological accumulation of Aβ and tau. These findings provide further evidence that the proteasome represents a viable target for therapeutic intervention in AD.

Microglia, the principle immune cells of the brain, play important roles in neuronal development, homeostatic function and neurodegenerative disease. Recent genetic studies have further highlighted the importance of microglia in neurodegeneration with the identification of disease risk polymorphisms in many microglial genes. To better understand the role of these genes in microglial biology and disease, we, and others, have developed methods to differentiate microglia from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). While the development of these methods has begun to enable important new studies of microglial biology, labs with little prior stem cell experience have sometimes found it challenging to adopt these complex protocols. Therefore, we have now developed a greatly simplified approach to generate large numbers of highly pure human microglia. iPSCs are first differentiated toward a mesodermal, hematopoietic lineage using commercially available media. Highly pure populations of non-adherent CD43+ hematopoietic progenitors are then simply transferred to media that includes three key cytokines (M-CSF, IL-34, and TGFβ-1) that promote differentiation of homeostatic microglia. This updated approach avoids the prior requirement for hypoxic incubation, complex media formulation, FACS sorting, or co-culture, thereby significantly simplifying human microglial generation. To confirm that the resulting cells are equivalent to previously developed iPSC-microglia, we performed RNA-sequencing, functional testing, and transplantation studies. Our findings reveal that microglia generated via this simplified method are virtually identical to iPS-microglia produced via our previously published approach. To also determine whether a small molecule activator of TGFβ signaling (IDE1) can be used to replace recombinant TGFβ1, further reducing costs, we examined growth kinetics and the transcriptome of cells differentiated with IDE1. These data demonstrate that a microglial cell can indeed be produced using this alternative approach, although transcriptional differences do occur that should be considered. We anticipate that this new and greatly simplified protocol will enable many interested labs, including those with little prior stem cell or flow cytometry experience, to generate and study human iPS-microglia. By combining this method with other advances such as CRISPR-gene editing and xenotransplantation, the field will continue to improve our understanding of microglial biology and their important roles in human development, homeostasis, and disease.