[ 11 C]PBR28 binds the 18-kDa Translocator Protein (TSPO) and is used in positron emission tomography (PET) to detect microglial activation. However, quantitative interpretations of signal are confounded by large interindividual variability in binding affinity, which displays a trimodal distribution compatible with a codominant genetic trait. Here, we tested directly for an underlying genetic mechanism to explain this. Binding affinity of PBR28 was measured in platelets isolated from 41 human subjects and tested for association with polymorphisms in TSPO and genes encoding other proteins in the TSPO complex. Complete agreement was observed between the TSPO Ala147Thr genotype and PBR28 binding affinity phenotype (P value = 3.1 times10 −13 ). The TSPO Ala147Thr polymorphism predicts PBR28 binding affinity in human platelets. As all second-generation TSPO PET radioligands tested hitherto display a trimodal distribution in binding affinity analogous to PBR28, testing for this polymorphism may allow quantitative interpretation of TSPO PET studies with these radioligands.

Objective: The purpose of this study was to determine whether microglial activity, measured using translocator-protein positron emission tomography (PET) imaging, is increased in unmedicated persons presenting with subclinical symptoms indicating that they are at ultra high risk of psychosis and to determine whether microglial activity is elevated in schizophrenia after controlling for a translocator-specific genetic polymorphism. Method: The authors used the second-generation radioligand [11C]PBR28 and PET to image microglial activity in the brains of participants at ultra high risk for psychosis. Participants were recruited from early intervention centers. The authors also imaged a cohort of patients with schizophrenia and matched healthy subjects for comparison. In total, 56 individuals completed the study. At screening, participants were genotyped to account for the rs6971 polymorphism in the gene encoding the 18Kd translocator protein. The main outcome measure was total gray matter [11C]PBR28 binding ratio, representing microglial activity. Results: [11C]PBR28 binding ratio in gray matter was elevated in ultra-high-risk participants compared with matched comparison subjects (Cohen’s d >1.2) and was positively correlated with symptom severity (r=0.730). Patients with schizophrenia also demonstrated elevated microglial activity relative to matched comparison subjects (Cohen’s d >1.7). Conclusions: Microglial activity is elevated in patients with schizophrenia and in persons with subclinical symptoms who are at ultra high risk of psychosis and is related to at-risk symptom severity. These findings suggest that neuroinflammation is linked to the risk of psychosis and related disorders, as well as the expression of subclinical symptoms.

¹¹C-PBR28 PET can detect the 18-kDa translocator protein (TSPO) expressed within macrophages. However, quantitative evaluation of the signal in brain tissue from donors with multiple sclerosis (MS) shows that PBR28 binds the TSPO with high affinity (binding affinity [K_i], ∼4 nM), low affinity (K_i, ∼200 nM), or mixed affinity (2 sites with K_i, ∼4 nM and ∼300 nM). Our study tested whether similar binding behavior could be detected in brain tissue from donors with no history of neurologic disease, with TSPO-binding PET ligands other than ¹¹C-PBR28, for TSPO present in peripheral blood, and with human brain PET data acquired in vivo with ¹¹C-PBR28. Methods: The affinity of TSPO ligands was measured in the human brain postmortem from donors with a history of MS (n = 13), donors without any history of neurologic disease (n = 20), and in platelets from healthy volunteers (n = 13). Binding potential estimates from thirty-five ¹¹C-PBR28 PET scans from an independent sample of healthy volunteers were analyzed using a gaussian mixture model. Results: Three binding affinity patterns were found in brains from subjects without neurologic disease in similar proportions to those reported previously from studies of MS brains. TSPO ligands showed substantial differences in affinity between subjects classified as high-affinity binders (HABs) and low-affinity binders (LABs). Differences in affinity between HABs and LABs are approximately 50-fold with PBR28, approximately 17-fold with PBR06, and approximately 4-fold with DAA1106, DPA713, and PBR111. Where differences in affinity between HABs and LABs were low (∼4-fold), distinct affinities were not resolvable in binding curves for mixed-affinity binders (MABs), which appeared to express 1 class of sites with an affinity approximately equal to the mean of those for HABs and LABs. Mixed-affinity binding was detected in platelets from an independent sample (HAB, 69%; MAB, 31%), although LABs were not detected. Analysis of ¹¹C-PBR28 PET data was not inconsistent with the existence of distinct subpopulations of HABs, MABs, and LABs. Conclusion: With the exception of ¹¹C-PK11195, all TSPO PET ligands in current clinical application recognize HABs, LABs, and MABs in brain tissue in vitro. Knowledge of subjects’ binding patterns will be required to accurately quantify TSPO expression in vivo using PET.

We sought to determine whether intraplaque inflammation could be measured with positron emission tomography/computed tomography angiography (PET/CTA) using 11C-PK11195, a selective ligand of the translocator protein (18 kDa) (TSPO) which is highly expressed by activated macrophages. Patients (n = 32; mean age 70 ± 9 years) with carotid stenoses (n = 36; 9 symptomatic and 27 asymptomatic) underwent 11C-PK11195 PET/CTA imaging. 11C-PK11195 uptake into carotid plaques was measured using target-to-background ratios (TBR). On CTA images, plaque composition was assessed by measuring CT attenuation of the carotid plaque. Eight patients underwent carotid endarterectomy and ultrathin contiguous sections were processed for TSPO and CD68 (using immunohistochemical staining, 3H-PK11195 autoradiography, and confocal fluorescence microscopy). Carotid plaques associated with ipsilateral symptoms (stroke or transient ischaemic attack) had higher TBR (1.06 ± 0.20 vs. 0.86 ± 0.11, P = 0.001) and lower CT attenuation [(median, inter-quartile range) 37, 24–40 vs. 71, 56–125 HU, P = 0.01] than those without. On immunohistochemistry and confocal fluorescence microscopy, CD68 and PBR co-localized with 3H-PK11195 uptake at autoradiography. There was a significant correlation between 11C-PK11195 TBR and autoradiographic percentage-specific binding (r = 0.77, P = 0.025). Both TBR and CT plaque attenuation had high negative predictive values (91 and 92%, respectively) for detecting symptomatic patients. However, the best positive predictive value (100%) was achieved when TBR and CT attenuation were combined. Imaging intraplaque inflammation in vivo with 11C-PK11195 PET/CTA is feasible and can distinguish between recently symptomatic and asymptomatic plaques. Patients with a recent ischaemic event had ipsilateral plaques with lower CT attenuation and increased 11C-PK11195 uptake.

Abstract Microglial activation plays central roles in neuro-inflammatory and neurodegenerative diseases. Positron emission tomography (PET) targeting 18kDa Translocator Protein (TSPO) is widely used for localising inflammation in vivo , but its quantitative interpretation remains uncertain. We show that TSPO expression increases in activated microglia in mouse brain disease models but does not change in a non-human primate disease model or in common neurodegenerative and neuroinflammatory human diseases. We describe genetic divergence in the TSPO gene promoter, consistent with the hypothesis that the increase in TSPO expression in activated myeloid cells is unique to a subset of species within the Muroidea superfamily of rodents. We show that TSPO is mechanistically linked to classical pro-inflammatory myeloid cell function in rodents but not humans. These data emphasise that TSPO expression in human myeloid cells is related to different phenomena than in mice, and that TSPO PET reflects density of inflammatory cells rather than activation state.

Abstract Brain perfusion and normal blood brain barrier integrity are reduced early in Alzheimer’s disease (AD). We performed single nucleus RNA sequencing of vascular cells isolated from AD and control brains to characterise pathological transcriptional signatures. We found that endothelial cells (EC) are enriched for expression of genes associated with susceptibility to AD. EC transcriptional signatures identified mechanisms for impaired β-amyloid clearance. Evidence for immune activation was found with upregulation of interferon signalling genes in EC and in pericytes (PC). Transcriptional signatures suggested dysregulation of vascular homeostasis and angiogenesis with upregulation of pro-angiogenic signals ( HIF1A ) and metabolism in EC, but downregulation of homeostatic growth factor pathways (VEGF, EGF, insulin) in EC and PC and of extracellular matrix genes in fibroblasts (FB). Our genomic dissection of vascular cell risk gene enrichment suggests a potentially causal role for EC and defines transcriptional signatures associated with microvascular dysfunction in AD.

Abstract To better define roles that astrocytes and microglia play in Alzheimer’s disease (AD), we used single-nuclei RNA sequencing to comprehensively characterize transcriptomes in astrocyte and microglia nuclei isolated post mortem from neuropathologically-defined AD and control brains with a range of amyloid-beta and phospho-tau (pTau) pathology. Significant differences in glial gene expression (including AD risk genes expressed in astrocytes [ CLU, MEF2C, IQCK ] and microglia [ APOE, MS4A6A, PILRA ]) were correlated with tissue amyloid and pTau expression. Astrocytes were enriched for proteostatic, inflammatory and metal ion homeostasis pathways. Pathways for phagocytosis, proteostasis and autophagy were highly enriched in microglia and perivascular macrophages. Gene co-expression analyses revealed potential functional associations of soluble biomarkers of AD in astrocytes ( CLU ) and microglia ( GPNMB ). Our work highlights responses of both astrocytes and microglia for pathological protein clearance and inflammation, as well as glial transcriptional diversity in AD.

Abstract Parkinson’s disease (PD), Parkinson’s disease with dementia (PDD) and dementia with Lewy bodies (DLB) are three clinically, genetically and neuropathologically overlapping neurodegenerative diseases collectively known as the Lewy body diseases (LBDs). A variety of molecular mechanisms have been implicated in PD pathogenesis, but the mechanisms underlying PDD and DLB remain largely unknown, a knowledge gap that presents an impediment to the discovery of disease-modifying therapies. Transcriptomic profiling can contribute to addressing this gap, but remains limited in the LBDs. Here, we applied paired bulk-tissue and single-nucleus RNA-sequencing to anterior cingulate cortex samples derived from 28 individuals, including healthy controls, PD, PDD and DLB cases (n = 7 per group), to transcriptomically profile the LBDs. Using this approach, we (i) found transcriptional alterations in multiple cell types across the LBDs; (ii) discovered evidence for widespread dysregulation of RNA splicing, particularly in PDD and DLB; (iii) identified potential splicing factors, with links to other dementia-related neurodegenerative diseases, coordinating this dysregulation; and (iv) identified transcriptomic commonalities and distinctions between the LBDs that inform understanding of the relationships between these three clinical disorders. Together, these findings have important implications for the design of RNA-targeted therapies for these diseases and highlight a potential molecular “window” of therapeutic opportunity between the initial onset of PD and subsequent development of Lewy body dementia.

Brain perfusion and blood-brain barrier (BBB) integrity are reduced early in Alzheimer's disease (AD). We performed single nucleus RNA sequencing of vascular cells isolated from AD and non-diseased control brains to characterise pathological transcriptional signatures responsible for this. We show that endothelial cells (EC) are enriched for expression of genes associated with susceptibility to AD. Increased β-amyloid is associated with BBB impairment and a dysfunctional angiogenic response related to a failure of increased pro-angiogenic HIF1A to increased VEGFA signalling to EC. This is associated with vascular inflammatory activation, EC senescence and apoptosis. Our genomic dissection of vascular cell risk gene enrichment provides evidence for a role of EC pathology in AD and suggests that reducing vascular inflammatory activation and restoring effective angiogenesis could reduce vascular dysfunction contributing to the genesis or progression of early AD.

Multiple lines of evidence point to peripheral immune alterations in bipolar disorder (BD) although the activity of brain immune mechanisms remain largely unexplored. To identify the cell type-specific immune alterations in the BD brain, we performed a proteomic and single nuclear transcriptomic analysis of postmortem cingulate cortex samples from BD and control subjects. Our results showed that genes associated to the genetic risk for BD are enriched in microglia and astrocytes. Transcriptomic alterations in microglia point to a reduced proinflammatory phenotype, associated to reduced resistance to oxidative stress and apoptosis, which was confirmed with immunohistochemical quantification of IBA1 density. Astrocytes show transcriptomic evidence of an imbalance of multiple metabolic pathways, extracellular matrix composition and downregulated immune signalling. These alterations are associated to ADCY2 and NCAN, two GWAS genes upregulated in astrocytes. Finally, cell-cell communication analysis prioritized upregulated SPP1-CD44 signalling to astrocytes as a potential regulator of the transcriptomic alterations in BD. Our results indicate that microglia and astrocytes are characterized by downregulated immune responses associated to a dysfunction of core mechanisms via which these cells contribute to brain homeostasis.