Abstract Aims Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a multifactorial neurodegenerative disease characterised by the loss of upper and lower motor neurons. Neuroinflammation mediated by microglial activation is evident in post-mortem brain tissues, and in brain imaging of patients with ALS. However, the exact role of microglia in ALS remains to be elucidated partly due to the lack of an accurate microglial model system that is able to recapitulate the clinical pathology of ALS. Moreover, direct sampling of microglia from patients with ALS is not feasible, further limiting the study of microglial function in ALS. To address this shortcoming, we describe an approach that generates monocyte-derived microglia (MDMi) that are capable of expressing molecular markers, and functional characteristics similar to resident human brain microglia. Importantly, MDMi can be routinely and reproducibly generated from ALS patient blood, and reveal patient heterogeneity associated with age, sex and disease subgroup. Methods MDMi were successfully established from all 30 ALS patients, including 15 patients with slow disease progression, 6 with intermediate progression, and 9 with rapid progression, together with 20 non-affected heathy controls (HC). Results Our ALS MDMi model recapitulated canonical pathological features of ALS including non-phosphorylated and phosphorylated-TDP-43-positive pathological inclusions. We further observed significantly impaired phagocytosis, altered cytokine expression and microglial morphology, as well as elevated DNA damage in ALS compared to HC MDMi. Abnormal phagocytosis was observed in all ALS cases, and was correlated to the progression of disease. Moreover, in-depth analysis of individual microglia revealed cell-specific variation in phagocytic function that was significantly altered, and exacerbated in rapid disease progression. Conclusions Our approach enabled us to generate ALS patient microglia from peripheral blood samples using a rapid, robust, cost-effective, and reproducible protocol. We have shown that ALS monocyte-derived microglia have significantly altered functional behaviour compared to age-matched HCs, with a major deficit in phagocytic activity. This is also the first demonstration of abnormal TDP-43 localisation in microglia grown from ALS patients. Overall, this approach is highly applicable to monitor disease progression and can be applied as a functional readout in clinical trials for anti-neuroinflammatory agents. Additionally, this model system can be used as a basis for personalised therapeutic treatment for ALS, as well as other neurodegenerative diseases.

Abstract The scarcity of effective biomarkers and therapeutic strategies for predicting disease onset and progression in Alzheimer’s disease (AD) is a major challenge to improve much-needed therapeutic outcomes. Conventional drug discovery approaches have been unsuccessful in providing efficient interventions due to their ‘one-size-fits-all’ nature. As an alternative, personalised drug development holds promise to pre-select responders and identify suitable drug efficacy indicators. In this study, we established a preclinical drug testing strategy by assessing the efficacy of anti-inflammatory drugs in 2D and 3D in vitro models of monocyte-derived microglia-like cells (MDMi) derived from AD and mild cognitive impairment (MCI) patients, and matched healthy individuals. We observed that the cytokine inflammatory profiles of MDMi in response to drugs clustered separately between cohorts, with the 3D model showing a more defined separation between healthy and patient donors than 2D. By ranking donor and cytokine responses to drugs, we identified that drug efficacy was limited in AD patients and involved cohort-specific responsive cytokines. Our findings suggest that MDMi models have the potential to predict disease progression, stratify responders and identify biomarkers for estimating the efficacy of microglia-targeted drugs. Together, our pipeline could serve as a valuable tool to enhance the clinical translational value of preclinical drug screens and ultimately improve drug outcomes for AD.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is an incurable neurodegenerative disorder with a rapidly increasing prevalence worldwide. Current approaches targeting hallmark pathological features of AD have had no consistent clinical benefit. Neuroinflammation is a major contributor to neurodegeneration and hence, microglia, the brain’s resident immune cells, are an attractive target for potentially more effective therapeutic strategies. However, there is no current in vitro model system that faithfully recapitulates patient-specific microglial characteristics. To address this shortcoming, we developed novel 3D models of monocyte-derived microglia-like cells (MDMi) from AD patients. MDMi in 3D exhibited mature microglial features, including a highly branched morphology and enhanced bonafide microglial marker expression compared to 2D. Moreover, AD MDMi in 3D co-cultures with neuro-glial cells showed altered cell-to-cell interactions, growth factor and cytokine secretion profiles and responses to amyloid-β. Drug screening assays in 3D AD MDMi revealed different cytokine responses compared to 2D. Our study demonstrates disease- and drug-specific responses in 3D MDMi models that are not apparent in 2D and presents a new 3D platform for more effective and personalised drug testing.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent cause of dementia characterised by progressive cognitive decline. Addressing neuroinflammation represents a promising therapeutic avenue to treat AD, however, the development of effective anti-neuroinflammatory compounds is often hindered by their limited blood-brain barrier (BBB) permeability. Consequently, there is an urgent need for accurate, preclinical AD patient-specific BBB models to facilitate the early identification of immunomodulatory drugs capable of efficiently crossing human AD BBB. This study presents a unique approach to BBB drug permeability screening as it utilises the familial AD patient-derived induced brain endothelial-like cells (iBEC)-based model, which exhibits increased disease relevance and serves as an improved BBB drug permeability assessment tool when compared to traditionally employed in vitro models. To demonstrate its utility as a small molecule drug candidate screening platform, we investigated the effects of Cu II (atsm) and a library of novel metal bis(thiosemicarbazone) complexes – a class of compounds exhibiting anti-neuroinflammatory therapeutic potential in neurodegenerative disorders. By evaluating the toxicity, cellular accumulation and permeability of those compounds in the AD patient-derived iBEC, we have identified Cu II (dtsm) as an emerging drug candidate with enhanced transport across the AD BBB. Furthermore, we have developed a multiplex approach where AD patient-derived iBEC were combined with immune modulators TNFα and IFNγ to establish an in vitro model representing the characteristic neuroinflammatory phenotype at the patient’s BBB. Here we observed that treatment with Cu II (dtsm) not only reduced the expression of proinflammatory cytokine genes but also reversed the detrimental effects of TNFα and IFNψ on the integrity and function of the AD iBEC monolayer. This suggests a novel pathway through which copper bis(thiosemicarbazone) complexes may exert neurotherapeutic effects in AD by mitigating BBB neuroinflammation and related BBB integrity impairment. Together, the presented model provides an effective and easily scalable in vitro BBB platform for screening AD drug candidates. Its improved translational potential makes it a valuable tool for advancing the development of metal-based compounds aimed at modulating neuroinflammation in AD. Graphical abstract

Abstract An early symptom of Alzheimer’s disease (AD) is an impaired sense of smell, for which the molecular basis remains elusive. Here, we generated human olfactory neurosphere-derived (ONS) cells from people with AD and mild cognitive impairment (MCI), and performed global RNA sequencing to determine gene expression changes. ONS cells expressed markers of neuroglial differentiation, providing a unique cellular model to explore early AD-associated disease pathways. Our transcriptomics data from ONS cells revealed differentially expressed genes (DEGs) associated with cognitive processes in AD cells compared to MCI, or matched healthy controls (HC). A-Kinase Anchoring Protein 6 ( AKAP6) was the most significantly altered gene in AD compared to both MCI and HC, and has been linked to cognitive function. The greatest change in gene expression of all DEGs occurred between AD and MCI. Gene pathway analysis revealed defects in multiple cellular processes with aging, intellectual deficiency and alternative splicing being the most significantly dysregulated in AD ONS cells. Our results demonstrate that ONS cells can provide a cellular model for AD that recapitulates disease-associated differences. We have revealed potential novel genes, including AKAP6 that may have a role in AD, particularly MCI to AD transition, and should be further examined.