Summary Gene therapies using adeno-associated viruses (AAVs) are amongst the most promising strategies to treat or even cure hereditary and acquired retinal diseases. However, the development of new efficient AAV vectors is slow and costly, largely because of the lack of suitable non-clinical models. By faithfully recreating structure and function of human tissues, human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived retinal organoids could become an essential part of the test cascade addressing translational aspects. Organ-on-Chip (OoC) technology further provides the capability to recapitulate microphysiological tissue environments as well as a precise control over structural and temporal parameters. By employing our recently developed Retina-on-chip that merges organoid and OoC-technology, we analyzed the efficacy, kinetics and cell tropism of seven first and second generation AAV vectors. The presented data demonstrate the potential of iPSC-based OoC models as the next generation of screening platforms for future gene therapeutic studies.

Abstract Pharmacological approaches to induce N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) hypofunction have been intensively used to understand the aetiology and pathophysiology of schizophrenia. Yet, the precise cellular and molecular mechanisms that relate to brain network dysfunction remain largely unknown. Here, we used a set of complementary approaches to assess the functional network abnormalities present in mice that underwent a 7-day subchronic phencyclidine (PCP 10mg/kg, subcutaneously, once daily) treatment. Our data revealed that pharmacological intervention with PCP affected cognitive performance and auditory evoked gamma oscillations in the prefrontal cortex (PFC) mimicking endophenotypes of some schizophrenia patients. We further assessed PFC cellular function and identified altered neuronal intrinsic membrane properties, reduced parvalbumin (PV) immunostaining and diminished inhibition onto L5 PFC pyramidal cells. A decrease in the strength of optogenetically-evoked glutamatergic current at the ventral hippocampus (HPC) to PFC synapse was also demonstrated, along with a weaker shunt of excitatory transmission by local PFC interneurons. On a macrocircuit level, functional ultrasound measurements indicated compromised functional connectivity within several brain regions particularly involving PFC and frontostriatal circuits. Herein, we reproduced a panel of schizophrenia endophenotypes induced by subchronic PCP application in mice. We further recapitulated electrophysiological signatures associated with schizophrenia and provided an anatomical reference to critical elements in the brain circuitry. Together, our findings contribute to a better understanding of the physiological underpinnings of deficits induced by subchronic NMDAR antagonist regimes and provide a test system for characterization of pharmacological compounds. Highlights Subchronic PCP treatment alters cognitive performance and evoked gamma synchronization in the prefrontal cortex. Subchronic PCP reduces number of parvalbumin-positive boutons and inhibitory synaptic transmission onto pyramidal neurons in layer 5/6 of the prelimbic cortex. Subchronic PCP reduces the strength of ventral hippocampal inputs to the medial prefrontal cortex. Frontostriatal circuits show robust dysconnectivity after subchronic PCP treatment. Abstract

Abstract Cognitive flexibility, the capacity to adapt behaviour to changes in the environment, is impaired in a range of brain disorders, including substance use disorder and Parkinson’s disease. Putative neural substrates of cognitive flexibility include mesencephalic pathways to the ventral striatum (VS) and dorsomedial striatum (DMS), hypothesised to encode learning signals needed to maximize rewarded outcomes during decision-making. However, it is unclear whether mesencephalic projections to the ventral and dorsal striatum are distinct in their contribution to flexible reward-related learning. Here, rats acquired a two-choice spatial probabilistic reversal learning (PRL) task, reinforced on an 80%:20% basis, that assessed the flexibility of behaviour to repeated reversals of response-outcome contingencies. We report that optogenetic stimulation of projections from the ventral tegmental area (VTA) to the nucleus accumbens shell (NAcbS) in the VS significantly impaired reversal learning when optical stimulation was temporally aligned with negative feedback (i.e., reward omission). Moreover, the exploitation-exploration parameter, β , was increased (indicating greater exploitation of information) when this pathway was optogenetically stimulated after a spurious loss (i.e. an incorrect (20%) response at the 80% reinforrced location) compared to after a spurious win (i.e. a correct (20%) response at the 20% reinforced location). VTA → NAcbS stimulation during other phases of the behavioural task was without effect. Optogenetic stimulation of projection neurons from the substantia nigra (SN) to the DMS, aligned either with reward receipt or omission or prior to making a choice, had no effect on reversal learning. These findings are consistent with the notion that enhanced activity in VTA → NAcbS projections leads to maladaptive perseveration as a consequence of an inappropriate bias to exploitation via positive reinforcement.

Abstract Prion-like transmission of pathology in α-synucleinopathies like Parkinson’s disease or multiple system atrophy is increasingly recognized as one potential mechanism to address disease progression. Active and passive immunotherapies targeting insoluble, aggregated α-synuclein are already being actively explored in the clinic with mixed outcomes so far. Here, we report the identification of 306C7B3, a highly selective, aggregate-specific α-synuclein antibody with picomolar affinity devoid of binding to the monomeric, physiologic protein. 306C7B3 binding is Ser129-phosphorylation independent and shows high affinity to several different aggregated α-synuclein polymorphs, increasing the likelihood that it can also bind to the pathological seeds assumed to drive disease progression in patients. In support of this, highly selective binding to pathological aggregates in postmortem brains of MSA patients was demonstrated, with no staining in samples from other human neurodegenerative diseases. To achieve CNS exposure of 306C7B3, an Adeno-Associated Virus (AAV) based approach driving expression of the secreted antibody within the brain of (Thy-1)-[A30P]-hα-Synuclein mice was used. Widespread central transduction after intrastriatal inoculation was ensured by using the AAV2HBKO serotype, with transduction being spread to areas far away from the inoculation site. Treatment of (Thy-1)-[A30P]-hα-Synuclein mice at the age of 12 months demonstrated significantly increased survival, with 306C7B3 concentration reaching 3.9 nM in the cerebrospinal fluid. These results suggest that AAV-mediated expression of 306C7B3 has great potential as a disease-modifying therapy for α-synucleinopathies as it ensures CNS exposure of the antibody, thereby mitigating the selective permeability of the blood-brain barrier.

Abstract Background & aim Recurring epithelial injury and aberrant repair are considered as a major driver of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) leading to chronic inflammation, fibroblast activation and ultimately to scarring and stiffening of the lung. As decline of lung function is the first reported symptom by IPF patients and occurs once fibrosis is firmly established, animal models are required to study early disease-driving mechanisms. Methods We developed a novel and flexible mouse model of acute epithelial injury based on adeno-associated virus (AAV) variant 6.2 mediated expression of the human diphtheria toxin receptor (DTR). Following intratracheal administration of diphtheria toxin (DT), a cell-specific death of bronchial epithelial and alveolar epithelial type II cells can be observed. Results Detailed characterization of the AAV-DTR/DT mouse model revealed increasing cell numbers in bronchoalveolar lavage (BAL; macrophages, neutrophils, and atypical cells) and elevation of apoptotic cells and infiltrated leukocytes in lung tissue, which were dependent of viral genome load and DT dose. Cytokine levels in BAL fluid showed different patterns dependent of viral genome load with IFNγ, TNFα, and IP-10 increasing and IL-5 and IL-6 decreasing, while lung function was not affected. Additionally, laser-capture microdissection-based proteomics of bronchial and alveolar epithelium showed upregulated immune and inflammatory response in all epithelial cell regions and extracellular matrix deposition in infiltrated alveoli, while proteins involved in pulmonary surfactant synthesis, alveolar fluid clearance and alveolar-capillary barrier were downregulated in the parenchyma. Conclusion Our novel AAV-DTR/DT model resembles specific aspects of pulmonary diseases like IPF and acute respiratory distress syndrome. Short summary for social media A novel and flexible mouse model of acute epithelial lung injury based on AAV-mediated expression of the human diphtheria toxin receptor followed by intratracheal instillation of diphtheria toxin resembles specific aspects of pulmonary diseases like IPF.