Infection-related diabetes can arise as a result of virus-associated β-cell destruction. Clinical data suggest that the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), causing the coronavirus disease 2019 (COVID-19), impairs glucose homoeostasis, but experimental evidence that SARS-CoV-2 can infect pancreatic tissue has been lacking. In the present study, we show that SARS-CoV-2 infects cells of the human exocrine and endocrine pancreas ex vivo and in vivo. We demonstrate that human β-cells express viral entry proteins, and SARS-CoV-2 infects and replicates in cultured human islets. Infection is associated with morphological, transcriptional and functional changes, including reduced numbers of insulin-secretory granules in β-cells and impaired glucose-stimulated insulin secretion. In COVID-19 full-body postmortem examinations, we detected SARS-CoV-2 nucleocapsid protein in pancreatic exocrine cells, and in cells that stain positive for the β-cell marker NKX6.1 and are in close proximity to the islets of Langerhans in all four patients investigated. Our data identify the human pancreas as a target of SARS-CoV-2 infection and suggest that β-cell infection could contribute to the metabolic dysregulation observed in patients with COVID-19.

Clonogenic neural stem cells (NSCs) are self-renewing cells that maintain the capacity to differentiate into brain-specific cell types, and may also replace or repair diseased brain tissue. NSCs can be directly isolated from fetal or adult nervous tissue, or derived from embryonic stem cells. Here, we describe the efficient conversion of human adult bone marrow stromal cells (hMSC) into a neural stem cell-like population (hmNSC, for human marrow-derived NSC-like cells). These cells grow in neurosphere-like structures, express high levels of early neuroectodermal markers, such as the proneural genes NeuroD1, Neurog2, MSl1 as well as otx1 and nestin, but lose the characteristics of mesodermal stromal cells. In the presence of selected growth factors, hmNSCs can be differentiated into the three main neural phenotypes: astroglia, oligodendroglia and neurons. Clonal analysis demonstrates that individual hmNSCs are multipotent and retain the capacity to generate both glia and neurons. Our cell culture system provides a powerful tool for investigating the molecular mechanisms of neural differentiation in adult human NSCs. hmNSCs may therefore ultimately help to treat acute and chronic neurodegenerative diseases.

Autosomal-recessive early-onset parkinsonism is clinically and genetically heterogeneous. The genetic causes of approximately 50% of autosomal-recessive early-onset forms of Parkinson disease (PD) remain to be elucidated. Homozygozity mapping and exome sequencing in 62 isolated individuals with early-onset parkinsonism and confirmed consanguinity followed by data mining in the exomes of 1,348 PD-affected individuals identified, in three isolated subjects, homozygous or compound heterozygous truncating mutations in vacuolar protein sorting 13C (VPS13C). VPS13C mutations are associated with a distinct form of early-onset parkinsonism characterized by rapid and severe disease progression and early cognitive decline; the pathological features were striking and reminiscent of diffuse Lewy body disease. In cell models, VPS13C partly localized to the outer membrane of mitochondria. Silencing of VPS13C was associated with lower mitochondrial membrane potential, mitochondrial fragmentation, increased respiration rates, exacerbated PINK1/Parkin-dependent mitophagy, and transcriptional upregulation of PARK2 in response to mitochondrial damage. This work suggests that loss of function of VPS13C is a cause of autosomal-recessive early-onset parkinsonism with a distinctive phenotype of rapid and severe progression. Autosomal-recessive early-onset parkinsonism is clinically and genetically heterogeneous. The genetic causes of approximately 50% of autosomal-recessive early-onset forms of Parkinson disease (PD) remain to be elucidated. Homozygozity mapping and exome sequencing in 62 isolated individuals with early-onset parkinsonism and confirmed consanguinity followed by data mining in the exomes of 1,348 PD-affected individuals identified, in three isolated subjects, homozygous or compound heterozygous truncating mutations in vacuolar protein sorting 13C (VPS13C). VPS13C mutations are associated with a distinct form of early-onset parkinsonism characterized by rapid and severe disease progression and early cognitive decline; the pathological features were striking and reminiscent of diffuse Lewy body disease. In cell models, VPS13C partly localized to the outer membrane of mitochondria. Silencing of VPS13C was associated with lower mitochondrial membrane potential, mitochondrial fragmentation, increased respiration rates, exacerbated PINK1/Parkin-dependent mitophagy, and transcriptional upregulation of PARK2 in response to mitochondrial damage. This work suggests that loss of function of VPS13C is a cause of autosomal-recessive early-onset parkinsonism with a distinctive phenotype of rapid and severe progression.

Heterozygous mutations of the gene encoding the postsynaptic protein SHANK3 are associated with syndromic forms of autism spectrum disorders (ASDs). One of the earliest clinical symptoms in SHANK3-associated ASD is neonatal skeletal muscle hypotonia. This symptom can be critical for the early diagnosis of affected children; however, the mechanism mediating hypotonia in ASD is not completely understood. Here, we used a combination of patient-derived human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), Shank3Δ11(-/-) mice, and Phelan-McDermid syndrome (PMDS) muscle biopsies from patients of different ages to analyze the role of SHANK3 on motor unit development. Our results suggest that the hypotonia in SHANK3 deficiency might be caused by dysfunctions in all elements of the voluntary motor system: motoneurons, neuromuscular junctions (NMJs), and striated muscles. We found that SHANK3 localizes in Z-discs in the skeletal muscle sarcomere and co-immunoprecipitates with α-ACTININ. SHANK3 deficiency lead to shortened Z-discs and severe impairment of acetylcholine receptor clustering in hiPSC-derived myotubes and in muscle from Shank3Δ11(-/-) mice and patients with PMDS, indicating a crucial role for SHANK3 in the maturation of NMJs and striated muscle. Functional motor defects in Shank3Δ11(-/-) mice could be rescued with the troponin activator Tirasemtiv that sensitizes muscle fibers to calcium. Our observations give insight into the function of SHANK3 besides the central nervous system and imply potential treatment strategies for SHANK3-associated ASD.

ABSTRACT Usually, pandemic COVID-19 disease, caused by SARS-CoV2, presents with mild respiratory symptoms such as fever, cough but frequently also with anosmia and neurological symptom. Virus-cell fusion is mediated by Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2) and Transmembrane Serine Protease 2 (TMPRSS2) with their organ expression pattern determining viral tropism. Clinical presentation suggests rapid viral dissemination to central nervous system leading frequently to severe symptoms including viral meningitis. Here, we provide a comprehensive expression landscape of ACE2 and TMPRSS2 proteins across human, post-mortem nasal and olfactory tissue. Sagittal sections through the human nose complemented with immunolabelling of respective cell types represent different anatomically defined regions including olfactory epithelium, respiratory epithelium of the nasal conchae and the paranasal sinuses along with the hardly accessible human olfactory bulb. ACE2 can be detected in the olfactory epithelium, as well as in the respiratory epithelium of the nasal septum, the nasal conchae and the paranasal sinuses. ACE2 is located in the sustentacular cells and in the glandular cells in the olfactory epithelium, as well as in the basal cells, glandular cells and epithelial cells of the respiratory epithelium. Intriguingly, ACE2 is not expressed in mature or immature olfactory receptor neurons and basal cells in the olfactory epithelium. Similarly ACE2 is not localized in the olfactory receptor neurons albeit the olfactory bulb is positive. Vice versa, TMPRSS2 can also be detected in the sustentacular cells and the glandular cells of the olfactory epithelium. Our findings provide the basic anatomical evidence for the expression of ACE2 and TMPRSS2 in the human nose, olfactory epithelium and olfactory bulb. Thus, they are substantial for future studies that aim to elucidate the symptom of SARS-CoV2 induced anosmia of via the olfactory pathway.

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 Background KCNQ2 , encoding K V 7.2 ion channels, has emerged as one of the prominent genes causing early onset seizures with developmental delay ( KCNQ2 developmental and epileptic encephalopathy; KCNQ2 -DEE). KCNQ2 de novo loss-of-function (LOF) and associated neuronal hyperexcitability have been accepted as mechanisms contributing to seizures. To investigate the developmental impact of KCNQ2 LOF, we generated patient iPSC-derived models for two previously reported de novo variants, p.(Arg325Gly) and p.(Gly315Arg), linked to severe congenital DEE. Methods Functional investigation of the two variants was initially performed in Xenopus laevis oocyte system. Patient-derived iPSC lines were differentiated using NGN2- and embryoid body-based protocols yielding neurons roughly corresponding to mid- and mid-late gestational stages, respectively. K V 7- mediated M-current, passive neuronal properties, action potential generation and spontaneous oscillatory network activities were analysed with whole-cell patch clamping. Findings Studied KCNQ2 variants showed LOF with a dominant-negative effect in the heterologous system. Reduced M-currents in patient iPSC-derived neurons corroborated a LOF as the main pathomechanism. Interestingly, this led to the reduced neuronal firing of the early neurons and to a disruption of complex oscillatory activity, with significantly reduced duration and amplitude of these events in patient iPSC-derived neurons. Interpretation We provide experimental evidence for changing roles of the M-current throughout development and place disease variant-mediated M-current reduction in the context of the neuronal maturation in the prenatal brain. Based on the reduced neuronal firing and disrupted oscillatory activity seen in patient iPSC-derived neurons, we propose that a delayed/impaired maturation of neuronal and network properties underlies KCNQ -DEE caused by LOF variants.

Abstract Disorders of the eye leading to visual impairment are a major issue that affects millions of people. On the other side ocular toxicities were described for e.g. molecularly targeted therapies in oncology and may hamper their development. Current ocular model systems feature a number of limitations affecting human-relevance and availability. To find new options for pharmacological treatment and assess mechanisms of toxicity, hence, novel complex model systems that are human-relevant and readily available are urgently required. Here, we report the development of a human immunocompetent Choroid-on-Chip (CoC), a human cell-based in vitro model of the choroid layer of the eye integrating melanocytes and microvascular endothelial cells, covered by a layer of retinal pigmented epithelial cells. Immunocompetence is achieved by perfusion of peripheral immune cells. We demonstrate controlled immune cell recruitment into the stromal compartments through a vascular monolayer and in vivo-like cytokine release profiles. To investigate applicability for both efficacy testing of immunosuppressive compounds as well as safety profiling of immunoactivating antibodies, we exposed the CoCs to cyclosporine and tested CD3 bispecific antibodies. Abstract Figure Graphical Abstract

Abstract Age-related macular degeneration (AMD) is among the most common causes of irreversible vision loss. Disease progression is strongly associated with age-related pathological changes of retinal pigment epithelial (RPE) cells, such as accumulation of intracellular lipid-containing cell debris, extracellular lipid-rich deposits (drusen) and collagen-rich basal laminar deposits. Current AMD models provide a limited understanding of the complex pathomechanisms, revealing the lack of adequate physiological human AMD models. In this study, we developed an in vitro model applicable for the exploration of AMD pathomechanisms and risk factors for AMD progression and drusen formation. Advanced 3D culturing technologies allow long-term cultivation of hiPSC-derived RPE organoids (RPEorg) for up to 360 days, which is the time frame necessary for the development of an AMD-like phenotype. Aged RPEorg exhibit hallmarks of AMD and age-related alterations such as increased autofluorescence, accumulation of lipid droplets, calcification, and the formation of extracellular clusters of the drusen-associated proteins such as apolipoprotein E (APOE) and tissue inhibitor of metalloproteinases 3 (TIMP3). Electron microscopy further reveals drusen-like extracellular deposits mimicking the signs of late drusen formation and AMD progression. In summary, our results demonstrate that hiPSC-derived 3D RPEorg provide a promising model to study age-associated RPE pathology and drusen formation. We show here that RPEorg are applicable for disease modelling studies and early stages of drug development and provide the opportunity to uncover inter-individual genetic and epigenetic factors that alter the course of the disease.

The devastating effects and incurable nature of hereditary and sporadic retinal diseases such as Stargardt disease, age-related macular degeneration or retinitis pigmentosa urgently require the development of new therapeutic strategies. Additionally, the prevalence of retinal toxicities is becoming more and more an issue of novel targeted therapeutic agents. To date, (ophthalmologic) drug development largely relies on animal models. Inadequate translatability of results from animal models to humans, however, limits advances in drug development and discovery. Hence, the establishment of more relevant human tissue-based in vitro models is of upmost importance. The discovery of self-forming retinal organoids (ROs) derived from human embryonic stem cells (hESCs) or human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) is a promising approach to model the complex stratified retinal tissue. Yet, ROs lack vascularization and cannot recapitulate the important physiological interactions of matured photoreceptors and the retinal pigment epithelium (RPE). In this study, we present the retina-on-a-chip (RoC), a novel microphysiological model of the human retina integrating more than seven different essential retinal cell types derived from hiPSCs in a vasculature-like perfusion and enabling, for the first time, the recapitulation of the interaction of mature photoreceptor segments with RPE in vitro. We show that this interaction enhances the formation of outer segment like-structures and the establishment of in vivo-like physiological processes such as outer segment phagocytosis and calcium dynamics. In addition, we demonstrate the applicability of the RoC for drug testing, by reproducing the retinopathic side effects of the anti-malaria drug chloroquine and the antibiotic gentamicin. The developed hiPSC-based RoC has the potential to promote drug development and provide new insights into the underlying pathology of retinal diseases.