Loss-of-function (LOF) variants of TREM2, an immune receptor expressed in microglia, increase Alzheimer's disease risk. TREM2 senses lipids and mediates myelin phagocytosis, but its role in microglial lipid metabolism is unknown. Combining chronic demyelination paradigms and cell sorting with RNA sequencing and lipidomics, we find that wild-type microglia acquire a disease-associated transcriptional state, while TREM2-deficient microglia remain largely homeostatic, leading to neuronal damage. TREM2-deficient microglia phagocytose myelin debris but fail to clear myelin cholesterol, resulting in cholesteryl ester (CE) accumulation. CE increase is also observed in APOE-deficient glial cells, reflecting impaired brain cholesterol transport. This finding replicates in myelin-treated TREM2-deficient murine macrophages and human iPSC-derived microglia, where it is rescued by an ACAT1 inhibitor and LXR agonist. Our studies identify TREM2 as a key transcriptional regulator of cholesterol transport and metabolism under conditions of chronic myelin phagocytic activity, as TREM2 LOF causes pathogenic lipid accumulation in microglia.

LRRK2 autophosphorylation on Ser 1292 may be a useful indicator of kinase activity, providing a readout for screening candidate LRRK2 inhibitors.

Engineering human IgG1 Fc binding to a brain endothelial cell–enriched receptor allows enhanced brain exposure of biotherapeutics in multiple species.

Bispecific antibodies using the transferrin receptor (TfR) have shown promise for boosting antibody uptake in brain. Nevertheless, there are limited data on the therapeutic properties including safety liabilities that will enable successful development of TfR-based therapeutics. We evaluate TfR/BACE1 bispecific antibody variants in mouse and show that reducing TfR binding affinity improves not only brain uptake but also peripheral exposure and the safety profile of these antibodies. We identify and seek to address liabilities of targeting TfR with antibodies, namely, acute clinical signs and decreased circulating reticulocytes observed after dosing. By eliminating Fc effector function, we ameliorated the acute clinical signs and partially rescued a reduction in reticulocytes. Furthermore, we show that complement mediates a residual decrease in reticulocytes observed after Fc effector function is eliminated. These data raise important safety concerns and potential mitigation strategies for the development of TfR-based therapies that are designed to cross the blood-brain barrier.

Abstract Delivery of biotherapeutics across the blood-brain barrier (BBB) is a challenge. Many approaches fuse biotherapeutics to platforms that bind the transferrin receptor (TfR), a brain endothelial cell target, to facilitate receptor-mediated transcytosis across the BBB. Here, we characterized the pharmacological behavior of two distinct TfR-targeted platforms fused to iduronate 2-sulfatase (IDS), a lysosomal enzyme deficient in mucopolysaccharidosis type II (MPS II), and compared the relative brain exposures and functional activities of both approaches in mouse models. IDS fused to a moderate-affinity, monovalent TfR binding enzyme transport vehicle (ETV:IDS) resulted in widespread brain exposure, internalization by parenchymal cells, and significant substrate reduction in the CNS of an MPS II mouse model. In contrast, IDS fused to a standard high-affinity bivalent antibody (IgG:IDS) resulted in lower brain uptake, limited biodistribution beyond brain endothelial cells, and reduced brain substrate reduction. These results highlight important features likely to impact the clinical development of TfR-targeting platforms in MPS II and potentially other CNS diseases. Summary Brain delivery, biodistribution and pharmacodynamics of a lysosomal enzyme fused to a moderate-affinity transferrin receptor-directed blood-brain barrier enzyme transport vehicle are superior to a traditional high-affinity anti-TfR monoclonal antibody fusion.

Abstract Variants in the leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene are associated with increased risk for familial and sporadic Parkinson’s disease (PD). Pathogenic variants in LRRK2, including the common variant G2019S, result in increased LRRK2 kinase activity, supporting the therapeutic potential of LRRK2 kinase inhibitors for PD. To better understand the role of LRRK2 in disease and to support the clinical development of LRRK2 inhibitors, quantitative and high-throughput assays to measure LRRK2 levels and activity are needed. We developed and applied such assays to measure the levels of LRRK2 as well as the phosphorylation of LRRK2 itself or one of its substrates, Rab10 (pT73 Rab10). We observed increased LRRK2 activity in various cellular models of disease, including iPSC-derived microglia, as well as in human subjects carrying disease-linked variant in LRRK2 (G2019S). Capitalizing on the high-throughput and sensitive nature of these assays, we detected a significant reduction in LRRK2 activity in subjects carrying missense variants in LRRK2 associated with reduced disease risk. Finally, we optimized these assays to enable analysis of LRRK2 activity following inhibition in human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and whole blood, demonstrating their potential utility as biomarkers to assess changes in LRRK2 expression and activity in the clinic.

Abstract Microglial dysfunction is believed to play a pathogenic role in Alzheimer’s disease (AD). Here, we characterize the amyloid-β related pathology and microglial responses in an engineered APP knock-in mouse model of familial AD. This model recapitulates key pathological features of AD such as a progressive accumulation of parenchymal amyloid plaques and vascular amyloid deposits, altered glial responses and neurodegeneration. Leveraging multi-omics approaches, we found lipid accumulation and an exacerbated disease-associated transcriptomic response in methoxy-X04-positive, phagocytic microglia. Together, these findings highlight the potential of this novel, open-access mouse model to investigate AD pathogenesis and demonstrate that fibrillar Aβ triggers lipid dysregulation and immuno-metabolic perturbations in phagocytic microglia. Highlights Novel open-access APP KI mouse model shows salient AD pathological features Deep phenotyping of sorted microglia reveals profound lipidomic perturbations in line with Alois Alzheimer’s original descriptions of glial adipose inclusions Immunometabolic perturbations are exacerbated in microglia accumulating fibrillar Aβ

Abstract Although the first generation of immunotherapies for Alzheimer’s disease (AD) are now clinically approved, amyloid-related imaging abnormalities (ARIA) remain a major safety problem for this class of drugs. Here, we report an antibody transport vehicle (ATV) targeting the transferrin receptor (TfR) for brain delivery of amyloid beta (Aý) antibodies that significantly reduced ARIA-like lesions and improved plaque target engagement in a mouse model of amyloid deposition. Asymmetrical Fc mutations (ATV cisLALA ) allowed the molecule to selectively retain effector function only when bound to Aý while mitigating TfR-related hematology liabilities. Mice treated with ATV cisLALA :Aý exhibited broad brain parenchymal antibody distribution; in contrast, anti-Aý IgG was highly enriched at arterial perivascular spaces where vascular Aý localizes and likely plays a role in induction of ARIA. Importantly, ATV cisLALA : Aý almost completely eliminated ARIA-like lesions and vascular inflammation associated with anti-Aý treatment. Taken together, ATV cisLALA has the potential to significantly improve both safety and efficacy of Aý immunotherapy through enhanced biodistribution mediated by transport across the blood-brain barrier.

The integrated stress response (ISR) is a conserved pathway in eukaryotic cells that is activated in response to multiple sources of cellular stress. Although acute activation of this pathway restores cellular homeostasis, intense or prolonged ISR activation perturbs cell function and may contribute to neurodegeneration. DNL343 is an investigational CNS-penetrant small molecule ISR inhibitor designed to activate the eukaryotic initiation factor 2B (eIF2B) and suppress aberrant ISR activation. DNL343 reduced CNS ISR activity and neurodegeneration in a dose-dependent manner in two established in vivo models, the optic nerve crush injury and an eIF2B loss of function (LOF) mutant, demonstrating neuroprotection in both and preventing motor dysfunction in the LOF mutant mouse. Treatment with DNL343 at a late stage of disease in the LOF model reversed elevation in plasma biomarkers of neuroinflammation and neurodegeneration and prevented premature mortality. Several proteins and metabolites that are dysregulated in the LOF mouse brains were normalized by DNL343 treatment, and this response is detectable in human biofluids. Several of these biomarkers show differential levels in CSF and plasma from patients with vanishing white matter disease (VWMD), a neurodegenerative disease that is driven by eIF2B LOF and chronic ISR activation, supporting their potential translational relevance. This study demonstrates that DNL343 is a brain penetrant ISR inhibitor capable of attenuating neurodegeneration in mouse models and identifies several biomarker candidates that may be used to assess treatment responses in the clinic.