Human stem cell-derived brain organoids provide a physiologically relevant in vitro 3D brain model for studies of neurological development that are unique to the human nervous system. Prior studies have reported protocols that support the maturation of microglia from mesodermal progenitors leading to innately developing microglia within the organoids. However, although microglia are known to support neuronal development in rodents, none of the previous studies have reported what is the impact of microglia on neuronal growth and maturation in human brain organoids. Here we show that incorporating microglial progenitors into the developing organoid supports neuronal maturation, the emergence of neurons capable of firing repetitive action potentials and the appearance of synaptic and neuronal bursting activity. Immunocompetent organoids enable experimental strategies for interrogating fundamental questions on microglial and neuronal diversity and function during human brain development.

ABSTRACT Brain functionality resides on finely tuned regulation of gene expression by networks of non-coding RNAs (ncRNAs) such as the one composed by the circular RNA ciRS-7, the microRNA miR-7 and the long non-coding RNA Cyrano. However, very little is known on how this network regulates stress responses in neurodegeneration. Here we describe ischemia induced alterations in the ncRNA network both in vitro and in vivo and in transgenic mice lacking ciRS-7 or miR-7. Our data show that cortical neurons downregulate ciRS-7 and Cyrano and upregulate miR-7 expression upon ischemic insults. Mice lacking ciRS-7 show reduced lesion size and motor impairment, whilst the absence of miR-7 alone leads to an increase in the ischemia induced neuronal death. Moreover, miR-7 levels in pyramidal excitatory neurons regulate dendrite morphology and glutamatergic signaling suggesting a potential molecular link to the in vivo phenotype. Our data reveal a new endogenous mechanism by which ciRS-7 and miR-7 regulate the outcome of ischemic stroke and shed new light into the pathophysiological roles of intracellular networks of non-coding RNAs in the brain.

Background: Microglia are the endogenous immune cells of the brain and act as sensors of pathology to maintain brain homeostasis and eliminate potential threats. In Alzheimer's disease (AD), toxic amyloid beta (Aβ) accumulates in the brain and forms stiff plaques. In late-onset AD accounting for 95% of all cases, this is thought to be due to reduced clearance of Aβ. Human genome-wide association studies and animal models suggest that reduced clearance results from aberrant function of microglia. While the impact of neurochemical pathways on microglia have been broadly studied, mechanical receptors regulating microglial functions remain largely unexplored. Methods: Here we showed that a mechanotransduction ion channel, PIEZO1, is expressed and functional in human and mouse microglia. We used a small molecule agonist, Yoda1, to study how activation of PIEZO1 affects AD-related functions in human induced pluripotent stem cell (iPSC) -derived microglia-like cells (iMGL) under controlled laboratory experiments. Cell survival, metabolism, phagocytosis and lysosomal activity were assessed using real-time functional assays. To evaluate the effect of activation of PIEZO1 in vivo, 5-month-old 5xFAD male mice were infused daily with Yoda1 for two weeks through intracranial cannulas. Microglial Iba1 expression and Aβ pathology were quantified with immunohistochemistry and confocal microscopy. Published human and mouse AD datasets were used for in-depth analysis of PIEZO1 gene expression and related pathways in microglial subpopulations. Results: We show that PIEZO1 orchestrates Aβ clearance by enhancing microglial survival, phagocytosis, and lysosomal activity. Aβ inhibited PIEZO1-mediated calcium transients, whereas activation of PIEZO1 with a selective agonist, Yoda1, improved microglial phagocytosis resulting in Aβ clearance both in human and mouse models of AD. Moreover, PIEZO1 expression was associated with a unique microglial transcriptional phenotype in AD as indicated by assessment of cellular metabolism, and human and mouse single cell datasets. Conclusion: These results indicate that the compromised function of microglia in AD could be improved by controlled activation of PIEZO1 channels resulting in alleviated Aβ burden. Pharmacological regulation of these mechanoreceptors in microglia could represent a novel therapeutic paradigm for AD.

ABSTRACT Epidemiological studies reveal that air pollution exposure may exacerbate neurodegeneration. Ultrafine particles (UFPs) are pollutants that remain unregulated in ambient air by environmental agencies. Due to their small size (<100nm), UFPs have the most potential to cross the bodily barriers and thus impact the brain. However, little information exists about how UFPs affect brain function. Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia, which has been linked to air pollutant exposure, yet limited information is available on the mechanistic connection between them. This study aims to decipher the effects of UFPs in the brain and periphery using the 5xFAD mouse model of AD. In our study design, AD mice and their wildtype littermates were subjected to 2-weeks inhalation exposure of UFPs in a whole-body chamber. That subacute exposure did not affect the blood-brain barrier integrity or amyloid-beta accumulation. However, when multiple cytokines were analyzed, we found increased levels of proinflammatory cytokines in the brain and periphery, with a predominant alteration of interferon-gamma in response to UFP exposure in both genotypes. Following exposure, mitochondrial superoxide dismutase was significantly upregulated only in the 5xFAD hippocampi, depicting oxidative stress induction in the exposed AD mouse group. These data demonstrate that short-term exposure to inhaled UFPs induces inflammation without affecting amyloid-beta load. This study provides a better understanding of adverse effects caused by short-term UFP exposure in the brain and periphery, also in the context of AD. GRAPHICAL ABSTRACT