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.

Which isoforms of apolipoprotein E (apoE) we inherit determine our risk of developing late-onset Alzheimer's Disease (AD), but the mechanism underlying this link is poorly understood. In particular, the relevance of direct interactions between apoE and amyloid-β (Aβ) remains controversial. Here, single-molecule imaging shows that all isoforms of apoE associate with Aβ in the early stages of aggregation and then fall away as fibrillation happens. ApoE-Aβ co-aggregates account for ~50% of the mass of diffusible Aβ aggregates detected in the frontal cortices of homozygotes with the higher-risk APOE4 gene. We show how dynamic interactions between apoE and Aβ tune disease-related functions of Aβ aggregates throughout the course of aggregation. Our results connect inherited APOE genotype with the risk of developing AD by demonstrating how, in an isoform- and lipidation-specific way, apoE modulates the aggregation, clearance and toxicity of Aβ. Selectively removing non-lipidated apoE4-Aβ co-aggregates enhances clearance of toxic Aβ by glial cells, and reduces secretion of inflammatory markers and membrane damage, demonstrating a clear path to AD therapeutics.

Abstract C9orf72 hexanucleotide repeat expansion (HRE) is a major genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. The role of microglia in these C9orf72 HRE-associated diseases is understudied. To elucidate effects of C9orf72 HRE on microglia, we have characterized human induced pluripotent stem cell-derived microglia (iMG) from behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) patients carrying the C9orf72 HRE. C9orf72 HRE iMG were compared to iMG from healthy controls and sporadic bvFTD patients. The phenotypes of iMG were analyzed using bulk RNA sequencing, biochemical and immunofluorescence analyses, and live cell imaging. C9orf72 HRE-carrying iMG showed nuclear RNA foci and poly-GP dipeptide repeat proteins but no decreased C9orf72 mRNA or protein expression. TDP-43 pathology was absent from all bvFTD iMG. As compared to healthy control iMG, quantitative immunofluorescence analyses indicated that all bvFTD iMG had reduced number, size, and intensity of LAMP2-A-positive vesicles. C9orf72 HRE-carrying iMG additionally showed decreased number, size, and intensity of p62/SQSTM1-positive vesicles. These changes were accompanied by increased phagocytic activity of the C9orf72 HRE-carrying iMG. Serum starvation increased phagocytic activity also in the iMG of sporadic bvFTD patients. RNA sequencing revealed that iMG of C9orf72 HRE-carrying bvFTD patients as compared to the iMG of sporadic bvFTD patients showed differential gene expression in pathways related to RNA and protein regulation and mitochondrial metabolism. Our data suggest potential alterations in the autophagosomal/lysosomal pathways in bvFTD patient iMG, which are further reinforced by the C9orf72 HRE and functionally manifest as increased phagocytic activity.

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.