ABSTRACT Single domain antibodies (VHH) are potentially disruptive therapeutics, with important biological value for treatment of several diseases, including neurological disorders. However, VHH have not been widely used in the central nervous system (CNS), as it is hard to reach therapeutic levels, both because of their restricted blood-brain-barrier penetration and their apparent rapid clearance from the parenchyma. Here, we propose a gene transfer strategy based on adeno-associated virus (AAV)-based vectors to deliver VHH directly into the CNS, ensuring continuous production at therapeutic levels. As a proof-of-concept, we explored the potential of AAV-delivered VHH to inhibit BACE1, a well-characterized target in Alzheimer’s disease. First, we generated a panel of VHHs targeting BACE1. One of them, VHH-B9, showed high selectivity for BACE1 and efficacy in lowering BACE1 activity in vitro. We then went on to demonstrate significant reductions in amyloid beta (Aβ) levels after AAV-based delivery of VHH-B9 into the CNS of a mouse model of cerebral amyloidosis. These results constitute a novel therapeutic approach for neurodegenerative diseases, which is applicable to a range of CNS disease targets.

In utero electroporation is increasingly used for manipulation of gene expression in the mammalian central nervous system. Here we created a transposon-based single plasmid system, that allows long-term conditional loss- and gain-of-function experiments across major CNS cell types. The system is widely applicable across species, allowing fast, flexible and cheap cell manipulation in previously non-transgenic species.