ABSTRACT Throughout North America, chronic wasting disease (CWD) has emerged as perhaps the greatest threat to wild cervid populations, including white-tailed deer ( Odocoileus virginianus ). White-tailed deer are the most sought after big game species across North America with populations of various subspecies in nearly all Canadian provinces, the contiguous USA, and Mexico. Documented CWD cases have dramatically increased across the white-tailed deer range since the mid-1990s, including in Minnesota. CWD surveillance in free-ranging white-tailed deer and other cervid populations mainly depends upon immunodetection methods (e.g., immunohistochemistry [IHC] and enzyme-linked immunosorbent assay [ELISA]) on medial retropharyngeal lymph nodes and obex. More recent technologies centered on prion protein amplification methods of detection have shown promise as more sensitive and rapid CWD diagnostic tools. Here, we used blinded samples to test the efficacy of real time quaking-induced conversion (RT-QuIC) in comparison to ELISA and IHC for screening tissues, blood, and feces collected in 2019 from white-tailed deer in southeastern Minnesota, where CWD has been routinely detected since 2016. Our results support previous findings that RT-QuIC is a more sensitive tool for CWD detection than current antibody-based methods. Additionally, a CWD testing protocol that includes multiple lymphoid tissues (medial retropharyngeal lymph node, parotid lymph node, and palatine tonsil) per animal may effectively identify a greater number of CWD detections in a white-tailed deer population than a single sample type (i.e., medial retropharyngeal lymph nodes). These results reveal that the variability of CWD pathogenesis, sampling protocol, and testing platform must be considered for the effective detection and management of CWD throughout North America.

Abstract Neurodegenerative protein misfolding diseases impact tens of millions of people worldwide, contributing to millions of deaths and economic hardships across multiple scales. The prevalence of neurodegenerative disease is predicted to greatly increase over the coming decades, yet effective diagnostics for such diseases are limited. Most diagnoses come from the observation of external symptoms in clinical settings, which typically manifest during relatively advanced stages of disease, thus limiting potential therapeutic applications. While progress is being made on biomarker testing, the underlying methods largely rely on fragile and expensive equipment that limits their point-of-care potential, especially in developing countries. Here we present Capillary-based Quaking Induced Conversion (Cap-QuIC) as a visual diagnostic assay based on simple capillary action for the detection of neurodegenerative disease without necessitating expensive and complex capital equipment. We demonstrate that Cap-QuIC has the potential to be a detection tool for a broad range of misfolded proteins by successfully distinguishing misfolded versus healthy proteins associated with Parkinson’s disease ( α -synuclein) and Chronic Wasting Disease (prions). Additionally, we show that Cap-QuIC can accurately classify biological tissue samples from wild white-tailed deer infected with Chronic Wasting Disease. Our findings elucidate the underlying mechanism that enables the Cap-QuIC assay to distinguish misfolded protein, highlighting its potential as a diagnostic technology for neurodegenerative diseases.

Abstract Chronic Wasting Disease (CWD), a prion disease of cervids, has been identified across North America, Northern Europe and Korea. Diagnostic tools for the rapid and reliable detection of prion diseases are limited. Here, we combine gold nanoparticles (AuNPs) and quaking induced conversion (QuIC) technologies for the visual detection of amplified misfolded prion proteins from tissues of wild white-tailed deer infected with Chronic Wasting Disease (CWD). Our newly developed diagnostic test, MN-QuIC, enables both naked-eye and light-absorbance measurements for the detection of misfolded prions. The MN-QuIC assay leverages basic laboratory equipment that is cost-effective and portable, thus facilitating real-time prion diagnostics across a variety of settings. To test the portability of our assay, we deployed to a rural field station in southeastern Minnesota and tested for CWD on site. We successfully demonstrated that MN-QuIC is functional in a non-traditional laboratory setting by performing a blinded analysis in the field and correctly identifying all CWD positive and CWD not detected (independently confirmed with ELISA and/or IHC tests) animals at the field site, thus documenting the portability of the assay. Additionally, we show that electrostatic forces and concentration effects help govern the AuNP/prion interactions and contribute to the differentiation of CWD-prion positive and negative samples. We examined 17 CWD-positive and 24 CWD-not-detected white-tailed deer tissues that were independently tested using ELISA, IHC, and RT-QuIC technologies, and results secured with MN-QuIC were 100% consistent with these tests. We conclude that hybrid AuNP and QuIC assays, such as MN-QuIC, have great potential for sensitive, field-deployable diagnostics for a variety of protein misfolding diseases.

Abstract Prion diseases, including chronic wasting disease (CWD), are caused by prions, which are misfolded aggregates of normal cellular prion protein. Prions possess many characteristics that distinguish them from conventional pathogens, in particular, an extraordinary recalcitrance to inactivation and a propensity to avidly bind to surfaces. In mid to late stages of CWD, prions begin accumulating in cervid muscle tissues. These features collectively create scenarios where occupational hazards arise for workers processing venison and pose risks to consumers through direct prion exposure via ingestion and cross-contamination of food products. In this work, we show that steel and plastic surfaces used in venison processing can be directly contaminated with CWD prions and that cross-contamination of CWD-negative venison can occur from equipment that had previously been used with CWD-positive venison. We also show that several decontaminant solutions (commercial bleach and potassium peroxymonosulfate) are efficacious for prion inactivation on these same surfaces.

Abstract Protein misfolding diseases, such as prion diseases, Alzheimer’s, and Parkinson’s, share a common molecular mechanism involving the misfolding and aggregation of specific proteins. There is an urgent need for point-of-care (POC) diagnostic technologies that can accurately detect these misfolded proteins, facilitating early diagnosis and intervention. Here, we introduce the microfluidic quaking-induced conversion (Micro-QuIC), a novel acoustofluidic platform for the rapid and sensitive detection of protein misfolding diseases. We demonstrate the utility of our technology using chronic wasting disease (CWD) as a model system, since samples from wild white-tailed deer are readily accessible, and CWD shares similarities with human protein misfolding diseases. Acoustofluidic mixing enables homogeneous mixing of reagents in a high-Reynolds-number regime, significantly accelerating the turnaround time for CWD diagnosis. Our Micro-QuIC assay amplifies prions significantly faster than the current gold standard, real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC). Furthermore, we integrated Micro-QuIC with a gold nanoparticle-based, naked-eye detection method, which enables visual discrimination between CWD-positive and CWD-negative samples without the need for a bulky fluorescence detection module. This integration creates a rapid, POC testing platform capable of detecting misfolded proteins associated with a variety of protein misfolding diseases.

Abstract Chronic wasting disease (CWD) is a prion disease circulating in wild and farmed cervid populations throughout North America (United States and Canada), Europe (Finland, Norway, Sweden), and South Korea. CWD is an immediate threat to cervid heritage and the disease is causing substantial economic losses across multiple sectors. In North America, hunting and farming industries focused on the processing and consumption of white-tailed deer (WTD) venison are particularly vulnerable to CWD, as millions of WTD are consumed annually. Real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC) is a highly sensitive assay amplifying misfolded CWD prions in vitro and has facilitated CWD prion detection in a variety of tissues and excreta. To date, no study has comprehensively examined CWD prion content across bulk skeletal muscle tissues harvested from individual CWD infected WTD. Here, we use RT-QuIC to quantify prion-seeding activity in a variety of skeletal muscles from both wild and farmed CWD-positive WTD. We successfully detected CWD prions in muscles commonly used for consumption (e.g., backstrap, tenderloin, etc.) as well as within tongue and neck samples of WTD. Our results help to establish the utility of RT-QuIC for monitoring CWD prions in venison and suggest that the method is useful for preventing CWD prions from entering animal and human food chains. Moreover, our work indicates that CWD prions are more widely distributed across skeletal muscles of infected WTD than previously reported.

Abstract Chronic wasting disease (CWD) is a disease affecting cervids and is caused by prions accumulating as pathogenic fibrils in lymphoid tissue and the central nervous system. Approaches for detecting CWD prions historically relied on antibody-based assays. However, recent advancements in protein amplification technology provided the foundation for a new class of CWD diagnostic tools. In particular, real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC) has rapidly become a feasible option for CWD diagnosis. Despite its increased usage for CWD-focused research, there lacks consensus regarding the interpretation of RT-QuIC data for diagnostic purposes. It is imperative then to identify a standardized and replicable method for determining CWD status from RT-QuIC data. Here, we assessed variables that could impact RT-QuIC results and explored the use of maxpoint ratios (maximumRFU/backgroundRFU) to improve the consistency of RT-QuIC analysis. We examined a variety of statistical analyses to retrospectively analyze CWD status based on RT-QuIC and ELISA results from 668 white-tailed deer lymph nodes. Our results revealed an MPR threshold of 2.0 for determining the rate of amyloid formation, and MPR analysis showed excellent agreement with independent ELISA results. These findings suggest that the use of MPR is a statistically viable option for normalizing between RT-QuIC experiments and defining CWD status.

Abstract Protein misfolding diseases, such as prion diseases, Alzheimer’s, and Parkinson’s, share a common molecular mechanism involving the misfolding and aggregation of specific proteins. There is an urgent need for point-of-care (POC) diagnostic technologies that can accurately detect these misfolded proteins, facilitating early diagnosis and intervention. Here, we introduce the Microfluidic Quaking Induced Conversion (Micro-QuIC), a novel acoustofluidic platform for the rapid and sensitive detection of protein misfolding diseases. We demonstrate the utility of our technology using chronic wasting disease (CWD) as a model system, as samples from wild white-tailed deer are readily accessible, and CWD shares similarities with human protein misfolding diseases. Acoustofluidic mixing enables homogeneous mixing of reagents in a high-Reynolds-number regime, significantly accelerating the turnaround time for CWD diagnosis. Our Micro-QuIC assay amplifies prions by an order of magnitude faster than the current gold standard, real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC). Furthermore, we integrated Micro-QuIC with a gold nanoparticle-based, naked-eye detection method, which enables visual discrimination between CWD positive and negative samples without the need for a bulky fluorescence detection module. This integration creates a rapid, POC testing platform capable of detecting misfolded proteins associated with a variety of protein misfolding diseases. TOC graphic