A Gd(III)-nanodiamond conjugate [Gd(III)-ND] was prepared and characterized, enabling detection of nanodiamonds by MR imaging. The Gd(III)-ND particles significantly reduced the T1 of water protons with a per-Gd(III) relaxivity of 58.82 ± 1.18 mM−1 s−1 at 1.5 T (60 MHz). This represents a 10-fold increase compared to the monomer Gd(III) complex (r1 = 5.42 ± 0.20 mM−1 s−1) and is among the highest per-Gd(III) relaxivities reported.

Abstract Improvements have been made in the diagnosis of Alzheimer’s disease (AD), manifesting mostly in the development of in vivo imaging methods that allow for the detection of pathological changes in AD by MRI and PET scans. Many of these imaging methods, however, use agents that probe amyloid fibrils and plaques - species that do not correlate well with disease progression and are not present at the earliest stages of the disease. Amyloid β oligomers (AβOs), rather, are now widely accepted as the Aβ species most germane to AD onset and progression. Here we report evidence further supporting the role of AβOs as pathological instigators of AD and introduce promising anti-AβO diagnostic probes capable of distinguishing the 5xFAD mouse model from wild type mice by PET and MRI. In a developmental study, Aβ oligomers in 5xFAD mice were found to appear at 3 months of age, just prior to the onset of memory dysfunction, and spread as memory worsened. The increase of AβOs is prominent in the subiculum and correlates with concomitant development of reactive astrocytosis. The impact of these AβOs on memory is in harmony with findings that intraventricular injection of synthetic AβOs into wild type mice induced hippocampal dependent memory dysfunction within 24 hours. Compelling support for the conclusion that endogenous AβOs cause memory loss was found in experiments showing that intranasal inoculation of AβO-selective antibodies into 5xFAD mice completely restored memory function, measured 30-40 days post-inoculation. These antibodies, which were modified to give MRI and PET imaging probes, were able to distinguish 5xFAD mice from wild type littermates. These results provide strong support for the role of AβOs in instigating memory loss and salient AD neuropathology, and they demonstrate that AβO selective antibodies have potential both for therapeutics and for diagnostics.

The pathology in Duchenne muscular dystrophy (DMD) is characterized by degenerating muscle fibers, inflammation, fibro-fatty infiltrate, and edema, and these pathological processes replace normal healthy muscle tissue. The mdx mouse model is one of the most commonly used preclinical models to study DMD. Mounting evidence has emerged illustrating that muscle disease progression varies considerably in mdx mice, with inter-animal differences as well as intra-muscular differences in pathology in individual mdx mice. This variation is important to consider when conducting assessments of drug efficacy and in longitudinal studies. Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive method that can be used qualitatively or quantitatively to measure muscle disease progression in the clinic and in preclinical models. Although MR imaging is highly sensitive, image acquisition and analysis can be time intensive. The purpose of this study was to develop a semi-automated muscle segmentation and quantitation pipeline that can quickly and accurately estimate muscle disease severity in mice. Herein, we show that the newly developed segmentation tool accurately divides muscle. We show that measures of skew and interdecile range based on segmentation sufficiently estimate muscle disease severity in healthy wildtype and diseased mdx mice. Moreover, the semi-automated pipeline reduced analysis time by nearly 10-fold. Use of this rapid, non-invasive, semi-automated MR imaging and analysis pipeline has the potential to transform preclinical studies, allowing for pre-screening of dystrophic mice prior to study enrollment to ensure more uniform muscle disease pathology across treatment groups, improving study outcomes.

Motivation: The frequently-used mdx model of Duchenne muscular dystrophy exhibits wide variation in disease severity, confounding detection of treatment effects. Goal(s): We sought to design a rapid, noninvasive imaging/analysis pipeline to prescreen animals and balance disease severity across treatment groups. Approach: Axial MR images and T2 maps were obtained in the hindlimbs of mdx and wildtype mice. A neural network was trained to speed segmentation. The distribution of muscle T2 values was analyzed. Results: Semiautomated segmentation reduced image processing time ~tenfold. Pearson Skew and interdecile range of muscle T2 distributions were repeatable indicators of muscle disease severity and correlated with Evans Blue dye uptake. Impact: Use of this rapid, non-invasive, semi-automated MRI/analysis pipeline has the potential to improve the sensitivity of preclinical treatment studies by enabling screening of dystrophic mice prior to study enrollment to increase uniformity of muscle pathology across treatment groups.

Because large brains are energetically expensive, they are associated with metabolic traits that facilitate energy availability across vertebrates. However, the biological underpinnings driving these traits are not known. Given its role in regulating host metabolism in disease studies, we hypothesized that the gut microbiome contributes to variation in normal cross-vertebrate species differences in metabolism, including those associated with the brain’s energetic requirements. By inoculating germ-free mice with the gut microbiota (GM) of three primate species – two with relatively larger brains and one with a smaller brain – we demonstrated that the GM of larger-brained primates shifts host metabolism towards energy use and production, while that of smaller-brained primates stimulates energy storage in adipose tissues. Our findings establish a causal role of the GM in normal cross-host species differences in metabolism associated with relative brain size and suggest that the GM may have been an important facilitator of metabolic changes during human evolution that supported encephalization.