Abstract The molecules released by cells are a fingerprint of their current state. Methods that measure them with high spatial and temporal resolution would provide valuable insights into cell physiology and diseases. Here, we develop a nanosensor coating that transforms standard cell culture materials/dishes into “Smart Slides” capable of optically monitoring biochemical efflux from cells. For this purpose, we use single wall carbon nanotubes (SWCNTs) that are fluorescent in the beneficial near-infrared (NIR, 850 – 1700 nm) window. They are chemically tailored to detect the neurotransmitter dopamine by a change in fluorescence intensity. These nanosensors are spin-coated on glass substrates and we show that such sensor layers can be sterilized by UV light and can be stored in dry condition or buffer for at least 6 weeks. We also identify the optimal sensor density to maximize sensitivity. Finally, we use these materials to image dopamine release from neuronal cells cultivated on top in the presence of various psychotropic substances, which represents a system to test pharmaceuticals for neurological or neurodegenerative diseases. Therefore, Smart Slides are a powerful tool to monitor cellular processes in cell culture systems.

Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated for the human body thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer’s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregates of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Abstract Proteolytic cell surface release (‘shedding’) of the prion protein (PrP), a broadly expressed GPI-anchored glycoprotein, by the metalloprotease ADAM10 impacts on neurodegenerative and other diseases in animal and in vitro models. Recent studies employing the latter also suggest shed PrP (sPrP) to be a ligand in intercellular communication and critically involved in PrP-associated physiological tasks. Although expectedly an evolutionary conserved event, and while soluble forms of PrP are present in human tissues and body fluids, for the human body neither proteolytic PrP shedding and its cleavage site nor involvement of ADAM10 or the biological relevance of this process have been demonstrated thus far. In this study, cleavage site prediction and generation (plus detailed characterization) of sPrP-specific antibodies enabled us to identify PrP cleaved at tyrosin 226 as the physiological and apparently strictly ADAM10-dependent shed form in humans. Using cell lines, neural stem cells and brain organoids, we show that shedding of human PrP can be stimulated by PrP-binding ligands without targeting the protease, which may open novel therapeutic perspectives. Site-specific antibodies directed against human sPrP also detect the shed form in brains of cattle, sheep and deer, hence in all most relevant species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases. In human and animal prion diseases, but also in patients with Alzheimer`s disease, sPrP relocalizes from a physiological diffuse tissue pattern to intimately associate with extracellular aggregated deposits of misfolded proteins characteristic for the respective pathological condition. Findings and research tools presented here will accelerate novel insight into the roles of PrP shedding (as a process) and sPrP (as a released factor) in neurodegeneration and beyond.

Abstract The cellular prion protein (PrP C ) is a central player in neurodegenerative diseases caused by protein misfolding, such as prion diseases or Alzheimer’s disease (AD). Expression levels of this GPI-anchored glycoprotein, especially at the neuronal cell surface, critically correlate with various pathomechanistic aspects underlying these diseases, such as templated misfolding (in prion diseases) and neurotoxicity and, hence, with disease progression and severity. In stark contrast to cell-associated PrP C , soluble extracellular forms or fragments of PrP are linked with neuroprotective effects, which is likely due to their ability to interfere with neurotoxic disease-associated protein conformers in the interstitial fluid. Fittingly, the endogenous proteolytic release of PrP C by the metalloprotease ADAM10 (‘shedding’) was characterized as a protective mechanism. Here, using a recently generated cleavage-site specific antibody, we shed new light on earlier studies by demonstrating that shed PrP (sPrP) negatively correlates with conformational conversion (in prion disease) and is markedly redistributed in murine brain in the presence of prion deposits or AD-associated amyloid plaques indicating a blocking and sequestrating activity. Importantly, we reveal that administration of certain PrP-directed antibodies and other ligands results in increased PrP shedding in cells and organotypic brain slice cultures. We also provide mechanistic and structural insight into this shedding-stimulating effect. In addition, we identified a striking exception to this, as one particular neuroprotective antibody, due to its special binding characteristics, did not cause increased shedding but rather strong surface clustering followed by fast endocytosis and degradation of PrP C . Both mechanisms may contribute to the beneficial action described for some PrP-directed antibodies/ligands and pave the way for new therapeutic strategies against devastating and currently incurable neurodegenerative diseases.