A role for PrP in the toxic effect of oligomeric forms of Aβ, implicated in Alzheimer's disease (AD), has been suggested but remains controversial. Here we show that PrP is required for the plasticity-impairing effects of ex vivo material from human AD brain and that standardized Aβ-derived diffusible ligand (ADDL) preparations disrupt hippocampal synaptic plasticity in a PrP-dependent manner. We screened a panel of anti-PrP antibodies for their ability to disrupt the ADDL–PrP interaction. Antibodies directed to the principal PrP/Aβ-binding site and to PrP helix-1, were able to block Aβ binding to PrP suggesting that the toxic Aβ species are of relatively high molecular mass and/or may bind multiple PrP molecules. Two representative and extensively characterized monoclonal antibodies directed to these regions, ICSM-35 and ICSM-18, were shown to block the Aβ-mediated disruption of synaptic plasticity validating these antibodies as candidate therapeutics for AD either individually or in combination. The ability of synthetic amyloid β-protein to bind to prion proteins and alter synaptic plasticity has been previously reported. Here the relevance of this binding is investigated in brains of Alzheimer's disease patients and the interaction is shown to be blocked by antibodies to two distinct regions of prion proteins.

Abstract Human prion diseases are fatal neurodegenerative disorders that may have prolonged asymptomatic incubation periods. However, the underlying mechanism by which prions cause brain damage remains unclear. In turn, characterization of early pathological aspects would be of benefit for the diagnosis and potential treatment of these progressive neurodegenerative disorders. We investigated chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI based on its exquisite sensitivity to cytosol protein content as a surrogate for prion disease pathology. Three groups of prion-infected mice at different stages of the disease underwent conventional magnetic resonance imaging and CEST MRI at 9.4T. For each mouse, chemical exchange contrasts were measured by applying five RF powers at various frequency offsets using magnetization transfer asymmetries. Relayed Nuclear Overhauser effects (NOE*) and amide proton transfer (APT*) were also assessed. For comparison, CEST MRI measurements were also made in healthy control mice brains. Here we show that alterations in CEST signal were detected before structural modifications or any clinical signs of prion disease. The detected CEST signal displayed different patterns at different stages of the disease indicating its potential for use as a longitudinal marker of disease progression. Highly significant correlations were found between CEST metrics and histopathological findings. A decline in NOE signal was positively correlated with abnormal prion protein deposition (R 2 = 0.91) in the thalami of prion infected mice. Moreover, the NOE signal was negatively correlated with astrogliosis (R 2 = 0.71) in the thalamus. No significant correlations were detected between NOE signals and spongiosis. MTR asymmetry at 3.5 ppm was also correlated with astrogliosis (R 2 = 0.59), and prion protein deposition (R 2 = 0.63) in thalamus. No significant changes were detected in APT* between prion-infected and control mice at all stages of the disease. Finally, MTR asymmetry between 2.8 and 3.2 ppm was correlated with prion protein deposition (R 2 = 0.47) in the thalamus of prion -infected mice. To conclude, CEST MRI has potential utility as a biomarker of neurodegenerative processes in prion disease.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is defined by the accumulation of neurofibrillary tangles containing hyperphosphorylated Tau and plaques containing Amyloid-β (Aβ). The aggregation of these two proteins is considered central to the disease. The lack of animal models that can recapitulate Aβ and tau pathologies without overexpressing these proteins has hindered AD research. Accelerating pathology by inoculating Aβ and tau seeds has helped to understand their prion-like propagation in the brain. Previous studies failed to characterise both Aβ and tau pathologies in vivo upon inoculating AD brain homogenates. Here we present a longitudinal and systematic study; we inoculated the App NL-F/NL-F knockin mice, which express humanised Aβ and murine wild-type tau, with extracts from diseased human brains to analyse the contribution of Aβ and tau assemblies to AD pathogenesis. We found that mice inoculated with AD brain extracts evinced early and prominent amyloid deposition, while those injected with control brain extracts or vehicle did not. Parenchymal and vascular amyloid accumulated in the same brain regions affected in control-inoculated App NL-F/NL-F mice. However, the extent of vascular amyloid far exceeded that seen in App NL-F/NL-F mice injected with control brain extracts, and parenchymal deposits extended to a previously untargeted brain region – the cerebellum. An end-point titration of an AD brain homogenate in App NL-F/NL-F mice demonstrated that human Aβ seeds can be titrated in a prion-like fashion, which is useful for sample comparison, diagnostic and risk studies. Notably, the inoculation of App NL-F/NL-F mice with AD brain homogenate induced intense tau phosphorylation, and provides more detailed context for the inoculation of App NL-F/NL-F mice with human samples to study temporal and mechanistic relationships between Aβ and tau pathology, vascular amyloid deposition and bioactivity of Aβ seeds.

Abstract The aggregation of amyloid-β (Aβ) monomers increases their neurotoxicity, and these oligomeric species are thought to be central to the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Unsurprisingly for such a complex disease, current Alzheimer’s disease mouse models fail to fully mimic the clinical disease in humans. Moreover, results obtained in a given mouse model are not always reproducible in a different model. Cellular prion protein (PrP C ) is now an established receptor for Aβ oligomers. However, different groups studying the Aβ-PrP C interaction in vivo using a variety of mouse models have obtained contradictory results. Here we performed a longitudinal study in two commonly used AD mouse models using a range of biochemical, histological and behavioural techniques and found similar contradictory results and a possible explanation for the discrepancy. We propose that these two mouse models produce Aβ oligomers with different conformations. Therefore, binding to PrP C and the subsequent activation of toxic signalling cascade will occur only when the Aβ oligomer species with appropriate conformation are present. Hence, it is crucial to select the appropriate model producing the appropriate species of Aβ oligomers to study specific aspects of β-amyloidosis and its downstream pathways. Further conformational characterisation of Aβ oligomers and their binding to PrP C is required to better understand Aβ neurotoxicity.

Abstract Human prion diseases are fatal neurodegenerative disorders which cause cognitive impairment and neurological deficits. Additional measures of tissue status are necessary for improving the sensitivity and specificity of clinical diagnosis as in many cases clinical forms of prion disease are commonly mistaken for other forms of dementia. To that effect, we developed a set of quantitative magnetic resonance-based tools, including magnetic resonance spectroscopy (MRS), magnetization transfer ratio (MTR) and quantitative T 1 and T 2 imaging to study the course of the disease in an animal model of prion disease. Using in vivo MTR, significant changes were detected in the cortex and thalamus of late-stage prion -infected mice as compared to littermates. In addition, we found a significant increase of MTR in thalamus and cortex of 80 dpi healthy mice when compared with 160 dpi healthy mice suggestive of changes occurring during the development of the brain. Using quantitative T 2 mapping, significantly higher values were measured in thalamus of prion mice at all stages of the disease (T 2 =40ms) while T 1 was found to be significantly higher in cortex (T 1 =1.89s) and hippocampus, albeit only in late-stage prion mice as compared to aged-matched controls (T 1 =1.67s). Using quantitative MRS significant changes were detected in glutamate (Glu) and myo-inositol (Ins) at all stages of prion disease when compared with the control group. NAA, Cr, Lactate and Lipids were only found to be significantly different at early and late stages of the disease while Taurine (Tau) was only significantly increased in the asymptomatic stage without any significant change at early and late stages of the disease. These changes in MRI and MRS signals, which precede clinical signs of disease, could provide insights into the pathogenesis of this disease and may enable early detection of pathology.