Although the microglial activation is concomitant to the Alzheimer's disease, its precise role (neuroprotection vs neurodegeneration) has not yet been resolved. Here, we show the existence of an age-dependent phenotypic change of microglial activation in the hippocampus of PS1xAPP model, from an alternative activation state with Aβ phagocytic capabilities (at 6 months) to a classic cytotoxic phenotype (expressing TNF-α and related factors) at 18 months of age. This switch was coincident with high levels of soluble Aβ oligomers and a significant pyramidal neurodegeneration. In vitro assays, using astromicroglial cultures, demonstrated that oligomeric Aβ42 and soluble extracts from 18-month-old PS1xAPP hippocampus produced a potent TNF-α induction whereas monomeric Aβ42 and soluble extract from 6- or 18-month-old control and 6-month-old PS1xAPP hippocampi produced no stimulation. This stimulatory effect was avoided by immunodepletion using 6E10 or A11. In conclusion, our results show evidence of a switch in the activated microglia phenotype from alternative, at the beginning of Aβ pathology, to a classical at advanced stage of the disease in this model. This change was induced, at least in part, by the age-dependent accumulation of extracellular soluble Aβ oligomers. Finally, these cytotoxic activated microglial cells could participate in the neuronal lost observed in AD.

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease in which the formation of extracellular aggregates of amyloid beta (Aβ) peptide, fibrillary tangles of intraneuronal tau and microglial activation are major pathological hallmarks. One of the key molecules involved in microglial activation is galectin-3 (gal3), and we demonstrate here for the first time a key role of gal3 in AD pathology. Gal3 was highly upregulated in the brains of AD patients and 5xFAD (familial Alzheimer's disease) mice and found specifically expressed in microglia associated with Aβ plaques. Single-nucleotide polymorphisms in the LGALS3 gene, which encodes gal3, were associated with an increased risk of AD. Gal3 deletion in 5xFAD mice attenuated microglia-associated immune responses, particularly those associated with TLR and TREM2/DAP12 signaling. In vitro data revealed that gal3 was required to fully activate microglia in response to fibrillar Aβ. Gal3 deletion decreased the Aβ burden in 5xFAD mice and improved cognitive behavior. Interestingly, a single intrahippocampal injection of gal3 along with Aβ monomers in WT mice was sufficient to induce the formation of long-lasting (2 months) insoluble Aβ aggregates, which were absent when gal3 was lacking. High-resolution microscopy (stochastic optical reconstruction microscopy) demonstrated close colocalization of gal3 and TREM2 in microglial processes, and a direct interaction was shown by a fluorescence anisotropy assay involving the gal3 carbohydrate recognition domain. Furthermore, gal3 was shown to stimulate TREM2-DAP12 signaling in a reporter cell line. Overall, our data support the view that gal3 inhibition may be a potential pharmacological approach to counteract AD.

Microglial activation has been considered a crucial player in the pathological process of multiple human neurodegenerative diseases. In some of these pathologies, such as Amyotrophic Lateral Sclerosis or Multiple Sclerosis, the immune system and microglial cells (as part of the cerebral immunity) play a central role. In other degenerative processes, such as Alzheimer's disease (AD), the role of microglia is far to be elucidated. In this "mini-review" article, we briefly highlight our recent data comparing the microglial response between amyloidogenic transgenic models, such as APP/PS1 and AD patients. Since the AD pathology could display regional heterogeneity, we focus our work at the hippocampal formation. In APP based models a prominent microglial response is triggered around amyloid-beta (Aβ) plaques. These strongly activated microglial cells could drive the AD pathology and, in consequence, could be implicated in the neurodegenerative process observed in models. On the contrary, the microglial response in human samples is, at least, partial or attenuated. This patent difference could simply reflect the lower and probably slower Aβ production observed in human hippocampal samples, in comparison with models, or could reflect the consequence of a chronic long-standing microglial activation. Beside this differential response, we also observed microglial degeneration in Braak V-VI individuals that, indeed, could compromise their normal role of surveying the brain environment and respond to the damage. This microglial degeneration, particularly relevant at the dentate gyrus, might be mediated by the accumulation of toxic soluble phospho-tau species. The consequences of this probably deficient immunological protection, observed in AD patients, are unknown.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a major adult-onset neurodegenerative condition with no available treatment. Compelling reports point amyloid-β (Aβ) as the main etiologic agent that triggers AD. Although there is extensive evidence of detrimental crosstalk between Aβ and microglia that contributes to neuroinflammation in AD, the exact mechanism leading to neuron death remains unknown. Using postmortem human AD brain tissue, we show that Aβ pathology is associated with the necroptosis effector pMLKL. Moreover, we found that the burden of Aβo correlates with the expression of key markers of necroptosis activation. Additionally, inhibition of necroptosis by pharmacological or genetic means, reduce neurodegeneration and memory impairment triggered by Aβo in mice. Since microglial activation is emerging as a central driver for AD pathogenesis, we then tested the contribution of microglia to the mechanism of Aβo-mediated necroptosis activation in neurons. Using an in vitro model, we show that conditioned medium from Aβo-stimulated microglia elicited necroptosis in neurons through activation of TNF-α signaling, triggering extensive neurodegeneration. Notably, necroptosis inhibition provided significant neuronal protection. Together, these findings suggest that Aβo-mediated microglia stimulation in AD contributes to necroptosis activation in neurons and neurodegeneration. As necroptosis is a druggable degenerative mechanism, our findings might have important therapeutic implications to prevent the progression of AD.

ABSTRACT Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease in which the formation of extracellular aggregates of amyloid beta (Aβ) peptide, intraneuronal tau neurofibrillary tangles and microglial activation are major pathological hallmarks. One of the key molecules involved in microglial activation is galectin-3 (gal3), and we demonstrate here for the first time a key role of gal3 in AD pathology. Gal3 was highly upregulated in the brains of AD patients and 5xFAD (familial Alzheimer’s disease) mice, and found specifically expressed in microglia associated with Aβ plaques. Single nucleotide polymorphisms in the LGALS3 gene, which encodes gal3, were associated to an increased risk of AD. Gal3 deletion in 5xFAD mice attenuated microglia-associated immune responses, particularly those associated with TLR and TREM2/DAP12 signaling. In vitro data demonstrated the requirement of gal3 to fully activate microglia in response to fibrillar Aβ. Gal3 deletion decreased the Aβ burden in 5xFAD mice and improved cognitive behavior. Electron microscopy of gal3 in AD mice demonstrated i) a preferential expression of gal3 by plaque-associated microglia, ii) its presence in the extracellular space and iii) its association to Aβ plaques. Low concentrations (1 nM) of pure gal3 promoted cross-seeding fibrilization of pure Aβ. Importantly, a single intrahippocampal injection of gal3 along with Aβ monomers in WT mice was sufficient to induce the formation of insoluble Aβ aggregates that were absent when gal3 was lacking. High-resolution microscopy (STORM) demonstrated close co-localization of gal3 and TREM2 in microglial processes, and a direct interaction was shown by a fluorescence anisotropy assay involving the gal3 CRD domain. Furthermore, gal3 stimulated the TREM2-DAP12 signaling pathway. In conclusion, we provide evidence that gal3 is a central regulator of microglial immune response in AD. It drives proinflammatory activation and Aβ aggregation, as well as acting as an endogenous ligand to TREM2, a key receptor driving microglial response under disease conditions. Gal3 inhibition may, hence, be a potential pharmacological approach to counteract AD.

Abstract Microglia play an important role in the maintenance of brain homeostasis, and microglial dysfunction plays a causative role in Alzheimer disease pathogenesis. Here we focus on the signal regulatory protein SIRPβ1, a surface receptor expressed on the myeloid cells that triggers amyloid-β and cell debris phagocytosis via TYROBP. We found that a common intragenic duplication alters the SIRPβ1 protein isoform landscape affecting both extracellular and transmembrane domains, which compromise their ability to bind oligomeric Aβ and their affinity for TYROBP. Epidemiological studies show that patients with mild cognitive impairment that are homozygous for the SIRPβ1 duplication allele show an increased cerebrospinal fluid t-Tau/Aβ ratio (p-value=0.018) and a higher risk to develop AD (OR=1.678, p-value=0.018). Magnetic resonance imaging at diagnosis showed that AD patients with the duplication allele exhibited a worse initial response to the disease. At the moment of diagnosis all patients showed equivalent Mini-Mental State Examination scores. However AD patients with the duplication allele had less hippocampal degeneration (Beta= -0.62, p-value < 0.001) and fewer white matter hyperintensities. In contrast, longitudinal studies indicate that patients bearing the duplication allele show a slower cognitive decline after correcting by baseline (p-value = 0.013). Transcriptional analysis of the patients’ hippocampus also shows that the SIRPβ1 duplication allele correlates with higher TREM2 expression and an increased microglial activation. Given the recent pharmacological approaches focused on the TREM2-TYROBP axis, we consider that the presence of this structural variant might be considered as a potential modulator of this causative pathway.

This study examines the release kinetics of hydrophilic drugs from inert and porous matrices structured as body-centered cubic (bcc) lattices, utilizing Monte Carlo simulations for analysis. In this research, we examined a sphere with three distinct radii and a cylinder with three varying height-to-radius ratios. For each sample, we assessed the kinetics of drug release at varying drug concentrations and modeled the release by simulating the random diffusion of drug particles to the device's boundaries. The comparison of release profiles highlighted the influence of size, geometry, and connectivity on the kinetic parameters and essential properties. Enhancing the area-to-volume ratio leads to a diminished rate of drug release. Similarly, an escalation in size, as indicated by the ratio 1:18:55, results in a reduced drug release rate. Additionally, our findings reveal that the quantity of drug retained indefinitely is greater within a body-centered cubic (bcc) lattice matrix compared to a simple cubic (cs) lattice structure. In both geometrical configurations, the trapped drug is independent of the system's scaling in comparison to a cs lattice. Furthermore, our analysis reveals that at larger scales, with a drug concentration above the theoretical percolation threshold, our system remains stable. The outcomes align with the empirical Higuchi equation and the Weibull function. Our findings concur with previously published experimental outcomes, suggesting that bcc connectivity is a reliable parameter for simulating diffusion processes in the drug release from solid pharmaceutical forms. This correlation supports the use of bcc connectivity as a predictive tool in pharmaceutical research, aiding in the understanding of drug release mechanisms. Resumen. Este trabajo analiza la cinética de liberación de fármacos hidrófilos a partir de matrices inertes y porosas en una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc) mediante simulacion de Monte Carlo. Para este estudio, seleccionamos una esfera con tres radios diferentes y un cilindro con tres relaciones altura/radio diferentes. Para cada uno, determinamos la cinética de liberación del fármaco con diferentes cargas y simulamos la liberación a través del movimiento aleatorio de cada partícula del fármaco hacia los límites del dispositivo mediante un proceso de difusión. Se compararon los perfiles de liberación y analizamos el efecto de escalamiento, la geometría y la conectividad sobre los parámetros cinéticos y las propiedades críticas del sistema. Al aumentar la relación área/volumen, disminuye la tasa de liberación del fármaco, mientras que con el aumento del tamaño (1:18:55), la tasa de liberación del fármaco disminuye. Además, identificamos que la cantidad de fármaco atrapado a tiempo infinito es mayor en la matriz constituida por la red bcc que en la red cúbica simple (cs). En ambas geometrías, bajo una red bcc se observó que la cantidad de fármaco atrapado no es sensible al escalamiento del sistema en comparación con una red cs. Además, caracterizamos nuestros sistemas mostrando que en escalas mayores y con una carga de fármaco muy por arriba del umbral de percolación teórico, los datos se ajustan a la ecuación empírica de Higuchi y la función de Weibull. Nuestros datos concuerdan resultados experimentales y teóricos previamente reportados, lo que permite considerar la conectividad bcc como un buen parámetro de simulación de procesos difusivos, como la liberación de fármaco desde formas farmacéuticas sólidas.