The role of microglia in preclinical models recapitulating the key ATN pathologies of Alzheimer's Disease

Abstract

Alzheimer’s disease is a devastating neurodegenerative disorder and the most prominent form of dementia worldwide. Currently, 57 million people suffer from dementia with increasing incidence, presenting a major socio-economical problem. Treatments presently available only act symptomatically, and no cure exists which halts disease progression. Therefore, there is a high need for novel disease modifying strategies, which require a better understanding of pathological AD mechanisms. Brains of AD patients are characterised by amyloid pathology, tau pathology and neurodegeneration, classified into the ATN axis, which describes a consecutive development of these pathologies. While amyloid pathology occurs early in pathogenesis, tau pathology strongly correlates with neurodegeneration and is strongly associated with disease symptoms. Understanding the mechanisms of tau pathology and tau-induced neurodegeneration is therefore of great importance for therapeutic design. Both amyloid and tau pathology are associated with microgliosis, a prominent feature of AD brains. Amyloid and tau pathology are known to activate microglia, contributing to inflammatory processes. However, the active contribution of microglia to disease progression and pathogenic processes has only been investigated over the last decade. In this dissertation, we focussed on the mechanism by which aggregated tau can activate microglia, the role of microglia on tau pathology and tau-induced neurodegeneration and the role of microglia along the ATN axis. In chapter 2 we investigated the molecular mechanism by which tau aggregates activate microglia. Previous studies demonstrated that aggregated Aβ and molecular β-sheet structures activate the NLRP3-ASC inflammasome, which leads to release of pro-inflammatory cytokines such as IL-18 and IL-1β. In view of the β-sheet structures of tau aggregates we here analysed whether pre-aggregated tau could activate the NLRP3 inflammasome. Using pre-aggregated tau seeds on primary microglia, we demonstrated for the first time that tau aggregates activate the NLRP3-ASC inflammasome via a lysosomal pathway. We furthermore demonstrated that NLRP3-ASC inflammasome activation exacerbates tau pathology as well as tau-seeded propagation of tau in vivo using tau seeding in ASC knock-out mice and pharmacological administration of the NLRP3 MCC950 inhibitor. In chapter 3 we further extended our analysis in NLRP3 knock-out mice and demonstrated that NLRP3-ASC inflammasome activation also aggravates tauinduced neurodegeneration. Overall, our findings demonstrate that tau pathology can activate microglia through the NLRP3-ASC inflammasome and thereby contribute to tau-associated microgliosis observed in tauopathies. Furthermore, microglia can actively contribute to progression of tau pathology and downstream neurodegenerative processes through NLRP3-ASC inflammasome activation. This highlights the NLRP3-ASC inflammasome as an interesting therapeutic target to halt the progression of tau pathology and tau-induced neurodegeneration. The role of microglia on AD pathology has mainly been studied in single amyloid or tau pathology models. Considering that microglial functions might differ depending on environmental stimuli, we aimed to study the role of microglia along the ATN axis. Furthermore, while the link between amyloid and tau pathology plays is crucial in AD, it remains poorly understood. Microglia present an interesting candidate for modulating amyloid induced tau pathology and subsequent neurodegeneration. As no model which robustly displays tau-induced neurodegeneration downstream of amyloid pathology exists, in chapter 4 we first aimed to generate an in vivo model which recapitulates the full ATN axis as seen in AD patients. We crossed 5xFAD amyloid transgenic mice with PS19 tau transgenic mice, and combined it with our tau seeding model. This in vivo model displayed robust amyloid-facilitated tau pathology, propagation of tau and neurodegeneration, thereby recapitulating the full ATN axis. Indeed, tau seeded tau pathology and propagation was strongly facilitated in the presence compared to the absence of amyloid pathology, and was associated with robust neurodegeneration. This model recapitulating AD progression along the ATN axis, now enables the study of molecular mechanisms involved in tau pathology and tau-induced neurodegeneration downstream of amyloid pathology. Using our newly established model, in chapter 5, we identified microglial phenotypes associated with different stages of the ATN axis, using single cell sequencing. We observed an upregulation of DAM and reactive microglia in the presence of combined ATN conditions compared to amyloid only conditions. Most importantly, we demonstrated that tau pathology as well as tau-induced neurodegeneration downstream of amyloid pathology are significantly attenuated upon microglial elimination using CSF1R inhibition eliminating 80% of the microglial population. This indicates a detrimental role of microglia in the progression beyond amyloid pathology to amyloid induced tau pathology and subsequent neurodegeneration. We herewith demonstrate a contributing role of microglia to progression along the ATN axis. Interestingly, CSF1R inhibition differentially affected plaque-associated and non-plaque-associated microglia, indicating that while detrimental microglia were eliminated, a limited subset of potential protective microglia near plaques remained. Overall, our findings highlight the potential of CSF1R as a therapeutic strategy by targeting detrimental microglial populations. Taken together, we have demonstrated an active role of microglia in the progression of AD along the ATN axis. Our data provide a basis for therapeutic strategies targeting microglia, specifically the NLRP3-ASC inflammasome and detrimental microglial phenotypes.

De ziekte van Alzheimer (AD) is een progressieve neurodegeneratieve aandoening en wereldwijd de meest voorkomende vorm van dementie. Momenteel lijden 57 miljoen mensen aan dementie waarvan de stijgende incidentie een groot socioeconomisch probleem vormt. De huidige behandelingen werken enkel symptomatisch en er bestaat geen remedie die de progressie van de ziekte kan tegengaan. Er is daarom een grote nood aan nieuwe therapeutische strategieën die inwerken op onderliggende pathologische processen. Hiervoor is een beter begrip van de pathologische mechanismen van AD nodig.

De hersenen van AD-patiënten worden gekarakteriseerd door amyloïd pathologie, tau pathologie en neurodegeneratie. Deze kenmerken worden geclassificeerd in de ATN-as die de opeenvolgende ontwikkeling van deze pathologieën beschrijft. Hoewel amyloïd pathologie als eerste optreedt in de pathogenese, is het tau pathologie dat sterk correleert met neurodegeneratie en de geassocieerde ziektesymptomen. Voor het ontwerp van therapeutische strategieën is het daarom van groot belang om de mechanismen van tau pathologie en tau-geïnduceerde neurodegeneratie te begrijpen. Zowel amyloïd als tau pathologie zijn geassocieerd met microgliose, een kenmerk van AD. Het is gekend van amyloïd en tau pathologie dat deze microglia activeren en zo bijdragen tot inflammatoire processen. De actieve contributie van microglia tot de ziekteprogressie werd echter pas recent bestudeerd. In deze thesis focussen we op: het mechanisme waarbij geaggregeerd tau microglia kan activeren, de rol van microglia op tau pathologie en tau-geïnduceerde neurodegeneratie, en de rol van microglia op de ATN-as. In hoofdstuk 2 hebben we het moleculaire mechanisme onderzocht waarmee tau-aggregaten microglia activeren. Eerdere studies hebben aangetoond dat geaggregeerd Aβ en moleculaire β-sheetstructuren het NLRP3-ASCinflammasoom kunnen activeren, wat leidt tot secretie van pro-inflammatoire cytokines zoals IL-18 en IL-1β. Gezien het feit dat tau aggregaten β-sheet structuren bevatten, werd hier geanalyseerd of tau aggregaten het NLRP3-ASC inflammasoom kunnen activeren. Met behulp van geaggregeerde tau seeds op primaire microglia hebben we voor de eerste keer aangetoond dat tau-aggregaten het NLRP3-ASC-inflammasoom kunnen activeren via een lysosomale route. Verder hebben we ook aangetoond dat activatie van het NLRP3-ASC-inflammasoom zowel tau-pathologie, als tau geseede propagatie van tau verergert in vivo. Hierbij hebben we gebruik gemaakt van tau seeding in ASC-knock-out muizen en farmacologische toediening van de NLRP3 MCC950-inhibitor. In hoofdstuk 3 hebben we onze analyse in NLRP3 knock-out muizen verder uitgebreid en aangetoond dat NLRP3-ASC inflammasoom activatie ook tau-geïnduceerde neurodegeneratie verergert. Samengenomen, tonen onze bevindingen aan dat tau pathologie microglia kan activeren via het NLRP3-ASC-inflammasoom en daardoor kan bijdragen aan tau-geassocieerde microgliose die kenmerkend is voor tauopathieën. Bovendien kunnen microglia via activatie van het NLRP3-ASC-inflammasoom actief bijdragen aan de progressie van tau pathologie en downstream neurodegeneratieve processen. Dit plaatst het NLRP3-ASC-inflammasoom als een interessant therapeutisch doelwit om de progressie van tau pathologie en tau-geïnduceerde neurodegeneratie tegen te gaan. De rol van microglia op AD-pathologie is voornamelijk bestudeerd in modellen met enkel amyloïd- of tau-pathologie. Aangezien microgliale functies verschillen afhankelijk van hun omgevingsstimuli, onderzochten we de rol van microglia over de volledige ATN-as. De link tussen amyloïd en tau pathologie speelt bovendien een centrale rol in AD. Een volledig begrip van deze link ontbreekt echter, maar microgliose is een uiterst interessante kandidaat om amyloïd-geïnduceerde tau pathologie en neurodegeneratie te moduleren. Aangezien er geen model bestaat dat tau-geïnduceerde neurodegeneratie downstream van amyloïd pathologie vertoond, hebben we in hoofdstuk 4 eerst een in vivo model gegenereerd dat de volledige ATN-as recapituleert zoals bij ADpatiënten. Hiervoor hebben we 5xFAD-amyloïd transgene muizen met PS19 tautransgene muizen gekruist en gecombineerd met onze tau seeding assay. Dit in vivo model vertoonde robuuste amyloïd gefaciliteerde tau pathologie, propagatie van tau en neurodegeneratie, waardoor de volledige ATN-as werd gerecapituleerd. Tau seeded tau pathologie en propagatie waren sterk gefaciliteerd en geassocieerd met neurodegeneratie in de aanwezigheid van amyloïd pathologie. Dit model maakt het mogelijk om moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij tau-pathologie en tau-geïnduceerde neurodegeneratie downstream van amyloïde pathologie te bestuderen. Met behulp van ons nieuw gegenereerde model in hoofdstuk 5 hebben we via single cell sequencing microgliale fenotypes geïdentificeerd die geassocieerd zijn met de verschillende stadia van de ATN-as. Een opregulatie van DAM en reactieve microglia werd waargenomen in hersenen van muizen met ATN-pathologie in vergelijking met enkel amyloïd pathologie. Verder hebben we aangetoond dat zowel tau-pathologie als tau-geïnduceerde neurodegeneratie downstream van amyloïd pathologie worden geremd na 80% eliminatie van de microgliale populatie via CSF1R-inhibitie. Dit wijst op een schadelijke rol van microglia in de progressie van amyloïd pathologie naar amyloïd-geïnduceerde tau pathologie en neurodegeneratie. Dit toont aan dat microglia actief bijdragen aan pathologische progressie over de ATN-as. CSF1R-inhibitie beïnvloedde plaque-geassocieerde en niet plaque-geassocieerde microglia verschillend, wat aanduidt dat terwijl schadelijke microglia werden geëlimineerd, een deel potentieel beschermende plaque-geassocieerde microglia overbleven. Samengenomen hebben we een actieve rol van microglia in de progressie van ADpathologie over de ATN-as aangetoond. Onze data kunnen een basis vormen voor therapeutische strategieën die gericht zijn op microglia, in het bijzonder het NLRP3-ASC-inflammasoom en schadelijke microgliale fenotypes.