Summary

Background

 CSF and PET biomarkers of amyloid β and tau accurately detect Alzheimer's disease pathology, but the invasiveness, high cost, and poor availability of these detection methods restrict their widespread use as clinical diagnostic tools. CSF tau phosphorylated at threonine 181 (p-tau181) is a highly specific biomarker for Alzheimer's disease pathology. We aimed to assess whether blood p-tau181 could be used as a biomarker for Alzheimer's disease and for prediction of cognitive decline and hippocampal atrophy. 

Methods

 We developed and validated an ultrasensitive blood immunoassay for p-tau181. Assay performance was evaluated in four clinic-based prospective cohorts. The discovery cohort comprised patients with Alzheimer's disease and age-matched controls. Two validation cohorts (TRIAD and BioFINDER-2) included cognitively unimpaired older adults (mean age 63–69 years), participants with mild cognitive impairment (MCI), Alzheimer's disease, and frontotemporal dementia. In addition, TRIAD included healthy young adults (mean age 23 years) and BioFINDER-2 included patients with other neurodegenerative disorders. The primary care cohort, which recruited participants in Montreal, Canada, comprised control participants from the community without a diagnosis of a neurological condition and patients referred from primary care physicians of the Canadian National Health Service for specialist care. Concentrations of plasma p-tau181 were compared with established CSF and PET biomarkers and longitudinal measurements using Spearman correlation, area under the curve (AUC), and linear regression analyses. 

Findings

 We studied 37 individuals in the discovery cohort, 226 in the first validation cohort (TRIAD), 763 in the second validation cohort (BioFINDER-2), and 105 in the primary care cohort (n=1131 individuals). In all cohorts, plasma p-tau181 showed gradual increases along the Alzheimer's disease continuum, from the lowest concentrations in amyloid β-negative young adults and cognitively unimpaired older adults, through higher concentrations in the amyloid β-positive cognitively unimpaired older adults and MCI groups, to the highest concentrations in the amyloid β-positive MCI and Alzheimer's disease groups (p<0·001, Alzheimer's disease vs all other groups). Plasma p-tau181 distinguished Alzheimer's disease dementia from amyloid β-negative young adults (AUC=99·40%) and cognitively unimpaired older adults (AUC=90·21–98·24% across cohorts), as well as other neurodegenerative disorders, including frontotemporal dementia (AUC=82·76–100% across cohorts), vascular dementia (AUC=92·13%), progressive supranuclear palsy or corticobasal syndrome (AUC=88·47%), and Parkinson's disease or multiple systems atrophy (AUC=81·90%). Plasma p-tau181 was associated with PET-measured cerebral tau (AUC=83·08–93·11% across cohorts) and amyloid β (AUC=76·14–88·09% across cohorts) pathologies, and 1-year cognitive decline (p=0·0015) and hippocampal atrophy (p=0·015). In the primary care cohort, plasma p-tau181 discriminated Alzheimer's disease from young adults (AUC=100%) and cognitively unimpaired older adults (AUC=84·44%), but not from MCI (AUC=55·00%). 

Interpretation

 Blood p-tau181 can predict tau and amyloid β pathologies, differentiate Alzheimer's disease from other neurodegenerative disorders, and identify Alzheimer's disease across the clinical continuum. Blood p-tau181 could be used as a simple, accessible, and scalable test for screening and diagnosis of Alzheimer's disease. 

Funding

 Alzheimer Drug Discovery Foundation, European Research Council, Swedish Research Council, Swedish Alzheimer Foundation, Swedish Dementia Foundation, Alzheimer Society Research Program.

Plasma phosphorylated tau181 (P-tau181) might be increased in Alzheimer’s disease (AD), but its usefulness for differential diagnosis and prognosis is unclear. We studied plasma P-tau181 in three cohorts, with a total of 589 individuals, including cognitively unimpaired participants and patients with mild cognitive impairment (MCI), AD dementia and non-AD neurodegenerative diseases. Plasma P-tau181 was increased in preclinical AD and further increased at the MCI and dementia stages. It correlated with CSF P-tau181 and predicted positive Tau positron emission tomography (PET) scans (area under the curve (AUC) = 0.87–0.91 for different brain regions). Plasma P-tau181 differentiated AD dementia from non-AD neurodegenerative diseases with an accuracy similar to that of Tau PET and CSF P-tau181 (AUC = 0.94–0.98), and detected AD neuropathology in an autopsy-confirmed cohort. High plasma P-tau181 was associated with subsequent development of AD dementia in cognitively unimpaired and MCI subjects. In conclusion, plasma P-tau181 is a noninvasive diagnostic and prognostic biomarker of AD, which may be useful in clinical practice and trials. Plasma P-tau18 level increased with progression of Alzheimer’s disease (AD) and differentiated AD dementia from other neurodegenerative diseases, supporting its further development as a blood-based biomarker for AD.

There are limitations in current diagnostic testing approaches for Alzheimer disease (AD).To examine plasma tau phosphorylated at threonine 217 (P-tau217) as a diagnostic biomarker for AD.Three cross-sectional cohorts: an Arizona-based neuropathology cohort (cohort 1), including 34 participants with AD and 47 without AD (dates of enrollment, May 2007-January 2019); the Swedish BioFINDER-2 cohort (cohort 2), including cognitively unimpaired participants (n = 301) and clinically diagnosed patients with mild cognitive impairment (MCI) (n = 178), AD dementia (n = 121), and other neurodegenerative diseases (n = 99) (April 2017-September 2019); and a Colombian autosomal-dominant AD kindred (cohort 3), including 365 PSEN1 E280A mutation carriers and 257 mutation noncarriers (December 2013-February 2017).Plasma P-tau217.Primary outcome was the discriminative accuracy of plasma P-tau217 for AD (clinical or neuropathological diagnosis). Secondary outcome was the association with tau pathology (determined using neuropathology or positron emission tomography [PET]).Mean age was 83.5 (SD, 8.5) years in cohort 1, 69.1 (SD, 10.3) years in cohort 2, and 35.8 (SD, 10.7) years in cohort 3; 38% were women in cohort 1, 51% in cohort 2, and 57% in cohort 3. In cohort 1, antemortem plasma P-tau217 differentiated neuropathologically defined AD from non-AD (area under the curve [AUC], 0.89 [95% CI, 0.81-0.97]) with significantly higher accuracy than plasma P-tau181 and neurofilament light chain (NfL) (AUC range, 0.50-0.72; P < .05). The discriminative accuracy of plasma P-tau217 in cohort 2 for clinical AD dementia vs other neurodegenerative diseases (AUC, 0.96 [95% CI, 0.93-0.98]) was significantly higher than plasma P-tau181, plasma NfL, and MRI measures (AUC range, 0.50-0.81; P < .001) but not significantly different compared with cerebrospinal fluid (CSF) P-tau217, CSF P-tau181, and tau-PET (AUC range, 0.90-0.99; P > .15). In cohort 3, plasma P-tau217 levels were significantly greater among PSEN1 mutation carriers, compared with noncarriers, from approximately 25 years and older, which is 20 years prior to estimated onset of MCI among mutation carriers. Plasma P-tau217 levels correlated with tau tangles in participants with (Spearman ρ = 0.64; P < .001), but not without (Spearman ρ = 0.15; P = .33), β-amyloid plaques in cohort 1. In cohort 2, plasma P-tau217 discriminated abnormal vs normal tau-PET scans (AUC, 0.93 [95% CI, 0.91-0.96]) with significantly higher accuracy than plasma P-tau181, plasma NfL, CSF P-tau181, CSF Aβ42:Aβ40 ratio, and MRI measures (AUC range, 0.67-0.90; P < .05), but its performance was not significantly different compared with CSF P-tau217 (AUC, 0.96; P = .22).Among 1402 participants from 3 selected cohorts, plasma P-tau217 discriminated AD from other neurodegenerative diseases, with significantly higher accuracy than established plasma- and MRI-based biomarkers, and its performance was not significantly different from key CSF- or PET-based measures. Further research is needed to optimize the assay, validate the findings in unselected and diverse populations, and determine its potential role in clinical care.

Abstract It is not known exactly where amyloid-β (Aβ) fibrils begin to accumulate in individuals with Alzheimer’s disease (AD). Recently, we showed that abnormal levels of Aβ42 in cerebrospinal fluid (CSF) can be detected before abnormal amyloid can be detected using PET in individuals with preclinical AD. Using these approaches, here we identify the earliest preclinical AD stage in subjects from the ADNI and BioFINDER cohorts. We show that Aβ accumulation preferentially starts in the precuneus, medial orbitofrontal, and posterior cingulate cortices, i.e., several of the core regions of the default mode network (DMN). This early pattern of Aβ accumulation is already evident in individuals with normal Aβ42 in the CSF and normal amyloid PET who subsequently convert to having abnormal CSF Aβ42. The earliest Aβ accumulation is further associated with hypoconnectivity within the DMN and between the DMN and the frontoparietal network, but not with brain atrophy or glucose hypometabolism. Our results suggest that Aβ fibrils start to accumulate predominantly within certain parts of the DMN in preclinical AD and already then affect brain connectivity.

We studied whether fully automated Elecsys cerebrospinal fluid (CSF) immunoassay results were concordant with positron emission tomography (PET) and predicted clinical progression, even with cutoffs established in an independent cohort.Cutoffs for Elecsys amyloid-β1-42 (Aβ), total tau/Aβ(1-42), and phosphorylated tau/Aβ(1-42) were defined against [18F]flutemetamol PET in Swedish BioFINDER (n = 277) and validated against [18F]florbetapir PET in Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (n = 646). Clinical progression in patients with mild cognitive impairment (n = 619) was studied.CSF total tau/Aβ(1-42) and phosphorylated tau/Aβ(1-42) ratios were highly concordant with PET classification in BioFINDER (overall percent agreement: 90%; area under the curve: 94%). The CSF biomarker statuses established by predefined cutoffs were highly concordant with PET classification in Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (overall percent agreement: 89%-90%; area under the curves: 96%) and predicted greater 2-year clinical decline in patients with mild cognitive impairment. Strikingly, tau/Aβ ratios were as accurate as semiquantitative PET image assessment in predicting visual read-based outcomes.Elecsys CSF biomarker assays may provide reliable alternatives to PET in Alzheimer's disease diagnosis.

Implementation of amyloid biomarkers in clinical practice would be accelerated if such biomarkers could be measured in blood. We analyzed plasma levels of Aβ42 and Aβ40 in a cohort of 719 individuals (the Swedish BioFINDER study), including patients with subjective cognitive decline (SCD), mild cognitive impairment (MCI), Alzheimer's disease (AD) dementia and cognitively healthy elderly, using a ultrasensitive immunoassay (Simoa platform). There were weak positive correlations between plasma and cerebrospinal fluid (CSF) levels for both Aβ42 and Aβ40, and negative correlations between plasma Aβ42 and neocortical amyloid deposition (measured with PET). Plasma levels of Aβ42 and Aβ40 were reduced in AD dementia compared with all other diagnostic groups. However, during the preclinical or prodromal AD stages (i.e. in amyloid positive controls, SCD and MCI) plasma concentration of Aβ42 was just moderately decreased whereas Aβ40 levels were unchanged. Higher plasma (but not CSF) levels of Aβ were associated with white matter lesions, cerebral microbleeds, hypertension, diabetes and ischemic heart disease. In summary, plasma Aβ is overtly decreased during the dementia stage of AD indicating that prominent changes in Aβ metabolism occur later in the periphery compared to the brain. Further, increased levels of Aβ in plasma are associated with vascular disease.

Objective:

 To test whether plasma tau is altered in Alzheimer disease (AD) and whether it is related to changes in cognition, CSF biomarkers of AD pathology (including β-amyloid [Aβ] and tau), brain atrophy, and brain metabolism. 

Methods:

 This was a study of plasma tau in prospectively followed patients with AD (n = 179), patients with mild cognitive impairment (n = 195), and cognitive healthy controls (n = 189) from the Alzheimer9s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) and cross-sectionally studied patients with AD (n = 61), mild cognitive impairment (n = 212), and subjective cognitive decline (n = 174) and controls (n = 274) from the Biomarkers for Identifying Neurodegenerative Disorders Early and Reliably (BioFINDER) study at Lund University, Sweden. A total of 1284 participants were studied. Associations were tested between plasma tau and diagnosis, CSF biomarkers, MRI measures, ¹⁸fluorodeoxyglucose-PET, and cognition. 

Results:

 Higher plasma tau was associated with AD dementia, higher CSF tau, and lower CSF Aβ₄₂, but the correlations were weak and differed between ADNI and BioFINDER. Longitudinal analysis in ADNI showed significant associations between plasma tau and worse cognition, more atrophy, and more hypometabolism during follow-up. 

Conclusions:

 Plasma tau partly reflects AD pathology, but the overlap between normal aging and AD is large, especially in patients without dementia. Despite group-level differences, these results do not support plasma tau as an AD biomarker in individual people. Future studies may test longitudinal plasma tau measurements in AD.

The diagnostic accuracy of cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers for Alzheimer's disease (AD) must be improved before widespread clinical use. This study aimed to determine whether CSF Aβ42/Aβ40 and Aβ42/Aβ38 ratios are better diagnostic biomarkers of AD during both predementia and dementia stages in comparison to CSF Aβ42 alone.The study comprised three different cohorts (n = 1182) in whom CSF levels of Aβ42, Aβ40, and Aβ38 were assessed. CSF Aβs were quantified using three different immunoassays (Euroimmun, Meso Scale Discovery, Quanterix). As reference standard, we used either amyloid ((18)F-flutemetamol) positron emission tomography (PET) imaging (n = 215) or clinical diagnosis (n = 967) of well-characterized patients.When using three different immunoassays in cases with subjective cognitive decline and mild cognitive impairment, the CSF Aβ42/Aβ40 and Aβ42/Aβ38 ratios were significantly better predictors of abnormal amyloid PET than CSF Aβ42. Lower Aβ42, Aβ42/Aβ40, and Aβ42/Aβ38 ratios, but not Aβ40 and Aβ38, correlated with smaller hippocampal volumes measured by magnetic resonance imaging. However, lower Aβ38, Aβ40, and Aβ42, but not the ratios, correlated with non-AD-specific subcortical changes, that is, larger lateral ventricles and white matter lesions. Further, the Aβ42/Aβ40 and Aβ42/Aβ38 ratios showed increased accuracy compared to Aβ42 when distinguishing AD from dementia with Lewy bodies or Parkinson's disease dementia and subcortical vascular dementia, where all Aβs (including Aβ42) were decreased.The CSF Aβ42/Aβ40 and Aβ42/Aβ38 ratios are significantly better than CSF Aβ42 to detect brain amyloid deposition in prodromal AD and to differentiate AD dementia from non-AD dementias. The ratios reflect AD-type pathology better, whereas decline in CSF Aβ42 is also associated with non-AD subcortical pathologies. These findings strongly suggest that the ratios rather than CSF Aβ42 should be used in the clinical work-up of AD.

Increased cerebrospinal fluid neurofilament light (NfL) is a recognized biomarker for neurodegeneration that can also be assessed in blood. Here, we investigate plasma NfL as a marker of neurodegeneration in 13 neurodegenerative disorders, Down syndrome, depression and cognitively unimpaired controls from two multicenter cohorts: King's College London (n = 805) and the Swedish BioFINDER study (n = 1,464). Plasma NfL was significantly increased in all cortical neurodegenerative disorders, amyotrophic lateral sclerosis and atypical parkinsonian disorders. We demonstrate that plasma NfL is clinically useful in identifying atypical parkinsonian disorders in patients with parkinsonism, dementia in individuals with Down syndrome, dementia among psychiatric disorders, and frontotemporal dementia in patients with cognitive impairment. Data-driven cut-offs highlighted the fundamental importance of age-related clinical cut-offs for disorders with a younger age of onset. Finally, plasma NfL performs best when applied to indicate no underlying neurodegeneration, with low false positives, in all age-related cut-offs.

Accurate blood-based biomarkers for Alzheimer disease (AD) might improve the diagnostic accuracy in primary care, referrals to memory clinics, and screenings for AD trials.To examine the accuracy of plasma β-amyloid (Aβ) and tau measured using fully automated assays together with other blood-based biomarkers to detect cerebral Aβ.Two prospective, cross-sectional, multicenter studies. Study participants were consecutively enrolled between July 6, 2009, and February 11, 2015 (cohort 1), and between January 29, 2000, and October 11, 2006 (cohort 2). Data were analyzed in 2018. The first cohort comprised 842 participants (513 cognitively unimpaired [CU], 265 with mild cognitive impairment [MCI], and 64 with AD dementia) from the Swedish BioFINDER study. The validation cohort comprised 237 participants (34 CU, 109 MCI, and 94 AD dementia) from a German biomarker study.The cerebrospinal fluid (CSF) Aβ42/Aβ40 ratio was used as the reference standard for brain Aβ status. Plasma Aβ42, Aβ40 and tau were measured using Elecsys immunoassays (Roche Diagnostics) and examined as predictors of Aβ status in logistic regression models in cohort 1 and replicated in cohort 2. Plasma neurofilament light chain (NFL) and heavy chain (NFH) and APOE genotype were also examined in cohort 1.The mean (SD) age of the 842 participants in cohort 1 was 72 (5.6) years, with a range of 59 to 88 years, and 446 (52.5%) were female. For the 237 in cohort 2, mean (SD) age was 66 (10) years with a range of 23 to 85 years, and 120 (50.6%) were female. In cohort 1, plasma Aβ42 and Aβ40 predicted Aβ status with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.80 (95% CI, 0.77-0.83). When adding APOE, the AUC increased significantly to 0.85 (95% CI, 0.82-0.88). Slight improvements were seen when adding plasma tau (AUC, 0.86; 95% CI, 0.83-0.88) or tau and NFL (AUC, 0.87; 95% CI, 0.84-0.89) to Aβ42, Aβ40 and APOE. The results were similar in CU and cognitively impaired participants, and in younger and older participants. Applying the plasma Aβ42 and Aβ40 model from cohort 1 in cohort 2 resulted in slightly higher AUC (0.86; 95% CI, 0.81-0.91), but plasma tau did not contribute. Using plasma Aβ42, Aβ40, and APOE in an AD trial screening scenario reduced positron emission tomography costs up to 30% to 50% depending on cutoff.Plasma Aβ42 and Aβ40 measured using Elecsys immunoassays predict Aβ status in all stages of AD with similar accuracy in a validation cohort. Their accuracy can be further increased by analyzing APOE genotype. Potential future applications of these blood tests include prescreening of Aβ positivity in clinical AD trials to lower the costs and number of positron emission tomography scans or lumbar punctures.