Abstract

Background

 Neurologic manifestations are well-recognized features of coronavirus disease 2019 (COVID-19). However, the longitudinal association of biomarkers reflecting CNS impact and neurological symptoms is not known. We sought to determine whether plasma biomarkers of CNS injury were associated with neurologic sequelae after COVID-19. 

Methods

 Patients with confirmed acute COVID-19 were studied prospectively. Neurological symptoms were recorded during the acute phase of the disease and at six months follow-up, and blood samples were collected longitudinally. Healthy age-matched individuals were included as controls. We analysed plasma concentrations of neurofilament light-chain (NfL), glial fibrillary acidic protein (GFAp), and growth differentiation factor 15 (GDF-15). 

Findings

 One hundred patients with mild (n = 24), moderate (n = 28), and severe (n = 48) COVID-19 were followed for a median (IQR) of 225 (187–262) days. In the acute phase, patients with severe COVID-19 had higher concentrations of NfL than all other groups (all p < 0·001), and higher GFAp than controls (p < 0·001). GFAp was also significantly increased in moderate disease (p < 0·05) compared with controls. NfL (r = 0·53, p < 0·001) and GFAp (r = 0·39, p < 0·001) correlated with GDF-15 during the acute phase. After six months, NfL and GFAp concentrations had normalized, with no persisting group differences. Despite this, 50 patients reported persistent neurological symptoms, most commonly fatigue (n = 40), "brain-fog" (n = 29), and changes in cognition (n = 25). We found no correlation between persistent neurological symptoms and CNS injury biomarkers in the acute phase. 

Interpretation

 The normalization of CNS injury biomarkers in all individuals, regardless of previous disease severity or persisting neurological symptoms, indicates that post COVID-19 neurological sequelae are not accompanied by ongoing CNS injury. 

Funding

 The Swedish State Support for Clinical Research, SciLifeLab Sweden, and the Knut and Alice Wallenberg Foundation have provided funding for this project.

Abstract Aim Growth differentiation factor 15 (GDF15) increases in serum during pregnancy to levels not seen in any other physiological state and is suggested to be involved in pregnancy-induced nausea, weight regulation and glucose metabolism. The main action of GDF15 is regulated through a receptor of the brainstem, i.e., through exposure of GDF15 in both blood and cerebrospinal fluid (CSF). The aim of the current study was to measure GDF15 in both CSF and serum during pregnancy, and to compare it longitudinally to non-pregnant levels. Methods Women were sampled at elective caesarean section (n=45, BMI=28.1±5.0) and were followed up 5 years after pregnancy (n=25). GDF15, insulin and leptin were measured in CSF and serum. In addition, glucose, adiponectin and Hs-CRP were measured in blood. Results GDF15 levels were higher during pregnancy compared with follow-up in both CSF (385±128 vs. 115±32 ng/l, p<0.001) and serum (73789±29198 vs. 404±102 ng/l, p<0.001). CSF levels correlated with serum levels during pregnancy (p<0.001), but not in the non-pregnant state (p=0.98). Both CSF and serum GDF15 were highest in women carrying a female fetus (p<0.001), previously linked to pregnancy-induced nausea. Serum GDF15 correlated with the homeostatic model assessment for beta-cell function and placental weight, and CSF GDF15 correlated inversely with CSF insulin levels. Conclusion This, the first study to measure CSF GDF15 during pregnancy, demonstrated increased GDF15 levels in both serum and CSF during pregnancy. The results suggest that effects of GDF15 during pregnancy can be mediated by increases in both CSF and serum levels.

Abstract Molecular markers derived from cerebrospinal fluid (CSF) represent an accessible means of exploring the pathobiology of Huntington’s disease (HD) in vivo. The endo-lysosomal/autophagy system is dysfunctional in HD, potentially contributing to disease pathogenesis and representing a potential target for therapeutic intervention. Several endo-lysosomal proteins have shown promise as biomarkers in other neurodegenerative diseases; however, they have yet to be fully explored in HD. We performed parallel reaction monitoring mass spectrometry analysis (PRM-MS) of multiple endo-lysosomal proteins in the CSF of 60 HD mutation carriers and 20 healthy controls. Using generalised linear models controlling for age and CAG, none of the 18 proteins measured displayed significant differences in concentration between HD patients and controls. This was affirmed by principal component analysis, in which no significant difference across disease stage was found in any of the three components representing lysosomal hydrolases, binding/transfer proteins and innate immune system/peripheral proteins. However, several proteins were associated with measures of disease severity and cognition: most notably amyloid precursor protein, which displayed strong correlations with composite Unified Huntington’s Disease Rating Scale, UHDRS Total Functional Capacity, UHDRS Total Motor Score, Symbol Digit Modalities Test and Stroop Word Reading. We conclude that although endo-lysosomal proteins are unlikely to have value as disease state CSF biomarkers for Huntington’s disease, several proteins demonstrate associations with clinical severity, thus warranting further, targeted exploration and validation in larger, longitudinal samples.

Reduction of native prion protein (PrP) levels in the brain is an attractive and genetically validated strategy for the treatment or prevention of human prion diseases. However, clinical development of any PrP-reducing therapeutic will require an appropriate pharmacodynamic biomarker: a practical and robust method for quantifying PrP, and reliably demonstrating its reduction, in the central nervous system (CNS) of a living patient. Here we evaluate the potential of enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based quantification of human PrP in human cerebrospinal fluid (CSF) to serve as a biomarker for PrP-reducing therapeutics. We show that CSF PrP is highly sensitive to plastic adsorption during handling and storage, but its loss can be minimized by addition of detergent. We find that blood contamination does not affect CSF PrP levels, and that CSF PrP and hemoglobin are uncorrelated, together suggesting that CSF PrP is CNS-derived, supporting its relevance for monitoring the tissue of interest and in keeping with high PrP abundance in brain relative to blood. In a cohort with controlled sample handling, CSF PrP exhibits good within-subject test-retest reliability (mean coefficient of variation 13% in samples collected 8-11 weeks apart), a sufficiently stable baseline to allow therapeutically meaningful reductions in brain PrP to be readily detected in CSF. Together, these findings supply a method for monitoring the effect of a PrP-reducing drug in the CNS, enabling the development of prion disease therapeutics with this mechanism of action.

Hippocampal down-regulation is associated with genetic predisposition to Alzheimer disease (AD), neurodevelopmental processes and disease symptoms. Resting state eigenvector centrality (EC) patterns resemble those of FDG-PET in AD, they can predict self-regulation performance and they are related to functional compensation across the pathophysiological continuum of AD. We acquired cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers from a cognitively unimpaired sample at risk for AD (N=48), to investigate the effect of β-amyloid peptide 42 (Aβ42) and phosphorylated tau (p-Tau) levels on EC during the down-regulation of hippocampal subfield cornu ammonis 1, with real-time fMRI closed-loop neurofeedback. Controlling the effects of confounding variables (age, sex, number of APOE ε4 alleles, cognitive reserve, brain reserve and hippocampal down-regulation performance), CSF Aβ42 levels correlated positively with EC in the anterior cingulate cortex (BA24, BA32) and primary motor cortex (BA4). CSF p-Tau levels correlated with EC positively in the ACC (BA32, BA10) ventral striatum (caudate, nucleus accumbens, putamen) and left primary somatosensory cortex (BA2), as well as negatively in the posterior cingulate cortex, precuneus, cuneus and left frontal pole (BA9). Controlling for CSF biomarkers and other prognosis variables, age correlated negatively with EC in the midcingulate cortex, insula, primary somatosensory cortex (BA2) and inferior parietal lobule (BA40), as well as positively with EC in the inferior temporal gyri. Taken together, we identified patterns of functional connectomics in individuals at risk of AD during hippocampal down-regulation, which resemble those found during resting state at advanced AD stages. Moreover, we provide a standard paradigm to replicate and extend this work on a global level. This opens new avenues for further research applications, which quantify and monitor disease progression, by identifying early alterations in the self-regulation of brain function, with potential for non-invasive prognostic screening.

ABSTRACT Using the Olink Explore 1536 platform, we measured 1,463 unique proteins in 303 cerebrospinal fluid (CSF) specimens from four clinical centers that included uninfected controls and 12 groups of people living with HIV-1 infection representing the spectrum of progressive untreated and treated chronic infection. We present three initial analyses of these measurements: an overview of the CSF protein features of the sample; correlations of the CSF proteins with CSF HIV-1 RNA and neurofilament light chain protein (NfL) concentrations; and comparison of the CSF proteins in HIV-associated dementia ( HAD ) and neurosymptomatic CSF escape ( NSE ). These reveal a complex but coherent picture of CSF protein changes that includes highest concentrations of many proteins during CNS injury in the HAD and NSE groups and variable protein changes across the course of neuroasymptomatic systemic HIV-1 progression, including two common patterns, designated as lymphoid and myeloid patterns, related to the principal involvement of their underlying inflammatory cell lineages. Antiretroviral therapy reduced CSF protein perturbations, though not always to control levels. The dataset of these CSF protein measurements, along with background clinical information, is posted online. Extended studies of this unique dataset will provide more detailed characterization of the dynamic impact of HIV-1 infection on the CSF proteome across the spectrum of HIV-1 infection, and further the mechanistic understanding of HIV-1-related CNS pathobiology.

Abstract Increased reactivity of microglia and astrocytes is known to be present at various stages of the Alzheimer’s continuum but their relationship with core Alzheimer’s disease pathology in the preclinical stages is less clear. We investigated glial reactivity and β-amyloid pathology in cognitively unimpaired APOE ε4 homozygotes, heterozygotes and non-carriers using 11 C-PK11195 PET (targeting 18-kDa translocator protein), 11 C-PiB PET (targeting β-amyloid), brain MRI, and a preclinical cognitive composite (APCC). Plasma glial fibrillary acidic protein (GFAP) by and plasma Aβ 1-42/1-40 were measured using single molecule array and immunoprecipitation combined with mass spectrometry, respectively. We observed that (i) 11 C-PiB-binding was significantly higher in APOE ε4 homozygotes compared with non-carriers in all evaluated regions, (ii) regional 11 C-PK11195-binding did not differ between the APOE ε4 gene doses or between Aβ-positive and -negative individuals, and (iii) higher 11 C-PK11195-binding and plasma GFAP were associated with lower hippocampal volume, and elevated 11 C-PiB-binding and plasma GFAP concentration with lower APCC scores. Increased glial reactivity might emerge in later stages of preclinical Alzheimer’s disease in parallel with early neurodegenerative changes.

Abstract Neurofilaments are structural components of neurons and are particularly abundant in highly myelinated axons. The levels of neurofilament light chain (NfL) in both cerebrospinal fluid (CSF) and plasma have been related to degeneration in several neurodegenerative conditions including frontotemporal dementia (FTD) and NfL is currently considered as the most promising diagnostic and prognostic fluid biomarker in FTD. Although the location and function of filaments in the healthy nervous system suggests a link between increased NfL and white matter degeneration, such a claim has not been fully elucidated in vivo , especially in the context of FTD. The present study provides evidence of an association between the plasma levels of NfL and white matter involvement in behavioral variant FTD (bvFTD) by relating plasma concentration of NfL to diffusion tensor imaging (DTI) metrics in a group of 20 bvFTD patients. The results of both voxel-wise and tract specific analysis showed that increased plasma NfL concentration is associated with a reduction in fractional anisotropy (FA) in a widespread set of white matter tracts including the superior longitudinal fasciculus, the fronto-occipital fasciculus the anterior thalamic radiation and the dorsal cingulum bundle. Plasma NfL concentration also correlated with cortical thinning in a portion of the right medial prefrontal cortex and of the right lateral orbitofrontal cortex. These results support the hypothesis that blood NfL levels reflect the global level of neurodegeneration in bvFTD and help to advance our understanding of the association between this blood biomarker for FTD and the disease process.

Abstract Background The brains of patients with Alzheimer’s disease (AD) reveal increased cellular membrane levels of cholesterol. Correspondingly, we previously showed that elevating levels of membrane cholesterol in neuronal cultures recapitulates early AD phenotypes including excessive cleavage of amyloid β (Aβ) peptides from the amyloid precursor protein (APP). Here we aimed to evaluate how the presence of a cholesterol-binding site (CBS) in the transmembrane and juxtamembrane regions of APP regulates its processing. Methods We generated seven single and two double APP mutants at amino acid positions 22, 26, 28, 29, 33, 39 of the Aβ sequence changing the charge and/or hydrophobicity of the targeted amino acids. HEK293T cells were transfected with APP constructs and secreted Aβ peptides were measured using ELISA and mass spectrometry (MS). APP processing in normal and high cholesterol condition, and endocytosis were assessed in stably expressing APP wt and APP K28A HEK293T clones. Finally, we measured the binding of synthetic peptides derived from the Aβ sequence to cholesterol-rich exosomes purified from control HEK293T cells. Results Most mutations triggered a reduction in the production of Aβ40 and Aβ42 peptides, whereas only juxtamembrane mutants resulted in the generation of shorter Aβ peptides. We confirmed by mass spectrometry this specific change in the profile of secreted Aβ peptides for the most characteristic APP K28A mutant. A transient increase of plasma membrane cholesterol enhanced the production of Aβ40 by APP WT , an effect absent with APP K28A . The enzymatic activity of α-, β- and γ-secretases remained unchanged in cells expressing APP K28A . Similarly, APP K28A subcellular localization in early endosomes did not differ to APP WT . Finally, WT but not CBS mutant Aβ derived peptides bound to cholesterol-rich exosomes. Conclusions Taken together, these data reveal a major role of the juxtamembrane region of APP in binding to cholesterol and accordingly in the regulation of APP processing. Binding of cholesterol to K28 could staple APP to the juxtamembrane region thereby permitting access to γ-secretase cleavage at positions 40-42. The APPK28 mutant would lie deeper in the membrane, facilitating the production of shorter Aβ peptides and unveiling this specific region as a novel target for reducing the production of toxic Aβ species.

Abstract Introduction Huntington’s disease (HD) is a genetic incurable lethal disease. Biomarkers are needed for objective assessment of disease progression. Evidence supports both complex protein aggregation and astrocyte activation in HD. This study assesses the 42 amino acid long amyloid beta (Aβ42) and glial fibrillary acidic protein (GFAP) as potential biomarkers in the cerebrospinal fluid (CSF) of HD mutation carriers. Methods CSF was obtained from manifest HD patients (ManHD), premanifest HD-gene-expansion carriers (PreHD) and gene-negative controls (controls). Disease Burden Score (DBS) and Total Functional Capacity (TFC) were calculated. Protein concentrations were measured by enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) and intergroup differences were analysed using Mann-Whitney U test. Spearman correlations were calculated to assess disease stage association. Age-adjustment was included in the statistical tests. Results The study enrolled 27 ManHD and 13 PreHD subjects. The number of controls differed in the analysis of Aβ42 and GFAP (n = 19, and 8 respectively). Aβ42 levels were higher in ManHD (mean 741 ng/l, SD 361) compared with PreHD (mean 468 ng/l, SD 184) (p = 0.025). Likewise GFAP concentration was higher in ManHD (mean 435 ng/l, SD 255) compared with both PreHD (mean 266 ng/l, SD 92.4)(p = 0.040) and controls (mean 208 ng/l, SD 83.7)(p = 0.011). GFAP correlated with DBS (r = 0.361, p = 0.028), TFC (r = − 0.463, p = 0.005), and 5-year risk of onset in PreHD (r = 0.694, p = 0.008). In contrast, there was no correlation between Aβ42 concentration and DBS, TFC or 5-year risk of onset. Conclusion CSF Aβ42 levels did not correlate with disease stage suggesting no Aβaggregation in HD. GFAP is a potential biomarker in HD with association to disease stage. Validation in larger HD cohorts and potential correlations with clinical phenotype would be of interest.