Abstract Introduction Increasing evidence suggests a role for the gut microbiome in central nervous system disorders and a specific role for the gut‐brain axis in neurodegeneration. Bile acids (BAs), products of cholesterol metabolism and clearance, are produced in the liver and are further metabolized by gut bacteria. They have major regulatory and signaling functions and seem dysregulated in Alzheimer's disease (AD). Methods Serum levels of 15 primary and secondary BAs and their conjugated forms were measured in 1464 subjects including 370 cognitively normal older adults, 284 with early mild cognitive impairment, 505 with late mild cognitive impairment, and 305 AD cases enrolled in the AD Neuroimaging Initiative. We assessed associations of BA profiles including selected ratios with diagnosis, cognition, and AD‐related genetic variants, adjusting for confounders and multiple testing. Results In AD compared to cognitively normal older adults, we observed significantly lower serum concentrations of a primary BA (cholic acid [CA]) and increased levels of the bacterially produced, secondary BA, deoxycholic acid, and its glycine and taurine conjugated forms. An increased ratio of deoxycholic acid:CA, which reflects 7α‐dehydroxylation of CA by gut bacteria, strongly associated with cognitive decline, a finding replicated in serum and brain samples in the Rush Religious Orders and Memory and Aging Project. Several genetic variants in immune response–related genes implicated in AD showed associations with BA profiles. Discussion We report for the first time an association between altered BA profile, genetic variants implicated in AD, and cognitive changes in disease using a large multicenter study. These findings warrant further investigation of gut dysbiosis and possible role of gut‐liver‐brain axis in the pathogenesis of AD.

Abstract Introduction The Alzheimer's Disease Research Summits of 2012 and 2015 incorporated experts from academia, industry, and nonprofit organizations to develop new research directions to transform our understanding of Alzheimer's disease (AD) and propel the development of critically needed therapies. In response to their recommendations, big data at multiple levels are being generated and integrated to study network failures in disease. We used metabolomics as a global biochemical approach to identify peripheral metabolic changes in AD patients and correlate them to cerebrospinal fluid pathology markers, imaging features, and cognitive performance. Methods Fasting serum samples from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (199 control, 356 mild cognitive impairment, and 175 AD participants) were analyzed using the AbsoluteIDQ‐p180 kit. Performance was validated in blinded replicates, and values were medication adjusted. Results Multivariable‐adjusted analyses showed that sphingomyelins and ether‐containing phosphatidylcholines were altered in preclinical biomarker‐defined AD stages, whereas acylcarnitines and several amines, including the branched‐chain amino acid valine and α‐aminoadipic acid, changed in symptomatic stages. Several of the analytes showed consistent associations in the Rotterdam, Erasmus Rucphen Family, and Indiana Memory and Aging Studies. Partial correlation networks constructed for Aβ 1–42 , tau, imaging, and cognitive changes provided initial biochemical insights for disease‐related processes. Coexpression networks interconnected key metabolic effectors of disease. Discussion Metabolomics identified key disease‐related metabolic changes and disease‐progression‐related changes. Defining metabolic changes during AD disease trajectory and its relationship to clinical phenotypes provides a powerful roadmap for drug and biomarker discovery.

Abstract Introduction Increasing evidence suggests a role for the gut microbiome in central nervous system disorders and specific role for the gut-brain axis in neurodegeneration. Bile acids (BA), products of cholesterol metabolism and clearance, are produced in the liver and are further metabolized by gut bacteria. They have major regulatory and signaling functions and seem dysregulated in Alzheimer disease (AD). Methods Serum levels of 15 primary and secondary BAs and their conjugated forms were measured in 1,464 subjects including 370 cognitively normal older adults (CN), 284 with early mild cognitive impairment (MCI), 505 with late MCI, and 305 AD cases enrolled in the AD Neuroimaging Initiative. We assessed associations of BA profiles including selected ratios with diagnosis, cognition, and AD-related genetic variants, adjusting for cofounders and multiple testing. Results In AD compared to CN, we observed significantly lower serum concentrations of a primary BA (cholic acid CA) and increased levels of the bacterially produced, secondary BA, deoxycholic acid (DCA), and its glycine and taurine conjugated forms. An increased ratio of DCA:CA, which reflects 7α-dehydroxylation of CA by gut bacteria, strongly associated with cognitive decline, a finding replicated in serum and brain samples in the Rush Religious Orders and Memory and Aging Project. Several genetic variants in immune response related genes implicated in AD showed associations with BA profiles. Conclusion We report for the first time an association between altered BA profile, genetic variants implicated in AD and cognitive changes in disease using a large multicenter study. These findings warrant further investigation of gut dysbiosis and possible role of gut liver brain axis in the pathogenesis of AD.

Abstract INTRODUCTION Alzheimer’s disease (AD) is accompanied by metabolic alterations both in the periphery and the central nervous system. However, so far, a global view of AD-associated metabolic changes in brain has been missing. METHODS We metabolically profiled 500 samples from the dorsolateral prefrontal cortex. Metabolite levels were correlated with eight clinical parameters, covering both late-life cognitive performance and AD neuropathology measures. RESULTS We observed widespread metabolic dysregulation associated with AD, spanning 298 metabolites from various AD-relevant pathways. These included alterations to bioenergetics, cholesterol metabolism, neuroinflammation and metabolic consequences of neurotransmitter ratio imbalances. Our findings further suggest impaired osmoregulation as a potential pathomechanism in AD. Finally, inspecting the interplay of proteinopathies provided evidence that metabolic associations were largely driven by tau pathology rather than β-amyloid pathology. DISCUSSION This work provides a comprehensive reference map of metabolic brain changes in AD which lays the foundation for future mechanistic follow-up studies.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is influenced by a variety of modifiable risk factors, including a person’s dietary habits. While the ketogenic diet (KD) holds promise in reducing metabolic risks and potentially affecting AD progression, only a few studies have explored KD’s metabolic impact, especially on blood and cerebrospinal fluid (CSF). Our study involved participants at risk for AD, either cognitively normal or with mild cognitive impairment. The participants consumed both a modified Mediterranean Ketogenic Diet (MMKD) and the American Heart Association diet (AHAD) for 6 weeks each, separated by a 6-week washout period. We employed nuclear magnetic resonance (NMR)-based metabolomics to profile serum and CSF and metagenomics profiling on fecal samples. While the AHAD induced no notable metabolic changes, MMKD led to significant alterations in both serum and CSF. These changes included improved modifiable risk factors, like increased HDL-C and reduced BMI, reversed serum metabolic disturbances linked to AD such as a microbiome-mediated increase in valine levels, and a reduction in systemic inflammation. Additionally, the MMKD was linked to increased amino acid levels in the CSF, a breakdown of branched-chain amino acids (BCAAs), and decreased valine levels. Importantly, we observed a strong correlation between metabolic changes in the CSF and serum, suggesting a systemic regulation of metabolism. Our findings highlight that MMKD can improve AD-related risk factors, reverse some metabolic disturbances associated with AD, and align metabolic changes across the blood-CSF barrier.

Abstract RATIONALE Metabolomics in the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) cohort provides a powerful tool for mapping biochemical changes in AD, and a unique opportunity to learn about the association between circulating blood metabolites and brain amyloid-β deposition in AD. OBJECTIVES We examined 140 serum metabolites and their associations with brain amyloid-β deposition, cognition, and conversion from mild cognitive impairment (MCI) to AD. FINDINGS Serum-based targeted metabolite levels were measured in 1,531 ADNI participants. We performed association analysis of metabolites with brain amyloid-β deposition measured from [18F] Florbetapir PET scans. We identified nine metabolites as significantly associated with amyloid-β deposition after FDR-based multiple comparison correction. Higher levels of one acylcarnitine (C3; propionylcarnitine) and one biogenic amine (kynurenine) were associated with decreased amyloid-β accumulation. However, higher levels of seven phosphatidylcholines (PC) were associated with increased amyloid deposition. In addition, PC ae C44:4 was significantly associated with cognition and conversion from MCI to AD dementia. CONCLUSION Perturbations in PC and acylcarnitine metabolism may play a role in features intrinsic to AD including amyloid-β deposition and cognitive performance.

Abstract This study investigated the relationship between gut microbiota and neuropsychiatric disorders (NPDs), specifically anxiety disorder (ANXD) and/or major depressive disorder (MDD), as defined by DSM-IV or V criteria. The study also examined the influence of medication use, particularly antidepressants and/or anxiolytics, classified through the Anatomical Therapeutic Chemical (ATC) Classification System, on the gut microbiota. Both 16S rRNA gene amplicon sequencing and shallow shotgun sequencing were performed on DNA extracted from 666 fecal samples from the Tulsa-1000 and NeuroMAP CoBRE cohorts. The results highlight the significant influence of medication use; antidepressant use is associated with significant differences in gut microbiota beta diversity and has a larger effect size than NPD diagnosis. Next, specific microbes were associated with ANXD and MDD, highlighting their potential for non-pharmacological intervention. Finally, the study demonstrated the capability of Random Forest classifiers to predict diagnoses of NPD and medication use from microbial profiles, suggesting a promising direction for the use of gut microbiota as biomarkers for NPD. The findings suggest that future research on the gut microbiota’s role in NPD and its interactions with pharmacological treatments are needed.

Recent studies have provided evidence that late-onset Alzheimer’s disease (AD) can in part be considered a metabolic disease. Besides age, female sex and APOE ε4 genotype represent strong risk factors for AD. They also both give rise to large metabolic differences, suggesting that metabolic aspects of AD pathogenesis may differ between males and females and between APOE ε4 carriers and non-carriers. We systematically investigated group-specific metabolic alterations by conducting stratified association analyses of 140 metabolites measured in serum samples of 1,517 AD neuroimaging initiative subjects, with AD biomarkers for Aβ and tau pathology and neurodegeneration. We observed substantial sex differences in effects of 15 metabolites on AD biomarkers with partially overlapping differences for APOE ε4 status groups. These metabolites highlighted several group-specific alterations not observed in unstratified analyses using sex and APOE ε4 as covariates. Combined stratification by both variables uncovered further subgroup-specific metabolic effects limited to the group with presumably the highest AD risk: APOE ε4+ females. Pathways linked to the observed metabolic alterations suggest that females experience more expressed impairment of mitochondrial energy production in AD than males. These findings indicate that dissecting metabolic heterogeneity in AD pathogenesis may enable grading of the biomedical relevance of specific pathways for specific subgroups. Extending our approach beyond simple one- or two-fold stratification may thus guide the way to personalized medicine.Significance statement Research provides substantial evidence that late-onset Alzheimer’s disease (AD) is a metabolic disease. Besides age, female sex and APOEε4 genotype represent strong risk factors for AD, and at the same time give rise to large metabolic differences. Our systematic investigation of sex and APOE ε4 genotype differences in the link between metabolism and measures of pre-symptomatic AD using stratified analysis revealed several group-specific metabolic alterations that were not observed without sex and genotype stratification of the same cohort. Pathways linked to the observed metabolic alterations suggest females are more affected by impairment of mitochondrial energy production in AD than males, highlighting the importance of tailored treatment approaches towards a precision medicine approach.

The incidence of Alzheimer's disease (AD) increases with age and is a significant cause of worldwide morbidity and mortality. However, the metabolic perturbations behind the onset of AD remains unclear. In this study, we performed metabolite profiling in both brain (n = 109) and matching serum samples (n = 566) to identify differentially expressed metabolites and metabolic pathways associated with neuropathology and cognitive performance and to identify individuals at high risk of developing cognitive impairment. The abundances of six metabolites, GLCA, petroselinic acid, linoleic acid, myristic acid, palmitic acid, and palmitoleic acid as well as the DCA/CA ratio, along with the dysregulation scores of three metabolic pathways, primary bile acid biosynthesis, fatty acid biosynthesis, and biosynthesis of unsaturated fatty acids showed significant differences in diagnostic groups across both brain and serum (P-value < 0.05). Significant associations were observed between the levels of differential metabolites/pathways and cognitive performance, neurofibrillary tangles, and neuritic plaque burden. Metabolites abundances and personalized metabolic pathways scores were used to derive machine learning models that could be used to differentiate cognitively impaired persons from those without cognitive impairment (median of AUC = 0.772 for the metabolite level model; median of AUC = 0.731 for the pathway level model). Utilizing these two models on the entire baseline control group, we identified those who experienced cognitive decline (AUC = 0.804, sensitivity = 0.722, specificity = 0.749 for the metabolite level model; AUC = 0.778, sensitivity = 0.633, specificity = 0.825 for the pathway level model) and demonstrated their pre-AD onset prediction potentials. Our study provides a proof-of-concept that it is possible to discriminate antecedent cognitive impairment in older adults before the onset of overt clinical symptoms using metabolomics. Our findings, if validated in future studies, could enable the earlier detection and intervention of cognitive impairment that may halt its progression.

Introduction: Bile acids (BAs) are the end products of cholesterol metabolism produced by human and gut microbiome co-metabolism. Recent evidence suggests gut microbiota influence pathological features of Alzheimers disease (AD) including neuroinflammation and amyloid-beta deposition. Method: Serum levels of 20 primary and secondary BA metabolites from the AD Neuroimaging Initiative (n=1562) were measured using targeted metabolomic profiling. We assessed the association of BAs with the A/T/N (Amyloid, Tau and Neurodegeneration) biomarkers for AD: CSF biomarkers, atrophy (MRI), and brain glucose metabolism ([18F]FDG-PET). Results: Of 23 BA and relevant calculated ratios, three BA signatures were associated with CSF Aβ1-42 (A) and three with CSF p-tau181 (T) (corrected p<0.05). Furthermore, three, twelve, and fourteen BA signatures were associated with CSF t-tau, glucose metabolism, and atrophy (N), respectively (corrected p<0.05). Conclusion: This is the first study to show serum-based BA metabolites are associated with A/T/N AD biomarkers, providing further support for a role of BA pathways in AD pathophysiology. Prospective clinical observations and validation in model systems are needed to assess causality and specific mechanisms underlying this association.