Abstract Preliminary clinical data indicate that severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is associated with neurological and neuropsychiatric illness. Responding to this, a weekly virtual coronavirus disease 19 (COVID-19) neurology multi-disciplinary meeting was established at the National Hospital, Queen Square, in early March 2020 in order to discuss and begin to understand neurological presentations in patients with suspected COVID-19-related neurological disorders. Detailed clinical and paraclinical data were collected from cases where the diagnosis of COVID-19 was confirmed through RNA PCR, or where the diagnosis was probable/possible according to World Health Organization criteria. Of 43 patients, 29 were SARS-CoV-2 PCR positive and definite, eight probable and six possible. Five major categories emerged: (i) encephalopathies (n = 10) with delirium/psychosis and no distinct MRI or CSF abnormalities, and with 9/10 making a full or partial recovery with supportive care only; (ii) inflammatory CNS syndromes (n = 12) including encephalitis (n = 2, para- or post-infectious), acute disseminated encephalomyelitis (n = 9), with haemorrhage in five, necrosis in one, and myelitis in two, and isolated myelitis (n = 1). Of these, 10 were treated with corticosteroids, and three of these patients also received intravenous immunoglobulin; one made a full recovery, 10 of 12 made a partial recovery, and one patient died; (iii) ischaemic strokes (n = 8) associated with a pro-thrombotic state (four with pulmonary thromboembolism), one of whom died; (iv) peripheral neurological disorders (n = 8), seven with Guillain-Barré syndrome, one with brachial plexopathy, six of eight making a partial and ongoing recovery; and (v) five patients with miscellaneous central disorders who did not fit these categories. SARS-CoV-2 infection is associated with a wide spectrum of neurological syndromes affecting the whole neuraxis, including the cerebral vasculature and, in some cases, responding to immunotherapies. The high incidence of acute disseminated encephalomyelitis, particularly with haemorrhagic change, is striking. This complication was not related to the severity of the respiratory COVID-19 disease. Early recognition, investigation and management of COVID-19-related neurological disease is challenging. Further clinical, neuroradiological, biomarker and neuropathological studies are essential to determine the underlying pathobiological mechanisms that will guide treatment. Longitudinal follow-up studies will be necessary to ascertain the long-term neurological and neuropsychological consequences of this pandemic.

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.

Abstract The quantification of phosphorylated tau in biofluids, either cerebrospinal fluid (CSF) or plasma, has shown great promise in detecting Alzheimer’s disease (AD) pathophysiology. Tau phosphorylated at threonine 231 (p-tau231) is one such biomarker in CSF but its usefulness as a blood biomarker is currently unknown. Here, we developed an ultrasensitive Single molecule array (Simoa) for the quantification of plasma p-tau231 which was validated in four independent cohorts ( n = 588) in different settings, including the full AD continuum and non-AD neurodegenerative disorders. Plasma p-tau231 was able to identify patients with AD and differentiate them from amyloid-β negative cognitively unimpaired (CU) older adults with high accuracy (AUC = 0.92–0.94). Plasma p-tau231 also distinguished AD patients from patients with non-AD neurodegenerative disorders (AUC = 0.93), as well as from amyloid-β negative MCI patients (AUC = 0.89). In a neuropathology cohort, plasma p-tau231 in samples taken on avergae 4.2 years prior to post-mortem very accurately identified AD neuropathology in comparison to non-AD neurodegenerative disorders (AUC = 0.99), this is despite all patients being given an AD dementia diagnosis during life. Plasma p-tau231 was highly correlated with CSF p-tau231, tau pathology as assessed by [ 18 F]MK-6240 positron emission tomography (PET), and brain amyloidosis by [ 18 F]AZD469 PET. Remarkably, the inflection point of plasma p-tau231, increasing as a function of continuous [ 18 F]AZD469 amyloid-β PET standardized uptake value ratio, was shown to be earlier than standard thresholds of amyloid-β PET positivity and the increase of plasma p-tau181. Furthermore, plasma p-tau231 was significantly increased in amyloid-β PET quartiles 2–4, whereas CSF p-tau217 and plasma p-tau181 increased only at quartiles 3–4 and 4, respectively. Finally, plasma p-tau231 differentiated individuals across the entire Braak stage spectrum, including Braak staging from Braak 0 through Braak I–II, which was not observed for plasma p-tau181. To conclude, this novel plasma p-tau231 assay identifies the clinical stages of AD and neuropathology equally well as plasma p-tau181, but increases earlier, already with subtle amyloid-β deposition, prior to the threshold for amyloid-β PET positivity has been attained, and also in response to early brain tau deposition. Thus, plasma p-tau231 is a promising novel biomarker of emerging AD pathology with the potential to facilitate clinical trials to identify vulnerable populations below PET threshold of amyloid-β positivity or apparent entorhinal tau deposition.

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.

Glial fibrillary acidic protein (GFAP) is a marker of reactive astrogliosis that increases in the cerebrospinal fluid (CSF) and blood of individuals with Alzheimer disease (AD). However, it is not known whether there are differences in blood GFAP levels across the entire AD continuum and whether its performance is similar to that of CSF GFAP.To evaluate plasma GFAP levels throughout the entire AD continuum, from preclinical AD to AD dementia, compared with CSF GFAP.This observational, cross-sectional study collected data from July 29, 2014, to January 31, 2020, from 3 centers. The Translational Biomarkers in Aging and Dementia (TRIAD) cohort (Montreal, Canada) included individuals in the entire AD continuum. Results were confirmed in the Alzheimer's and Families (ALFA+) study (Barcelona, Spain), which included individuals with preclinical AD, and the BioCogBank Paris Lariboisière cohort (Paris, France), which included individuals with symptomatic AD.Plasma and CSF GFAP levels measured with a Simoa assay were the main outcome. Other measurements included levels of CSF amyloid-β 42/40 (Aβ42/40), phosphorylated tau181 (p-tau181), neurofilament light (NfL), Chitinase-3-like protein 1 (YKL40), and soluble triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (sTREM2) and levels of plasma p-tau181 and NfL. Results of amyloid positron emission tomography (PET) were available in TRIAD and ALFA+, and results of tau PET were available in TRIAD.A total of 300 TRIAD participants (177 women [59.0%]; mean [SD] age, 64.6 [17.6] years), 384 ALFA+ participants (234 women [60.9%]; mean [SD] age, 61.1 [4.7] years), and 187 BioCogBank Paris Lariboisière participants (116 women [62.0%]; mean [SD] age, 69.9 [9.2] years) were included. Plasma GFAP levels were significantly higher in individuals with preclinical AD in comparison with cognitively unimpaired (CU) Aβ-negative individuals (TRIAD: Aβ-negative mean [SD], 185.1 [93.5] pg/mL, Aβ-positive mean [SD], 285.0 [142.6] pg/mL; ALFA+: Aβ-negative mean [SD], 121.9 [42.4] pg/mL, Aβ-positive mean [SD], 169.9 [78.5] pg/mL). Plasma GFAP levels were also higher among individuals in symptomatic stages of the AD continuum (TRIAD: CU Aβ-positive mean [SD], 285.0 [142.6] pg/mL, mild cognitive impairment [MCI] Aβ-positive mean [SD], 332.5 [153.6] pg/mL; AD mean [SD], 388.1 [152.8] pg/mL vs CU Aβ-negative mean [SD], 185.1 [93.5] pg/mL; Paris: MCI Aβ-positive, mean [SD], 368.6 [158.5] pg/mL; AD dementia, mean [SD], 376.4 [179.6] pg/mL vs CU Aβ-negative mean [SD], 161.2 [67.1] pg/mL). Plasma GFAP magnitude changes were consistently higher than those of CSF GFAP. Plasma GFAP more accurately discriminated Aβ-positive from Aβ-negative individuals than CSF GFAP (area under the curve for plasma GFAP, 0.69-0.86; area under the curve for CSF GFAP, 0.59-0.76). Moreover, plasma GFAP levels were positively associated with tau pathology only among individuals with concomitant Aβ pathology.This study suggests that plasma GFAP is a sensitive biomarker for detecting and tracking reactive astrogliosis and Aβ pathology even among individuals in the early stages of AD.

Article10 November 2020Open Access Transparent process Novel tau biomarkers phosphorylated at T181, T217 or T231 rise in the initial stages of the preclinical Alzheimer's continuum when only subtle changes in Aβ pathology are detected Marc Suárez-Calvet Marc Suárez-Calvet orcid.org/0000-0002-2993-569X Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Servei de Neurologia, Hospital del Mar, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, SpainThese authors contributed equally to this work Search for more papers by this author Thomas K Karikari Thomas K Karikari Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, SwedenThese authors contributed equally to this work Search for more papers by this author Nicholas J Ashton Nicholas J Ashton orcid.org/0000-0002-6353-9316 Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, Wallenberg Centre for Molecular and Translational Medicine, The Sahlgrenska Academy at the University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Institute of Psychiatry, Psychology & Neuroscience, King's College London, Maurice Wohl Clinical Neuroscience Institute, London, UK NIHR Biomedical Research Centre for Mental Health & Biomedical Research Unit for Dementia at South London & Maudsley NHS Foundation, London, UK Search for more papers by this author Juan Lantero Rodríguez Juan Lantero Rodríguez Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Search for more papers by this author Marta Milà-Alomà Marta Milà-Alomà Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author Juan Domingo Gispert Juan Domingo Gispert Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Madrid, Spain Search for more papers by this author Gemma Salvadó Gemma Salvadó Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Carolina Minguillon Carolina Minguillon Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Karine Fauria Karine Fauria Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Mahnaz Shekari Mahnaz Shekari Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author Oriol Grau-Rivera Oriol Grau-Rivera Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Servei de Neurologia, Hospital del Mar, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Eider M Arenaza-Urquijo Eider M Arenaza-Urquijo Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Aleix Sala-Vila Aleix Sala-Vila Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Gonzalo Sánchez-Benavides Gonzalo Sánchez-Benavides Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author José Maria González-de-Echávarri José Maria González-de-Echávarri Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Gwendlyn Kollmorgen Gwendlyn Kollmorgen Roche Diagnostics GmbH, Penzberg, Germany Search for more papers by this author Erik Stoops Erik Stoops ADx NeuroSciences, Ghent, Belgium Search for more papers by this author Eugeen Vanmechelen Eugeen Vanmechelen ADx NeuroSciences, Ghent, Belgium Search for more papers by this author Henrik Zetterberg Henrik Zetterberg Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, Mölndal, Sweden Department of Neurodegenerative Disease, UCL Institute of Neurology, London, UK UK Dementia Research Institute at UCL, London, UK Search for more papers by this author Kaj Blennow Corresponding Author Kaj Blennow [email protected] orcid.org/0000-0002-1890-4193 Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, Mölndal, Sweden Search for more papers by this author José Luis Molinuevo Corresponding Author José Luis Molinuevo [email protected] orcid.org/0000-0003-0485-6001 Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author for the ALFA Study for the ALFA StudyThe complete list of collaborators of the ALFA Study can be found in the acknowledgements section. Search for more papers by this author Marc Suárez-Calvet Marc Suárez-Calvet orcid.org/0000-0002-2993-569X Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Servei de Neurologia, Hospital del Mar, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, SpainThese authors contributed equally to this work Search for more papers by this author Thomas K Karikari Thomas K Karikari Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, SwedenThese authors contributed equally to this work Search for more papers by this author Nicholas J Ashton Nicholas J Ashton orcid.org/0000-0002-6353-9316 Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, Wallenberg Centre for Molecular and Translational Medicine, The Sahlgrenska Academy at the University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Institute of Psychiatry, Psychology & Neuroscience, King's College London, Maurice Wohl Clinical Neuroscience Institute, London, UK NIHR Biomedical Research Centre for Mental Health & Biomedical Research Unit for Dementia at South London & Maudsley NHS Foundation, London, UK Search for more papers by this author Juan Lantero Rodríguez Juan Lantero Rodríguez Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Search for more papers by this author Marta Milà-Alomà Marta Milà-Alomà Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author Juan Domingo Gispert Juan Domingo Gispert Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Madrid, Spain Search for more papers by this author Gemma Salvadó Gemma Salvadó Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Carolina Minguillon Carolina Minguillon Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Karine Fauria Karine Fauria Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Mahnaz Shekari Mahnaz Shekari Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author Oriol Grau-Rivera Oriol Grau-Rivera Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Servei de Neurologia, Hospital del Mar, Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Eider M Arenaza-Urquijo Eider M Arenaza-Urquijo Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author Aleix Sala-Vila Aleix Sala-Vila Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Gonzalo Sánchez-Benavides Gonzalo Sánchez-Benavides Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Search for more papers by this author José Maria González-de-Echávarri José Maria González-de-Echávarri Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Search for more papers by this author Gwendlyn Kollmorgen Gwendlyn Kollmorgen Roche Diagnostics GmbH, Penzberg, Germany Search for more papers by this author Erik Stoops Erik Stoops ADx NeuroSciences, Ghent, Belgium Search for more papers by this author Eugeen Vanmechelen Eugeen Vanmechelen ADx NeuroSciences, Ghent, Belgium Search for more papers by this author Henrik Zetterberg Henrik Zetterberg Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, Mölndal, Sweden Department of Neurodegenerative Disease, UCL Institute of Neurology, London, UK UK Dementia Research Institute at UCL, London, UK Search for more papers by this author Kaj Blennow Corresponding Author Kaj Blennow [email protected] orcid.org/0000-0002-1890-4193 Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, Mölndal, Sweden Search for more papers by this author José Luis Molinuevo Corresponding Author José Luis Molinuevo [email protected] orcid.org/0000-0003-0485-6001 Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain Search for more papers by this author for the ALFA Study for the ALFA StudyThe complete list of collaborators of the ALFA Study can be found in the acknowledgements section. Search for more papers by this author Author Information Marc Suárez-Calvet1,2,3,4, Thomas K Karikari5, Nicholas J Ashton5,6,7,8, Juan Lantero Rodríguez5, Marta Milà-Alomà1,2,4,9, Juan Domingo Gispert1,2,9,10, Gemma Salvadó1,2, Carolina Minguillon1,2,4, Karine Fauria1,4, Mahnaz Shekari1,2,9, Oriol Grau-Rivera1,2,3,4, Eider M Arenaza-Urquijo1,2,4, Aleix Sala-Vila1,2, Gonzalo Sánchez-Benavides1,2,4, José Maria González-de-Echávarri1,2, Gwendlyn Kollmorgen11, Erik Stoops12, Eugeen Vanmechelen12, Henrik Zetterberg5,13,14,15, Kaj Blennow *,5,13, José Luis Molinuevo *,1,2,4,9, , Annabella Beteta, Raffaele Cacciaglia, Alba Cañas, Carme Deulofeu, Irene Cumplido, Ruth Dominguez, Maria Emilio, Carles Falcon, Sherezade Fuentes, Laura Hernandez, Gema Huesa, Jordi Huguet, Paula Marne, Tania Menchón, Grégory Operto, Albina Polo, Sandra Pradas, Anna Soteras, Marc Vilanova and Natalia Vilor-Tejedor 1Barcelonaβeta Brain Research Center (BBRC), Pasqual Maragall Foundation, Barcelona, Spain 2IMIM (Hospital del Mar Medical Research Institute), Barcelona, Spain 3Servei de Neurologia, Hospital del Mar, Barcelona, Spain 4Centro de Investigación Biomédica en Red de sFragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), Madrid, Spain 5Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden 6Department of Psychiatry and Neurochemistry, Institute of Neuroscience and Physiology, Wallenberg Centre for Molecular and Translational Medicine, The Sahlgrenska Academy at the University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden 7Institute of Psychiatry, Psychology & Neuroscience, King's College London, Maurice Wohl Clinical Neuroscience Institute, London, UK 8NIHR Biomedical Research Centre for Mental Health & Biomedical Research Unit for Dementia at South London & Maudsley NHS Foundation, London, UK 9Universitat Pompeu Fabra, Barcelona, Spain 10Centro de Investigación Biomédica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina, Madrid, Spain 11Roche Diagnostics GmbH, Penzberg, Germany 12ADx NeuroSciences, Ghent, Belgium 13Clinical Neurochemistry Laboratory, Sahlgrenska University Hospital, Mölndal, Sweden 14Department of Neurodegenerative Disease, UCL Institute of Neurology, London, UK 15UK Dementia Research Institute at UCL, London, UK *Corresponding author. Tel: +46 0313421000; E-mail: [email protected] *Corresponding author. Tel: +34 933160990; E-mail: [email protected] EMBO Mol Med (2020)12:e12921https://doi.org/10.15252/emmm.202012921 PDFDownload PDF of article text and main figures. Peer ReviewDownload a summary of the editorial decision process including editorial decision letters, reviewer comments and author responses to feedback. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Abstract In Alzheimer's disease (AD), tau phosphorylation in the brain and its subsequent release into cerebrospinal fluid (CSF) and blood is a dynamic process that changes during disease evolution. The main aim of our study was to characterize the pattern of changes in phosphorylated tau (p-tau) in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum. We measured three novel CSF p-tau biomarkers, phosphorylated at threonine-181 and threonine-217 with an N-terminal partner antibody and at threonine-231 with a mid-region partner antibody. These were compared with an automated mid-region p-tau181 assay (Elecsys) as the gold standard p-tau measure. We demonstrate that these novel p-tau biomarkers increase more prominently in preclinical Alzheimer, when only subtle changes of amyloid-β (Aβ) pathology are detected, and can accurately differentiate Aβ-positive from Aβ-negative cognitively unimpaired individuals. Moreover, we show that the novel plasma N-terminal p-tau181 biomarker is mildly but significantly increased in the preclinical stage. Our results support the idea that early changes in neuronal tau metabolism in preclinical Alzheimer, likely in response to Aβ exposure, can be detected with these novel p-tau assays. SYNOPSIS This study investigated novel CSF and plasma p-tau biomarkers in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum and compared them with the widely used CSF Mid-ptau181. Novel p-tau biomarkers CSF N-p-tau181, N-p-tau217 and Mid-p-tau231 increase early in the Alzheimer's continuum, when only subtle changes in Aβ pathology are detected. CSF N-p-tau181, N-p-tau217 and Mid-p-tau231 can accurately differentiate Aβ-positive, cognitively unimpaired individuals from those that are Aβ-negative. Plasma N-p-tau181 biomarker is significantly increased in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum. These results suggest that there are early changes in tau metabolism in preclinical Alzheimer, probably in response to emerging Aβ pathology. The paper explained Problem Cerebrospinal fluid (CSF) phosphorylated tau (p-tau) is one of the core biomarkers for Alzheimer's disease (AD). Most p-tau assays target the mid-region (Mid) fragment of the protein and the phosphorylation at threonine-181 (Mid-p-tau181). Recently, new assays have been developed, targeting different phosphorylation sites (T181, T217, T231) or different fragments [N-terminal (N) vs. mid-region tau]. Moreover, new p-tau assays in blood have shown high accuracy to detect AD. Results However, it is less known whether these novel p-tau biomarkers change early in the asymptomatic stages of the Alzheimer's continuum, when in Aβ pathology is emerging. In this study, we aimed at characterizing the pattern of changes in p-tau in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum. We performed a head-to-head comparison of the following p-tau biomarkers: (a) CSF Mid-p-tau181 (used as a reference biomarker), (b) CSF N-p-tau181, (c) CSF N-p-tau217, (d) CSF Mid-p-tau231 and (e) plasma N-p-tau181. We found that the novel p-tau biomarkers CSF and plasma N-p-tau181, CSF N-p-tau217 and CSF Mid-p-tau231 increase early in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum, probably in response to subtle Aβ pathology. Furthermore, plasma N-p-tau181 also significantly increases at this stage, although that increase is milder. Impact These results suggest that there are early changes in tau metabolism in preclinical Alzheimer, which can be detected with these novel p-tau assays. Therefore, they support the idea of therapeutically targeting tau very early in the disease, as soon as Aβ pathology arises. Introduction Cerebrospinal fluid (CSF) phosphorylated tau (p-tau) is, together with CSF amyloid-β 42 (Aβ42) and CSF total tau (t-tau), a core biomarker for Alzheimer's disease (AD). Overwhelming evidence indicates that CSF p-tau is increased in patients with AD (both in the prodromal and dementia stages) compared to controls (Hansson et al, 2006; Shaw et al, 2009; Mattsson et al, 2009; Olsson et al, 2016). Moreover, CSF p-tau correlates with cognitive impairment better than Aβ-related biomarkers (Gómez-Isla et al, 1997; Blennow et al, 2010; Nelson et al, 2012; Roe et al, 2013; Jack et al, 2018; Aschenbrenner et al, 2018). CSF p-tau is useful to stage the disease, although longitudinal studies suggest that it may decrease in late stages of AD (Fagan et al, 2014; McDade et al, 2018; Sutphen et al, 2018; Lleó et al, 2019; Schindler et al, 2019). CSF p-tau is also an excellent prognosis biomarker in AD since it finely predicts progression from cognitively unimpaired (CU) to mild cognitive impairment (MCI) and, eventually, to AD dementia (Roe et al, 2013; Petersen et al, 2013; Ferreira et al, 2014). Furthermore, CSF p-tau is increased in preclinical AD (Hansson et al, 2006; Shaw et al, 2009; Bateman et al, 2012). In AD, tau aggregated in the neurofibrillary tangles (NFTs) is aberrantly hyperphosphorylated and several phosphorylated sites have been identified (Grundke-Iqbal et al, 1986; Ksiezak-Reding et al, 1988; Goedert et al, 1988, 1989; Lee et al, 1991, 2001). Yet, in the CSF biomarkers field, the most common tau phosphorylation site used as a target is threonine-181 (p-tau181) (Blennow et al, 1995). In fact, it is usually assumed that the term "p-tau" refers to phosphorylation at threonine-181 if not otherwise specified. Other tau phosphorylation sites have been investigated in the CSF of AD patients including mid-region residues p199, p212/p214, p217, p231, p231/p235 and the C-terminal residues p396/p404 (Ishiguro et al, 1999; Kohnken et al, 2000; Hu et al, 2002; Buerger et al, 2002b; Hampel et al, 2004; Singer et al, 2009; Meredith et al, 2013; Russell et al, 2016; Janelidze et al, 2020b). A very recent study in the Dominantly Inherited Alzheimer Network (DIAN) cohort finely showed the pattern of changes of p-tau phosphorylation in the early stages of autosomal-dominant AD and also in a group of preclinical sporadic AD (Barthélemy et al, 2020c). Similarly, it is also assumed that the term "p-tau" refers to the mid-region fragment, where most commercially available p-tau assays are targeted to. It is known, however, that CSF contains a mix of both N-terminal and mid-region fragments, while C-terminal fragments are considerably less abundant (Meredith et al, 2013; Barthélemy et al, 2016; Sato et al, 2018; Cicognola et al, 2019; Chen et al, 2019). Taking all this into account has been a key factor for the development of blood tests targeting p-tau. The use of antibodies targeting N-terminal fragments has allowed us and others to successfully measure p-tau181 in plasma, which accurately detects AD and discriminates it from other neurological diseases (Tatebe et al, 2017; Mielke et al, 2018; Karikari et al, 2020; Thijssen et al, 2020; Janelidze et al, 2020a). Moreover, plasma p-tau181 starts to increase in preclinical AD and further increases in the mild cognitive impairment (MCI) and dementia stages (Karikari et al, 2020; Janelidze et al, 2020a). Besides p-tau181, recent strong data indicates that p-tau217, measured both in CSF and in plasma, accurately predicts Aβ pathology in both symptomatic and asymptomatic stages and is an excellent biomarker to discriminate AD from healthy controls and other neurodegenerative diseases (Barthelemy et al, 2015; preprint: Barthélemy et al, 2017; Barthélemy et al, 2020a, 2020c; Janelidze et al, 2020b). In autosomal-dominant AD, CSF p-tau217 even increases two decades before tau PET (Barthélemy et al, 2020c). Despite the recent breakthrough developments in understanding p-tau as both a CSF and blood biomarker, it is less known whether specific p-tau biomarkers change early in the continuum of sporadic Alzheimer, when only subtle, incipient changes in Aβ pathology are present. Studying these early stages of the disease is particularly relevant for the p-tau biomarkers since their changes probably precede NFT pathology (Barthélemy et al, 2020c). Amid the new p-tau assays being developed (targeting different phosphorylation sites, targeting N-terminal vs. mid-region tau or using different platforms), it is also important to perform a head-to-head comparison of these assays. Moreover, there are promising tau phosphorylations, such p-tau231, that have not been yet investigated in asymptomatic stages. In this study, we aimed at characterizing the pattern of changes in phosphorylated tau in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum. For this purpose, we measured a set of novel CSF p-tau biomarkers in the ALFA+ study (a cohort of CU individuals, some of whom are in the preclinical stage of the Alzheimer's continuum) and compared them with the well-established Elecsys® Mid-p-tau181 assay [targeting mid-region (Mid) tau fragments phosphorylated at threonine-181 (Lifke et al, 2019)], used herein as the reference assay. The set of novel p-tau biomarkers studied include (Fig EV1): (a) N-p-tau181 [targeting tau forms phosphorylated at threonine-181 and containing the N-terminal (N) epitope 6-18], (b) N-p-tau217 (targeting tau forms phosphorylated at threonine-217 as well as containing the N-terminal epitope 6–18) and (c) Mid-p-tau231 (targeting Mid tau fragments phosphorylated at threonine-231). Moreover, we investigated, using the N-p-tau181 in plasma, if preclinical disease changes can be reliably detected in blood and how this compared against the CSF biomarkers and also against plasma neurofilament light (NfL), the most widely used blood biomarker. We tested the hypothesis of whether these novel p-tau biomarkers change in initial stages in the disease process, where only subtle changes in Aβ are detectable. In order to ensure robustness, we used both CSF and PET as biomarkers of Aβ pathology, which reflect different aspects of Aβ pathology (i.e. soluble Aβ and fibrillar Aβ aggregates, respectively) (Dubois et al, 2016). Based on our findings, we propose a model of changes in p-tau biomarkers in the preclinical stage of the sporadic Alzheimer's continuum. Click here to expand this figure. Figure EV1. Diagram of tau and the antibodies used in the assays Tau protein domains and the fragments recognized by the combination of antibodies of the assays used in this study. We show the longest form of tau (2N4R), which comprises 441 amino acids. The two N-terminal domains (N) are depicted in green, the two proline-rich domains (P) in yellow and the four microtubule-binding domains (R) in blue. The phosphorylation sites identified by the assays are also shown. Details of the assays can be found in the methods section. Abbreviations: Mid, mid-region; N, N-terminal; p-tau, phosphorylated tau Download figure Download PowerPoint Results Participants' characteristics and the effect of age and sex on p-tau biomarkers The first consecutive 381 participants of the ALFA+ cohort were included in this study. Their demographic and clinical features as well as fluid biomarker concentrations are shown in Table 1. Participants were classified as Aβ-negative (A−; n = 250) or Aβ-positive (A+; n = 131) using a previously established cut-off value for the CSF Aβ42/40 ratio of 0.071 (Milà-Alomà et al, 2020). Participants in the A+ group were older, but there were no differences in education, global cognition [as measured by the Mini-Mental State Examination (MMSE)] and sex distribution. As expected, the A+ group had a higher percentage of APOE-ε4 carriers, Aβ PET-positive visual reads and a higher [18F]flutemetamol uptake in Aβ PET, as measured by the Centiloid (CL) scale. The AD CSF biomarkers CSF t-tau as well as CSF and plasma NfL were also significantly increased in the A+ group (Table 1). Table 1. Participants' characteristics and biomarkers by Aβ status group. Total (n = 381) A− (n = 250, 65.6%) A+ (n = 131, 34.4%) P-value* Demographics, clinical characteristics Age, years 61.2 (4.68) 60.6 (4.44) 62.3 (4.93) 0.0007* Female, n (%) 232 (60.9) 155 (62.0) 77 (58.8) 0.541 Education, years 13.4 (3.51) 13.5 (3.48) 13.2 (3.57) 0.467 APOE-ε4 carriers, n (%) 201 (52.8) 102 (40.8) 99 (75.6) <0.0001* MMSE 29.1 (0.954) 29.1 (0.935) 29.2 (0.993) 0.608 Centiloidsa 2.82 (16.8) −4.54 (6.37) 16.83 (21.1) <0.0001* Aβ PET-positive (VR), n (%)a 42 (12.8) 3 (1.4) 39 (34.8) <0.0001* p-tau-related biomarkers CSF Mid-p-tau181 (pg/ml) 16.3 (7.69) 14.5 (5.23) 19.8 (10.1) <0.0001* CSF N-p-tau181 (pg/ml) 346 (216) 278 (97.7) 477 (304) <0.0001* CSF N-p-tau217 (pg/ml) 6.29 (6.41) 4.07 (2.28) 10.5 (9.07) <0.0001* CSF Mid-p-tau231 (pg/ml) 8.29 (6.08) 6.11 (2.28) 12.5 (8.46) <0.0001* Plasma N-p-tau181 (pg/ml) 9.55 (3.

The neuropathological confirmation of amyloid-β (Aβ) plaques and tau neurofibrillary tangles (NFT) remains the gold standard for a definitive diagnosis of Alzheimer's disease (AD). Nowadays, the in vivo diagnosis of AD is greatly aided by both cerebrospinal fluid (CSF) and positron emission tomography (PET) biomarkers. Although highly accurate, their broad implementation is restricted by high cost, limited accessibility and invasiveness. We recently developed a high-performance, ultrasensitive immunoassay for the quantification of tau phosphorylated at threonine-181 (p-tau181) in plasma, which identifies AD pathophysiology with high accuracy. However, it remains unclear whether plasma p-tau181, measured years before the death, can predict the eventual neuropathological confirmation of AD, and successfully discriminates AD from non-AD dementia pathologies. We studied a unique cohort of 115 individuals with longitudinal blood collections with clinical evaluation at 8, 4 and 2 years prior to neuropathological assessment at death. The results demonstrate that plasma p-tau181 associates better with AD neuropathology and Braak staging than a clinical diagnosis 8 years before post-mortem. Moreover, while all patients had a diagnosis of AD dementia during life, plasma p-tau181 proved to discriminate AD from non-AD pathologies with high accuracy (AUC = 97.4%, 95% CI = 94.1-100%) even 8 years before death. Additionally, the longitudinal trajectory of plasma p-tau181 was assessed in all patients. We found that the main increases in plasma p-tau181 occurred between 8 and 4 years prior to death in patients with AD neuropathology and later plateauing. In contrast, non-AD pathologies and controls exhibited minor, albeit significant, increases in p-tau181 up until death. Overall, our study demonstrates that plasma p-tau181 is highly predictive and specific of AD neuropathology years before post-mortem examination. These data add further support for the use of plasma p-tau181 to aid clinical management in primary care and recruitment for clinical trials.

Abstract Introduction This study investigated the diagnostic and disease‐monitoring potential of plasma biomarkers in mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer's disease (AD) dementia and cognitively unimpaired (CU) individuals. Methods Plasma was analyzed using Simoa assays from 99 CU, 107 MCI, and 103 AD dementia participants. Results Phosphorylated‐tau181 (P‐tau181), neurofilament light, amyloid‐β (Aβ42/40), Total‐tau and Glial fibrillary acidic protein were altered in AD dementia but P‐tau181 significantly outperformed all biomarkers in differentiating AD dementia from CU (area under the curve [AUC] = 0.91). P‐tau181 was increased in MCI converters compared to non‐converters. Higher P‐tau181 was associated with steeper cognitive decline and gray matter loss in temporal regions. Longitudinal change of P‐tau181 was strongly associated with gray matter loss in the full sample and with Aβ measures in CU individuals. Discussion P‐tau181 detected AD at MCI and dementia stages and was strongly associated with cognitive decline and gray matter loss. These findings highlight the potential value of plasma P‐tau181 as a non‐invasive and cost‐effective diagnostic and prognostic biomarker in AD.