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.

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.

Compelling experimental evidence suggests that microglial activation is involved in the spread of tau tangles over the neocortex in Alzheimer's disease (AD). We tested the hypothesis that the spatial propagation of microglial activation and tau accumulation colocalize in a Braak-like pattern in the living human brain. We studied 130 individuals across the aging and AD clinical spectrum with positron emission tomography brain imaging for microglial activation ([11C]PBR28), amyloid-β (Aβ) ([18F]AZD4694) and tau ([18F]MK-6240) pathologies. We further assessed microglial triggering receptor expressed on myeloid cells 2 (TREM2) cerebrospinal fluid (CSF) concentrations and brain gene expression patterns. We found that [11C]PBR28 correlated with CSF soluble TREM2 and showed regional distribution resembling TREM2 gene expression. Network analysis revealed that microglial activation and tau correlated hierarchically with each other following Braak-like stages. Regression analysis revealed that the longitudinal tau propagation pathways depended on the baseline microglia network rather than the tau network circuits. The co-occurrence of Aβ, tau and microglia abnormalities was the strongest predictor of cognitive impairment in our study population. Our findings support a model where an interaction between Aβ and activated microglia sets the pace for tau spread across Braak stages. Microglial activation and tau accumulation propagate together in patients with Alzheimer's disease, suggesting an interaction that determines disease progression.

Whilst cerebrospinal fluid (CSF) and positron emission tomography (PET) biomarkers for amyloid-β (Aβ) and tau pathologies are accurate for the diagnosis of Alzheimer’s disease (AD), their broad implementation in clinical and trial settings are restricted by high cost and limited accessibility. Plasma phosphorylated-tau181 (p-tau181) is a promising blood-based biomarker that is specific for AD, correlates with cerebral Aβ and tau pathology, and predicts future cognitive decline. In this study, we report the performance of p-tau181 in >1000 individuals from the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI), including cognitively unimpaired (CU), mild cognitive impairment (MCI) and AD dementia patients characterized by Aβ PET. We confirmed that plasma p-tau181 is increased at the preclinical stage of Alzheimer and further increases in MCI and AD dementia. Individuals clinically classified as AD dementia but having negative Aβ PET scans show little increase but plasma p-tau181 is increased if CSF Aβ has already changed prior to Aβ PET changes. Despite being a multicenter study, plasma p-tau181 demonstrated high diagnostic accuracy to identify AD dementia (AUC = 85.3%; 95% CI, 81.4–89.2%), as well as to distinguish between Aβ− and Aβ+ individuals along the Alzheimer’s continuum (AUC = 76.9%; 95% CI, 74.0–79.8%). Higher baseline concentrations of plasma p-tau181 accurately predicted future dementia and performed comparably to the baseline prediction of CSF p-tau181. Longitudinal measurements of plasma p-tau181 revealed low intra-individual variability, which could be of potential benefit in disease-modifying trials seeking a measurable response to a therapeutic target. This study adds significant weight to the growing body of evidence in the use of plasma p-tau181 as a non-invasive diagnostic and prognostic tool for AD, regardless of clinical stage, which would be of great benefit in clinical practice and a large cost-saving in clinical trial recruitment.

Gold-standard diagnosis of Alzheimer's disease (AD) relies on histopathological staging systems. Using the topographical information from [18F]MK6240 tau positron-emission tomography (PET), we applied the Braak tau staging system to 324 living individuals. We used PET-based Braak stage to model the trajectories of amyloid-β, phosphorylated tau (pTau) in cerebrospinal fluid (pTau181, pTau217, pTau231 and pTau235) and plasma (pTau181 and pTau231), neurodegeneration and cognitive symptoms. We identified nonlinear AD biomarker trajectories corresponding to the spatial extent of tau-PET, with modest biomarker changes detectable by Braak stage II and significant changes occurring at stages III-IV, followed by plateaus. Early Braak stages were associated with isolated memory impairment, whereas Braak stages V-VI were incompatible with normal cognition. In 159 individuals with follow-up tau-PET, progression beyond stage III took place uniquely in the presence of amyloid-β positivity. Our findings support PET-based Braak staging as a framework to model the natural history of AD and monitor AD severity in living humans.

Abstract The human brain’s interregional communication is vital for its proper functioning. A promising direction for investigating how these regions communicate relies on the assumption that the brain is a complex network. In this context, images derived from positron emission tomography (PET) have been proposed as a potential source for understanding brain networks. However, such networks are often assembled via direct computation of inter-subject correlations, neglecting variabilities between subjects and jeopardizing the construction of group representative networks. Here, we used [ 18 F]FDG-PET data from 1027 individuals at different syndromal stages (352 CU, 621 MCI and 234 AD) to develop a novel method for constructing stable (i.e. resilient to spurious data points) metabolic brain networks. Our multiple sampling (MS) scheme generates brain networks with higher stability when compared to the conventional approach. In addition, the proposed method is robust to imbalanced datasets and requires 50% fewer subjects to achieve stability than the conventional approach. Our method has the potential to considerably boost PET data reutilization and advance our understating of human brain network patterns in health and disease.

Abstract Neuronal dysfunction and cognitive deterioration in Alzheimer’s disease (AD) are likely caused by multiple pathophysiological factors. However, evidence in humans remains scarce, necessitating improved non-invasive techniques and integrative mechanistic models. Here, we introduce personalized brain activity models incorporating functional MRI, amyloid-β (Aβ) and tau-PET from AD-related participants (N=132). Within the model assumptions, electrophysiological activity is mediated by toxic protein deposition. Our integrative subject-specific approach uncovers key patho-mechanistic interactions, including synergistic Aβ and tau effects on cognitive impairment and neuronal excitability increases with disease progression. The data-derived neuronal excitability values strongly predict clinically relevant AD plasma biomarker concentrations (p-tau217, p-tau231, p-tau181, GFAP). Furthermore, our results reproduce hallmark AD electrophysiological alterations (theta band activity enhancement and alpha reductions) which occur with Aβ-positivity and after limbic tau involvement. Microglial activation influences on neuronal activity are less definitive, potentially due to neuroimaging limitations in mapping neuroprotective vs detrimental phenotypes. Mechanistic brain activity models can further clarify intricate neurodegenerative processes and accelerate preventive/treatment interventions.

Abstract Fronto-temporal dementia (FTD) is a neurodegenerative disease characterized by focal atrophy of the gray matter (GM), especially in the frontal and temporal regions. Recent studies suggest a framework where white matter (WM) atrophy plays an important role in FTD pathophysiology. However, these studies often overlook the fact that WM tracts bridging different brain regions may have different vulnerabilities to the disease and the relative contribution of GM atrophy to this WM model, resulting in a less comprehensive understanding of the relationship between clinical symptoms and pathology. Here, by leveraging the sensitivity of advanced diffusion MRI modelling and metrics to precise white matter microstructural properties, we aim to clarify the relative contributions of WM fibers and GM atrophy to the cognitive symptoms typically found in FTD. A total of 155 participant from the Frontotemporal Lobar Degeneration Neuroimaging Initiative (FTLDNI) were analysed, including 68 normal elderly controls (CN), 28 behavioral variants (BV), 26 sematic variants (SV) and 30 progressive non fluent aphasia variants (PNFA) of FTD. Diffusion MRI analysis was performed using two complementary techniques: whole brain fixel-based analysis (FBA) and structural connectivity based on probabilistic tractography. Whole brain GM atrophy was assessed using voxel-based morphometry (VBM). Using a common factor analysis to extract a semantic and an executive factor, we aim to test the relative contribution of WM and GM of specific tracts in predicting cognition. We found that semantic symptoms were mainly dependent on short-range WM fiber disruption, while damage to long-range WM fibers was preferentially associated to executive dysfunction with the GM contribution to cognition being predominant for local processing. Our results support the importance of the disruption of specific WM tracts to the core cognitive symptoms associated with FTD. As large-scale WM tracts, which are particularly vulnerable to vascular disease, were highly associated with executive dysfunction, our findings highlight the importance of controlling for risk factors associated with deep white matter disease, such as vascular risk factors, in patients with FTD in order not to potentiate underlying executive dysfunction.

Updates in Alzheimer disease (AD) diagnostic guidelines by the National Institute on Aging-Alzheimer's Association (NIA-AA) and the International Working Group (IWG) over the past 11 years may affect clinical diagnoses. We assessed how these guidelines affect clinical AD diagnosis in a cohort of cognitively unimpaired (CU) and cognitively impaired (CI) individuals.