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.

18F-THK5351 is a quinoline-derived tau imaging agent with high affinity to paired helical filaments (PHF). However, high levels of 18F-THK5351 retention in brain regions thought to contain negligible concentrations of PHF raise questions about the interpretation of the positron emission tomography (PET) signals, particularly given previously described interactions between quinolone derivatives and monoamine oxidase B (MAO-B). Here, we tested the effects of MAO-B inhibition on 18F-THK5351 brain uptake using PET and autoradiography.Eight participants (five mild cognitive impairment, two Alzheimer's disease, and one progressive supranuclear palsy) had baseline 18F-AZD4694 and 18F-THK5351 scans in order to quantify brain amyloid and PHF load, respectively. A second 18F-THK5351 scan was conducted 1 week later, 1 h after a 10-mg oral dose of selegiline. Three out of eight patients also had a third 18F-THK5351 scan 9-28 days after the selegiline administration. The primary outcome measure was standardized uptake value (SUV), calculated using tissue radioactivity concentration from 50 to 70 min after 18F-THK5351 injection, normalizing for body weight and injected radioactivity. The SUV ratio (SUVR) was determined using the cerebellar cortex as the reference region. 18F-THK5351 competition autoradiography studies in postmortem tissue were conducted using 150 and 500 nM selegiline.At baseline, 18F-THK5351 SUVs were highest in the basal ganglia (0.64 ± 0.11) and thalamus (0.62 ± 0.14). In the post-selegiline scans, the regional SUVs were reduced on average by 36.7% to 51.8%, with the greatest reduction noted in the thalamus (51.8%) and basal ganglia (51.4%). MAO-B inhibition also reduced 18F-THK5351 SUVs in the cerebellar cortex (41.6%). The SUVs remained reduced in the three patients imaged at 9-28 days. Tissue autoradiography confirmed the effects of MAO-B inhibition on 18F-THK5351 uptake.These results indicate that the interpretation of 18F-THK5351 PET images, with respect to tau, is confounded by the high MAO-B availability across the entire brain. In addition, the heterogeneous MAO-B availability across the cortex may limit the interpretation of 18F-THK5351 scans using reference region methods.

Alzheimer's disease (AD) is associated with memory impairment and altered peripheral metabolism. Mounting evidence indicates that abnormal signaling in a brain-periphery metabolic axis plays a role in AD pathophysiology. The activation of pro-inflammatory pathways in the brain, including the interleukin-6 (IL-6) pathway, comprises a potential point of convergence between memory dysfunction and metabolic alterations in AD that remains to be better explored. Using T2-weighted magnetic resonance imaging (MRI), we observed signs of probable inflammation in the hypothalamus and in the hippocampus of AD patients when compared to cognitively healthy control subjects. Pathological examination of post-mortem AD hypothalamus revealed the presence of hyperphosphorylated tau and tangle-like structures, as well as parenchymal and vascular amyloid deposits surrounded by astrocytes. T2 hyperintensities on MRI positively correlated with plasma IL-6, and both correlated inversely with cognitive performance and hypothalamic/hippocampal volumes in AD patients. Increased IL-6 and suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3) were observed in post-mortem AD brains. Moreover, activation of the IL-6 pathway was observed in the hypothalamus and hippocampus of AD mice. Neutralization of IL-6 and inhibition of the signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) signaling in the brains of AD mouse models alleviated memory impairment and peripheral glucose intolerance, and normalized plasma IL-6 levels. Collectively, these results point to IL-6 as a link between cognitive impairment and peripheral metabolic alterations in AD. Targeting pro-inflammatory IL-6 signaling may be a strategy to alleviate memory impairment and metabolic alterations in the disease.

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.