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.

Abstract Introduction Synaptic dysfunction is an early event in Alzheimer's disease (AD) pathogenesis and directly related to cognitive impairment. Consequently, synaptic biomarkers may be valuable tools for both early diagnosis and disease stage. Neurogranin (Ng) is a postsynaptic protein involved in memory consolidation. Methods We developed three monoclonal anti‐Ng antibodies. Mass spectrometry and a novel enzyme‐linked immunosorbent assay were used to analyze cerebrospinal fluid (CSF) Ng in three independent clinical cohorts including patients with AD dementia (n = 100 in total), mild cognitive impairment patients (MCI), (n = 40) and controls (n = 80 in total). Results We show in three independent clinical cohorts a marked increase in CSF Ng levels in AD dementia ( P < .001 in all studies). In addition, high CSF Ng levels at the MCI stage predicted progression to dementia due to AD with a hazard ratio of 12.8 (95% confidence interval 1.6–103.0, P = .02). In amyloid‐positive MCI patients, high CSF Ng correlated with a more rapid change in cognition during clinical follow‐up ( P = .03). Discussion These results suggest that CSF Ng is a novel AD biomarker that may be used to monitor synaptic degeneration, and correlates with the rate of cognitive decline in prodromal AD.

Synaptic degeneration is an early pathogenic event in Alzheimer's disease, associated with cognitive impairment and disease progression. Cerebrospinal fluid biomarkers reflecting synaptic integrity would be highly valuable tools to monitor synaptic degeneration directly in patients. We previously showed that synaptic proteins such as synaptotagmin and synaptosomal-associated protein 25 (SNAP-25) could be detected in pooled samples of cerebrospinal fluid, however these assays were not sensitive enough for individual samples. We report a new strategy to study synaptic pathology by using affinity purification and mass spectrometry to measure the levels of the presynaptic protein SNAP-25 in cerebrospinal fluid. By applying this novel affinity mass spectrometry strategy on three separate cohorts of patients, the value of SNAP-25 as a cerebrospinal fluid biomarker for synaptic integrity in Alzheimer's disease was assessed for the first time. We found significantly higher levels of cerebrospinal fluid SNAP-25 fragments in Alzheimer's disease, even in the very early stages, in three separate cohorts. Cerebrospinal fluid SNAP-25 differentiated Alzheimer's disease from controls with area under the curve of 0.901 (P < 0.0001). We developed a sensitive method to analyze SNAP-25 levels in individual CSF samples that to our knowledge was not possible previously. Our results support the notion that synaptic biomarkers may be important tools for early diagnosis, assessment of disease progression, and to monitor drug effects in treatment trials.

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

Abstract Individuals who have Down syndrome frequently develop early onset Alzheimer’s disease, a neurodegenerative condition caused by the build-up of aggregated amyloid-β and tau proteins in the brain. Amyloid-β is produced by APP, a gene located on chromosome 21. People who have Down syndrome have three copies of chromosome 21 and thus also an additional copy of APP ; this genetic change drives the early development of Alzheimer’s disease in these individuals. Here we use a combination of next-generation mouse models of Down syndrome (Tc1, Dp3Tyb, Dp(10)2Yey and Dp(17)3Yey) and a knockin mouse model of amyloid-β accumulation ( App NL-F ) to determine how chromosome 21 genes other than APP modulate APP/amyloid-β in the brain when in three copies. We demonstrate that three copies of other chromosome 21 genes are sufficient to partially ameliorate amyloid-β accumulation in the brain. We go on to identify a subregion of chromosome 21 that contains the gene/genes causing this decrease in amyloid-β accumulation and investigate the role of two lead candidate genes Dyrk1a and Bace2 . Thus an additional copy of chromosome 21 genes, other than APP , can modulate APP/amyloid-β in the brain under physiological conditions. This work provides critical mechanistic insight into the development of disease and an explanation for the typically later age of onset of dementia in people who have AD-DS compared to those who have familial AD caused by triplication of APP .

A population of >6 million people worldwide at high risk of Alzheimer's disease (AD) are those with Down Syndrome (DS, caused by trisomy 21 (T21)), 70% of whom develop dementia during lifetime, caused by an extra copy of β-amyloid-(Aβ)-precursor-protein gene. We report AD-like pathology in cerebral organoids grown in vitro from non-invasively sampled strands of hair from 71% of DS donors. The pathology consisted of extracellular diffuse and fibrillar Aβ deposits, hyperphosphorylated/pathologically conformed Tau, and premature neuronal loss. Presence/absence of AD-like pathology was donor-specific (reproducible between individual organoids/iPSC lines/experiments). Pathology could be triggered in pathology-negative T21 organoids by CRISPR/Cas9-mediated elimination of the third copy of chromosome-21-gene BACE2, but prevented by combined chemical β and γ-secretase inhibition. We found that T21-organoids secrete increased proportions of Aβ-preventing (Aβ1-19) and Aβ degradation products (Aβ1-20 and Aβ1-34). We show these profiles mirror in cerebrospinal fluid of people with DS. We demonstrate that this protective mechanism is mediated by BACE2-trisomy and cross-inhibited by clinically trialled BACE1-inhibitors. Combined, our data prove the physiological role of BACE2 as a dose-sensitive AD-suppressor gene, potentially explaining the dementia delay in ~30% of people with DS. We also show that DS cerebral organoids could be explored as pre-morbid AD-risk population detector and a system for hypothesis-free drug screens as well as identification of natural suppressor genes for neurodegenerative diseases.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is characterized by extracellular amyloid plaques containing amyloid-β (Aβ) peptides, intraneuronal neurofibrillary tangles, extracellular neuropil threads, and dystrophic neurites surrounding plaques composed of hyperphosphorylated tau protein (pTau). Aβ can also deposit in blood vessel walls leading to cerebral amyloid angiopathy (CAA). While amyloid plaques in AD brains are constant, CAA varies among cases. The study focuses on differences observed between rare and poorly studied patient groups with APP duplications ( APP dup) and Down syndrome (DS) reported to have higher frequencies of elevated CAA levels in comparison to sporadic AD (sAD), most of APP mutations, and controls. We compared Aβ and tau pathologies in postmortem brain tissues across cases and Aβ peptides using mass spectrometry (MS). We further characterized the spatial distribution of Aβ peptides with MS-brain imaging. While intraparenchymal Aβ deposits were numerous in sAD, DS with AD (DS-AD) and AD with APP mutations, these were less abundant in APP dup. On the contrary, Aβ deposits in the blood vessels were abundant in APP dup and DS-AD while only APP dup cases displayed high Aβ deposits in capillaries. Investigation of Aβ peptide profiles showed a specific increase in Aβx-37, Aβx-38 and Aβx-40 but not Aβx-42 in APP dup cases and to a lower extent in DS-AD cases. Interestingly, N-truncated Aβ2-x peptides were particularly increased in APP dup compared to all other groups. This result was confirmed by MS-imaging of leptomeningeal and parenchymal vessels from an APP dup case, suggesting that CAA is associated with accumulation of shorter Aβ peptides truncated both at N- and C-termini in blood vessels. Altogether, this study identified striking differences in the localization and composition of Aβ deposits between AD cases, particularly APP dup and DS-AD, both carrying three genomic copies of the APP gene. Detection of specific Aβ peptides in CSF or plasma of these patients could improve the diagnosis of CAA and their inclusion in anti-amyloid immunotherapy treatments.