A biphasic model for cortical structural changes in preclinical AD: a multimodal MRI, CSF and PET study

Abstract

La enfermedad de Alzheimer (EA) se caracteriza neuropatológicamente por la presencia de depósitos extracelulares de ß-amiloide (Aß) y ovillos neurofibrilares intracelulares (proteína tau fosforilada, p-tau) así como fenómenos inflamatorios. Estos procesos se asocian con atrofia cerebral, pérdida neuronal y alteraciones funcionales que acaban produciendo deterioro cognitivo y eventualmente un síndrome clínico de demencia. El depósito de amiloide comienzan décadas antes de que se pueda hacer un diagnóstico de demencia e incluso de la aparición de los primeros síntomas, y constituyen lo que se conoce como EA preclínica (Sperling et al., 2011). En la actualidad podemos estudiar los mecanismos fisiopatológicos que ocurren en la EA preclínica a través de biomarcadores (Dubois et al., 2016). Entender las relaciones entre biomarcadores en la EA preclínica es esencial para entender la fisiopatología de la enfermedad y poder desarrollar terapias que ralenticen o frenen su curso. Sin embargo, estas relaciones distan de estar claras, por ejemplo, la relación de la amiloidosis y la estructura cortical dista de es controvertida (Fortea et al., 2014). El objetivo principal de esta tesis fue estudiar las alteraciones corticales estructurales que ocurren en la enfermedad de Alzheimer preclínica. Concretamente, los objetivos fueron 1) estudiar la relación entre Aß y el grosor cortical y sus posibles interacciones con la proteína p-tau, 2) analizar los cambios estructurales corticales longitudinales de la EA preclínica, 3) investigar la microestructura cortical y entender su relación con la macroestructura en el continuum de la enfermedad y, 4) estudiar el impacto local del depósito de amiloide en la estructura cerebral en la EA preclínica. Para la realización de esta tesis se ha contado con bases de datos públicas americanas (Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, http://adni.loni.usc.edu/) y con bases de datos españolas (proyecto SIGNAL, https://www.signalstudy.es/). Los resultados de la tesis han conducido a la propuesta de un modelo bifásico de cambios corticales estructurales en la EA preclínica. El depósito de amiloide en ausencia de tau patológico se asocia a un incremento del grosor cortical, una ralentización de la atrofia longitudinal a 2 años y descensos de difusión cortical. Posteriormente, en presencia de tau patológica, y como resultado del efecto tóxico sinérgico o interacción entre procesos patológicos, se produciría una aceleración de la atrofia e incrementos de difusión que se extenderían siguiendo un patrón característico que ha sido definido como la huella cortical de la EA (Dickerson et al., 2009). Los resultados presentados en esta tesis tienen implicación directa en la investigación y en la práctica clínica. En primer lugar, en relación a los modelos de evolución de biomarcadores de la EA (Jack et al., 2013) ya que esta fase temprana de engrosamiento cortical no está contemplada en los modelos actuales. Nuestro modelo ayudaría a integrar los resultados contradictorios previos en la literatura en relación a los efectos del amiloide sobre la estructura cerebral. Los modelos actuales, no contemplan la interacción/sinergia entre biomarcadores que rigen el mencionado proceso bifásico. En segundo lugar, los resultados tienen implicaciones en el diseño de los ensayos clínicos, tanto en la selección de pacientes como en el uso subrogado de la resonancia como marcador de eficacia, ayudando a entender algunos resultados inesperados de los ensayos clínicos previos con inmunoterapia anti-amiloidea. Finalmente, la difusión cortical podría ser un marcador precoz en el curso de la EA. Futuros estudios multimodales de resonancia magnética y líquido cefalorraquídeo que incorporen PET de inflamación y de Tau con seguimientos longitudinales serán claves para seguir estudiando los procesos fisiopatológicos que subyacen la EA preclínica.

The Alzheimer’s disease (AD) neuropathological hallmarks are the presence of extracellular amyloid ß (Aß) deposition and intracellular neurofibrillary tangles (hyperphosphorilated tau protein) as well as inflammation phenomena. These processes are associated with cerebral atrophy, neuronal loss and functional alterations which lead to cognitive dysfunction and, eventually, a clinical syndrome of dementia. These pathophysiological processes begin decades before the diagnosis of the clinical dementia even before the appearance of the first clinical symptoms, and constitute the preclinical AD (Sperling et al, 2011). Nowadays we can study the pathophysiological mechanisms that occur in preclinical AD through biomarkers (Dubois et al., 2016). It is crucial to understand the relationships between biomarkers in preclinical AD to further understand the disease pathophysiology and be able to develop treatments that could slow down or stop its course. However, these relationships are not clear, for example, the relationship between brain amyloidosis and brain structure is controversial (Fortea et al., 2014). The objective of this thesis was to study the cortical structural alterations that occur in preclinical AD. Specifically, 1) to study the relationship between Aß and cortical thickness and its potential interactions with p-tau, 2) to analyze the 2-year cortical longitudinal changes in preclinical AD, 3) to investigate cortical microstructure and understand its relationship with brain macrostructure in the disease continuum and, 4) to assess the local impact of amyloid deposition in brain structure in preclinical AD. In this thesis, we have used data from a public American database (Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, http://adni.loni.usc.edu/) and from a Spanish multicentric cohort (proyecto SIGNAL, https://www.signalstudy.es/). The results of this thesis have conducted to the proposal of a biphasic model of structural cortical changes in preclinical AD. Amyloid deposition in the absence of pathological tau levels would be associated with increased cortical thickness, less 2-year longitudinal cortical thinning and cortical diffusivity decreases. Then, in the presence of pathological tau levels, and as a result of the synergic toxic effect or interaction between pathologic processes, there would be an atrophy acceleration and cortical diffusivity increases that would spread following a pattern that has been described as the AD-signature (Dickerson et al., 2009). The results presented in this thesis have direct research and clinical implications. First, they impact on the models of biomarker evolution in AD (Jack et al., 2013), as the cortical thickening phase is not contemplated in previous models. Our model would help to understand previous contradictory results in the literature that assessed the effect of amyloid on brain structure. Current models do not take into account the interaction/synergy effect between biomarkers that define the aforementioned biphasic process. Second, our results have relevance in the design of clinical trials, both in the selection of patients and in the use of MRI as a surrogate marker of efficacy, and might help explain some unexpected results in previous anti-amyloid immunotherapy trials. Finally, cortical diffusivity could be an early marker in the AD course. Further multimodal studies that incorporate tau- and inflammation-PET with longitudinal follow-ups are crucial to further investigate the pathophysiological process that underlies preclinical AD.