Detection of early cerebral amyloid-β deposition by PET imaging and its downstream effect

Abstract

Alzheimer's disease (AD) is the leading cause of dementia worldwide. This disease, however, starts decades before any clinical symptom appears with the accumulation in the brain of aggregates of two main proteins: amyloid-β (Aβ) and tau. In recent years, the appearance of in vivo biomarkers capable to track biological changes has boosted the research interest to earlier phases of the disease. With these concepts in mind, the general objective of this thesis was to investigate Aβ deposition and its downstream effects in the earliest stages of the Alzheimer's continuum. To this aim, the four studies of the thesis include participants of the ALFA (from Alzheimer and Families) cohort, who are characterized as being cognitively unimpaired, (late) middle-aged, and to be enriched in risk factors for AD. Thus, increasing the probability of incorporating participants with lowintermediate burden of Aβ.

In the first two studies of this thesis, our focus was set on the early detection of Aβ deposition using PET scans. We first used automated quantification methods, as typically done in the research setting and, second, we used visual assessment, which is more often used in the clinical context. Our results lead to the identification of quantitative thresholds for the detection of early abnormalities in amyloid PET scans significantly lower than previously proposed. We also concluded that visual inspection of Aβ PET scans is sensitive to detect and grade early Aβ deposition in the brain.

In the third study, Aβ PET images were used to investigate whether risk factors for Alzheimer's dementia promoted the deposition of insoluble, fibrillar aggregates of Aβ in the brain for similar levels of Aβ in the cerebrospinal fluid (CSF), reflecting the production/clearance rate of soluble Aβ species. We found that that the main unmodifiable risk factors for Alzheimer's dementia -older age, female sex, and APOE-ε4 allele carriership- increased deposited fibrillar Aβ for similar levels of soluble Aβ as measured in the CSF. However, while older age and female sex promoted the deposition in typical AD-related areas, thus suggesting an additive effect, APOE-ε4 allele facilitated the spread of Aβ in the entorhinal area, which has been described as an area vulnerable to tau deposition. This result suggests that APOE-ε4 allele-related mechanisms might accelerate the propagation of Aβ pathology to these areas, facilitating the spread of tau through the neocortex and thus, contributing to raise the risk of developing AD.

Finally, in our last study, we investigated Aβ-downstream effects in the earliest stages of the Alzheimer's continuum. To this aim, we analysed core and novel AD CSF biomarkers. These included: Aβ42/40 and phosphorylated tau (p-tau) as markers of Aβ and tau pathology, respectively; total tau (t-tau) and neurofilament light (NfL) as markers of neurodegeneration; neurogranin for synaptic dysfunction; glial fibrillary acidic protein (GFAP), YKL-40, soluble triggering receptor on myeloid cells 2 (sTREM2), S100b, interleukin 6 (IL-6) as glial activity biomarkers and, total α-synuclein as marker of α-synuclein pathology. We observed that, although studying participants with low Aβ load, many pathophysiological pathways, such as inflammation, were already altered. Of note, our results suggest a direct link between Aβ deposition in the brain and neurodegeneration that is independent of tau pathology. Further, we described their direct and/or indirect associations with Aβ deposition, as well as the moderation effects of some Alzheimer’s dementia risk factors on these relationships.

La malaltia d'Alzheimer és la causa principal de demència en tot el món. Aquesta malaltia però, comença dècades abans de l'aparició de qualsevol símptoma clínic amb l'acumulació en el cervell de l'agregat de dues proteïnes: l'amiloide-β (Aβ) i la tau. En els últims anys, l'aparició de biomarcadors in vivo capaços de monitoritzar aquests, entre d'altres, canvis biològics ha estimulat l'interès cap a etapes més inicials de la malaltia. Amb aquests conceptes en ment, l'objectiu general d'aquesta tesis era el d'investigar l'acumulació d'Aβ i els seus efectes derivats en les etapes més incipients del continu de la malaltia d'Alzheimer. Amb aquest objectiu, els quatre estudis d'aquesta tesis inclouen participants de la cohort ALFA (per Alzheimer i Famílies), els quals es caracteritzen per ser cognitivament sans, ser de mitjana edat avançada i per estar prioritàriament seleccionats per tenir factors de risc per l'Alzheimer incrementant, d'aquesta manera, la possibilitat d'incorporar participants amb càrrega baixa o intermitja d'Aβ.

En els primers dos estudis d'aquesta tesis, el nostre focus era la detecció precoç de l'acumulació d'Aβ utilitzant imatges PET. Primer utilitzant mètodes de quantificació automàtica, típicament utilitzats en la recerca i, segon, mitjançant l'avaluació visual, que és més sovint utilitzada en el context clínic. Els nostres resultats ens van portar a la identificació de llindars quantitatius per a la detecció precoç d'anormalitats en les imatges PET d'Aβ significativament inferiors als prèviament proposats. A més, també vam concloure que la inspecció visual d'aquestes imatges és sensible per detectar i qualificar el dipòsit inicial d'Aβ en el cervell.

En el tercer estudi, les imatges PET d'Aβ van ser utilitzades per investigar si factors de risc per la demència d'Alzheimer promovien l'acumulació d'agregats fibril·lars insolubles d'Aβ en el cervell per nivells similars d'Aβ mesurat en el líquid cefalorraquidi (LCR), els quals reflecteixen el rati de producció/eliminació d'espècies solubles d'Aβ. La nostra conclusió en aquest estudi és que els tres principals factors de risc no modificables per a la demència d'Alzheimer -edat avançada, sexe femení i ser portador de l'al·lel APOE-ε4- incrementen la càrrega fibril·lar d'Aβ dipositat per nivells similars d'Aβ soluble mesurat en el LCR. Tanmateix, mentre que l'edat avançada i el sexe femení promouen el dipòsit d'Aβ en àrees típiques de la malaltia d'Alzheimer i, per tant, suggereixen un efecte additiu; l'al·lel APOE-ε4 facilita l'expansió de l'Aβ en l'escorça entorínica, que ha sigut descrita per ser especialment vulnerable al dipòsit de la proteïna tau.

Aquest últim resultat suggereix que, els mecanismes relacionats amb l'al·lel APOE-ε4 podrien accelerar la propagació de la patologia Aβ a aquestes àrees, facilitant la futura propagació de la proteïna tau pel neocòrtex i contribuir així, a l'augment de risc de desenvolupar la malaltia d'Alzheimer.

Finalment, en el nostre últim estudi, vam investigar els efectes derivats de l'acumulació d'Aβ en les primeres etapes del continu de la malaltia d'Alzheimer. Amb aquest objectiu, vam analitzar marcadors bàsics i novells en LCR de la malaltia d'Alzheimer. Aquests inclouen: Aβ42/40 i tau fosforilat (p-tau) com a marcadors de patologia Aβ i tau, respectivament; tau total (t-tau) i neurofilament lleuger (NfL) com a biomarcadors de neurodegeneració; neurogranina per disfunció sinàptica; GFAP, YKL-40, sTREM2, S100b i IL-6 com marcadors d'activitat glial i, α-synucleïna total com a marcador de patologia d'α-synucleïna. Val a destacar que els nostres resultats suggereixen una relació directe entre el dipòsit d'Aβ en el cervell i la neurodegeneració que és independent de la patologia tau. A més, també vam descriure les associacions directes i/o indirectes amb la càrrega d'Aβ, així com l'efecte moderador d'alguns factors de risc en aquestes relacions.