Нейроизображения биомаркеров как метод ранней диагностики болезни Альцгеймера

В этом обзоре мы осматриваем состояние литературы по подходам изображения головного мозга к развитию новых биомаркеров для «амнестической» формы БА. С возможностью объединение подходов в многомодальные биомаркеры.

Ключевые слова: болезнь Альцгеймера, биомаркеры, МРТ, диагноз.

In this review, we survey the state of the literature on neuroimaging approaches to developing novel biomarkers for the amnestic form of AD, with an emphasis on combining approaches into multimodal biomarkers.

Keywords: Alzheimer's disease, biomarkers, MRI, diagnosis.

Болезнь Альцгеймера (БА) представляет собой нейродегенеративное заболевание, которое впервые было описано более века назад. Это наиболее распространенная форма деменции, которая в 2010 году затронула около 35,6 миллионов человек во всем мире. В отсутствие комплексного лечения это число может увеличиться до 115 миллионов человек к 2050 году [1]. Основная цель биомедицинского исследования состоит в том, чтобы установить индикаторы БА. Во время преклинической стадии (т. е. биомаркеры) для обнаружения раннего диагноза и своевременного вмешательства. Многочисленные успехи были сделаны в развивающихся биомаркерах для изображения головного мозга. Эти методы предлагают огромную многосторонность с точки зрения планирования, для различных возрастных и патофизиологических механизмов, таких как структурное снижение (например, корковое истончение), функциональное снижение (например, функциональная МРТ активность, сетевые корреляции), снижение возможности соединения (например, анизотропия распространения), и патологические скопления (например, амилоид и тау ПЭТ). В этом обзоре мы осматриваем состояние литературы по подходам изображения головного мозга к развитию новых биомаркеров для вызывающей нарушение памяти формы БА.С возможностью объединение подходов в многомодальные биомаркеры. Болезнь Альцгеймера (БА) является наиболее распространенной причиной для деменции [1]. Несмотря на то, что существуют различные подтипы, наиболее распространенной формой является та, что вызывает нарушение памяти и сильно влияет на эпизодическую память [2]. За исключением некоторых случаев БА., вызванных генетическими мутациями (т. е. семейной формой БА), возраст является самым большим фактором риска. В настоящее время каждый десятый человек 65 лет и старше имеет БА. Критическая цель биомедицинского исследования состоит в том, чтобы установить индикаторы БА. Во время преклинической стадии (т. е. биомаркеры) для обнаружения раннего диагноза и своевременного вмешательства. Эти биомаркеры являются измеримыми особенностями биологических процессов, которые связанны с болезнью Альцгеймера. За прошлое десятилетие, многочисленные исследования патологии указали на то, что интранейрональные скопления белка тау, кажется, предшествуют внеклеточному депонированию Aβ приблизительно на десятилетие [3, 4]. Интранейрональные включения, состоящие из агрегированного белка тау появляются в выборочно уязвимых типах клеток, которые, как представляется, распространяются в региональном и темпорально специфическим образом, который не зависит от близости к пораженному району. Главное преимущество использования мозговых методов изображения — это то, что они работают в более высоком уровне пространственно-временной чувствительности, чем жидкие биомаркеры, таким образом, предлагая возможность предположить развитие болезни. К настоящему времени отображение с помощью комбинаций в естественных условиях ПЭТ и методов МРТ показало структуры прогрессии, в основном резюмирующие определение стадийности на основе посмертной гистологии [6]. В 2011, Национальный Институт Старения и Ассоциация болезни Альцгеймера (NIA-AA), одна из рабочих групп выдвинула специальные критерии, включающие биомаркеры изображения головного мозга [7]. Авторы представили концептуальную основу и критерии исследования операций преклинического БА., где Стадия 1 характеризуется наличием бессимптомного β-амилоида или увеличением амилоидного бремени. Стадия 2 включает нейронную травму и доказательства нейродегенеративного изменения. Наконец, стадия 3 дополнительно включает симптом тонкого снижения когнитивных способностей, которого еще не достаточно для клинического диагноза. Новая исследовательская структура, предложенная NIA-AA, определяет БА патологически с использованием биомаркеров, которые могли потенциально дифференцировать случаи, клинически напоминающие БА, такие как гиппокампальный склероз. Эта новая исследовательская структура дополнительно позволяет, что при определении стадийности использовали или жидкость, или биомаркеры изображения головного мозга. Однако некоторые определенные особенности, которые могут быть очень важными для патофизиологии болезни, могут быть только обнаружены с помощью методов изображения. Гиппокампальная гиперактивность на активированном задачей функциональном МРТ является одним таким примером. Значительно, анатомическая информация от биомаркеров изображения предоставляет полную информацию о заболевании. Это подразумевает преимущество для биомаркеров изображения по жидким биомаркерам, так как при исследование изображения можно отличить различные фазы болезни как временно, так и анатомически. Исследовательская структура NIA-AA была с тех пор была обновлена [8, 9],так чтобы сосредоточиться на критериях A/T/Н [10] и проложить путь к более персонализированному диагнозу и лечению. Новая исследовательская структура подчеркивает значение положительных амилоидных биомаркеров (A), чтобы специфично указать на процессы БА. Патологический тау был(T) взят, чтобы указать на процесс БА, связанный в присутствии амилоидной положительности. Наконец, (Н) биомаркеры, как думают, предоставляют неопределенную информацию о нейронной травме и нейродегенеративном изменении. Комбинация амилоида с другими биомаркерами может тогда использоваться, чтобы изучить прогрессию БА. Кроме того, согласно этой новой исследовательской структуре, наличие тау и нейродегенерации в отсутствие амилоидоза считают доказательствами патологических процессов. Важным аспектом исследовательской структуры NIA-AA 2018 года является гибкость, чтобы включать дополнительные биомаркеры в будущие исследования. В нашем обзоре методов изображения головного мозга мы рассмотрим случай, когда существует несколько методов для измерения A, T, и патологии Н.

Бремя амилоидного изображения

Учитывая жизненную важность идентификации амилоидной патологии в мозгу как раннюю стадию прогрессии БА, просмотры позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с меченными радиоактивным изотопом радиоактивными индикаторами, определенными для Aβ, стали довольно распространенными в урегулировании исследования. Патологический пептид Aβ сгенерирован патологической протеолитической обработкой физиологической составляющей мембраны невроцита, амилоидного белка предшественника (APP). Просмотры ПЭТ воздействуют из принципа, что испускающие позитрон меченые лиганды накапливаются в области интереса. Положительно заряженные позитроны сталкиваются с отрицательно заряженными электронами, который приводит к уничтожению, выпускающему гамма фотоны, обнаруженные датчиками сцинтилляционного детектора [11]. Этот метод можно использовать при изображение Aβ в естественных условиях через меченные радиоактивным изотопом радиоактивные индикаторы, вводящиеся через болюсное введение, сопровождаемое временем ожидания, чтобы допустить внедрение в мозговую ткань. Большинство амилоидных исследований изображения указывает на париетальную кору как самые ранние места амилоидного депонирования [12]. В частности, эти области (задний поясной, restrosplenial коры, precuneus) в большой степени соединяются со средними височными долями (MTL) [13], которые являются местами для раннего скопления тау патологии. Таким образом развитие болезни может быть под влиянием анатомической и функциональной возможности соединения между задней корой и MTL. Амилоидные радиоактивные индикаторы дополнительно связывают с цереброваскулярным амилоидом. Мозговая амилоидная вазопатия (CAA) является особенностью БА, характеризуется корковыми сосудистыми отложениями амилоида и связана с корковой потерей ткани, сосудистой дисфункцией и снижением когнитивных способностей [14, 15]. Поэтому объединение амилоидной ПЭТ с другими методиками отображения может дать представления о патологической последовательности событий. Основное ограничение к амилоидному изображению и исследованиям амилоидного бремени в целом является плохо понятые отношения с когнитивными функциями. Утверждалось, что, так как изменения в амилоиде могут произойти ранее, чем когнитивные симптомы, взаимосвязи между ними нет. Однако в отсутствие взаимосвязи между ними, остается неясным, является ли амилоидное бремя, патологическим процессом или является ли это стражем для другой могучей патологии которое может иметь более тяжелое последствие для невральной целостности. Понимание последнего очень важно, тем более, что многочисленные клинические испытания предназначались для амилоидной патологии как для попытки изменить процесс болезни. Недавно несколько исследований попытались пролить свет на отношение между амилоидными и когнитивными нарушениями [16–18]. Эти исследования нашли доказательства связи между накоплением Aβ и когнитивными результатами, который, кажется, установлен нейродегенеративными изменениями (например, корковое истончение и гиппокампальная потеря объема). Однако накопление Aβ, кажется, не предварительное условие для нейродегенеративного снижения. Например, в одном исследование [19] было продемонстрировано, что нейродегенеративные изменения могли значительно предсказать когнитивные изменения в отсутствие патологии Aβ. Последний раз было показано, что подпороговое амилоидное депонирование предсказывает тау депонирование при старении [20].Несмотря на ее ограничения, амилоидная ПЭТ была чрезвычайно информативным инструментом в исследовании биомаркера БА [21].

Литература:

1. Hebert LE, Weuve J, Scherr PA, Evans DA. Alzheimer disease in the United States (2010–2050) estimated using the 2010 Census. Neurology. 2013; 80(19):1778–83.
2. Petersen RC. Clinical subtypes of Alzheimer’s disease. Dement Geriatr Cogn Disord. 1998;9(Suppl 3):16–24.
3. Duyckaerts C, Hauw JJ. Prevalence, incidence and duration of Braak’s stages in the general population: can we know? Neurobiol Aging. 1997;18:362–9 discussion 389–392.
4. Braak H, Del Tredici K. The pathological process underlying Alzheimer’s disease in individuals under thirty. Acta Neuropathol (Berl). 2011;121:171–81.
5. Ballatore C, Lee VM-Y, Trojanowski JQ. Tau-mediated neurodegeneration in Alzheimer’s disease and related disorders. Nat Rev Neurosci. 2007;8:663–72.
6. Schöll M, Schonhaut D, Lockhart S, Vogel JW, Baker S, Schwimmer H, et al. In vivo braak staging using 18F-AV1451 Tau PET imaging. Alzheimers Dement J Alzheimers Assoc. 2015;11:P4.
7. Sperling RA, Aisen PS, Beckett LA, Bennett DA, Craft S, Fagan AM, et al. Toward defining the preclinical stages of Alzheimer’s disease: Recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement. 2011;7:280–92.
8. Jack CR, Bennett DA, Blennow K, Carrillo MC, Dunn B, Haeberlein SB, et al. NIA-AA Research Framework: Toward a biological definition of Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement J Alzheimers Assoc. 2018;14:535–62.
9. Jack CR Jr, Knopman DS, Jagust WJ, Petersen RC, Weiner MW, Aisen PS, et al. Tracking pathophysiological processes in Alzheimer’s disease: an updated hypothetical model of dynamic biomarkers. Lancet Neurol. 2013;12:207–16.
10. Jack CR, Bennett DA, Blennow K, Carrillo MC, Feldman HH, Frisoni GB, et al. A/T/N: An unbiased descriptive classification scheme for Alzheimer disease biomarkers. Neurology. 2016;87:539–47.
11. Evans NR, Tarkin JM, Buscombe JR, Markus HS, Rudd JHF, Warburton EA. PET imaging of the neurovascular interface in cerebrovascular disease. Nat Rev Neurol. 2017;13:676–88.
12. Dickerson BC, Bakkour A, Salat DH, Feczko E, Pacheco J, Greve DN, et al. The cortical signature of Alzheimer’s disease: regionally specific cortical thinning relates to symptom severity in very mild to mild AD dementia and is detectable in asymptomatic amyloid-positive individuals. Cereb Cortex. 2009;19:497–510.
13. Ranganath C, Ritchey M. Two cortical systems for memory-guided behaviour. Nat Rev Neurosci. 2012;13:713–26.
14. Fotiadis P, van Rooden S, van der Grond J, Schultz A, Martinez-Ramirez S, Auriel E, et al. Cortical atrophy in patients with cerebral amyloid angiopathy: a case-control study. Lancet Neurol. 2016;15:811–9.
15. Hecht M, Krämer LM, von Arnim CAF, Otto M, Thal DR. Capillary cerebral amyloid angiopathy in Alzheimer’s disease: association with allocortical/ hippocampal microinfarcts and cognitive decline. Acta Neuropathol (Berl). 2018;135:681–94.
16. Huijbers W, Mormino EC, Wigman SE, Ward AM, Vannini P, McLaren DG, et al. Amyloid Deposition Is Linked to Aberrant Entorhinal Activity among Cognitively Normal Older Adults. J Neurosci. 2014;34:5200–10.
17. Mormino EC, Betensky RA, Hedden T, Schultz AP, Ward A, Huijbers W, et al. Amyloid and APOE ε4 interact to influence short-term decline in preclinical Alzheimer disease. Neurology. 2014;82:1760–7.
18. Villeneuve S, Reed BR, Wirth M, Haase CM, Madison CM, Ayakta N, et al. Cortical thickness mediates the effect of β-amyloid on episodic memory. Neurology. 2014;82:761–7.
19. Wirth M, Madison CM, Rabinovici GD, Oh H, Landau SM, Jagust WJ.Alzheimer’s disease neurodegenerative biomarkers are associated with decreased cognitive function but not β-amyloid in cognitively normal older individuals. J Neurosci Off J Soc Neurosci. 2013;33:5553–63.
20. Leal SL, Lockhart SN, Maass A, Bell RK, Jagust WJ. Subthreshold Amyloid Predicts Tau Deposition in Aging. J Neurosci Off J Soc Neurosci. 2018;38:4482–9.
21. Sperling RA, Rentz DM, Johnson KA, Karlawish J, Donohue M, Salmon DP, et al. The A4 study: stopping AD before symptoms begin? Sci Transl Med. 2014;6:228fs13.