Blutbasierte Biomarker verbessern die Früherkennung von Alzheimer durch neue diagnostische Möglichkeiten

Blutbasierte Biomarker für die Alzheimer-Krankheit treiben Diagnostik und Patientenversorgung voran, indem sie eine frühere Krankheitsbestätigung ermöglichen. Gleichzeitig werfen sie neue Fragen zu geeigneten Testkontexten und zur Notwendigkeit bestätigender Verfahren auf. Die neuen Tests können helfen, die Möglichkeiten einzugrenzen, wenn bei einem Patienten erste Anzeichen eines kognitiven Abbaus auftreten, sind jedoch noch nicht so weit, eine endgültige Diagnose zu stellen. Bevor ein Patient mit inzwischen verfügbaren Behandlungen beginnen kann, die Amyloid-Plaques entfernen, ist weiterhin eine Amyloid-PET-Untersuchung oder eine Beurteilung des Liquors (cerebrospinal fluid) erforderlich, um das Ergebnis des Bluttests zu bestätigen.

Die Identifizierung und Validierung von Biomarkern für neurodegenerative Erkrankungen schreitet rasch voran und spielt eine entscheidende Rolle für die frühe Diagnose, die Verfolgung des Krankheitsverlaufs und die Beurteilung des Therapieansprechens. Mit der jüngsten Zulassung monoklonaler Antikörpertherapien wie lecanemab (tradename: Leqembi®) und donanemab (Kisunla™) hat sich die klinische Notwendigkeit einer präzisen präklinischen und frühen AD-Diagnose weiter verschärft. Traditionelle Diagnosemodalitäten – neurochemische Demenzdiagnostik im Liquor und Amyloid-PET-Bildgebung – sind wirksam, aber aufgrund von Invasivität, Kosten und logistischen Einschränkungen für ein großflächiges Screening unpraktisch.

Plasma brain-derived tau (BD-Tau) stellt einen neuartigen Biomarker dar, der entwickelt wurde, um die Grenzen herkömmlicher Messungen von Gesamt-Tau zu überwinden. Der Großteil des Gesamt-Tau im Blut stammt aus peripheren Geweben, nicht aus dem ZNS, und ist bei einer Reihe von Zuständen erhöht, darunter Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, Schädel-Hirn-Trauma und Anoxie, unter anderem. Diese mangelnde Spezifität führte dazu, dass Gesamt-Tau aus den überarbeiteten AT(N)-Kriterien für die AD-Diagnose entfernt wurde.

Um dem zu begegnen, entwickelten Forschende einen tau junction antibody (tau J), der spezifisch an die Verbindungsstelle zwischen Exon 4 und 5 bindet – einzigartig für ZNS-Tau. Dieser Antikörper bindet nicht, wenn das „big tau“-Insert vorhanden ist, wodurch peripheres Tau von der Detektion ausgeschlossen wird. Der Antikörper wurde mittels ELISA und Immunpräzipitation-Massenspektrometrie getestet, und auf der Simoa-Plattform wurde ein Immunoassay entwickelt.

Erste Studien mit neuropathologisch bestätigten Kohorten zeigten, dass die Plasma-BD-Tau-Spiegel bei Vorliegen einer AD-Pathologie ansteigen – im Gegensatz zu Gesamt-Tau, das entlang des AD-Kontinuums unverändert bleibt. Gedächtnisambulanz-Kohorten aus Italien bestätigten zudem, dass Plasma-BD-Tau bei AD im Vergleich zu anderen neurologischen Erkrankungen signifikant erhöht ist und damit die Spezifität von Gesamt-Tau im Liquor widerspiegelt. Anders als die Neurofilament-Leichtkette, die bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen erhöht ist, zeigt BD-Tau eine höhere Spezifität für AD.

Forschung in Zusammenarbeit mit norwegischen Kohorten zeigte, dass Plasma-BD-Tau AD nicht nur von anderen Erkrankungen abgrenzt, sondern auch den longitudinalen kognitiven Abbau sowie Veränderungen in MRI-meta-ROI-Signaturen vorhersagt. Wichtig ist: Patienten, die im Plasma für Amyloid (phospho-tau 217 oder 181) und BD-Tau doppelt positiv sind, weisen die schnellsten Raten kognitiven und strukturellen Abbaus auf. Dies deutet darauf hin, dass BD-Tau über Amyloidmarker allein hinaus prognostischen Zusatznutzen bietet.

Der Nutzen von BD-Tau geht über chronische Neurodegeneration hinaus. Bei traumatischer Hirnverletzung bleibt Plasma-BD-Tau bis zu sieben Tage nach dem Ereignis erhöht und unterscheidet Patienten mit schlechtem Ausgang von jenen mit besserer Erholung. Beim akuten ischämischen Schlaganfall ist BD-Tau, bei Aufnahme gemessen, der einzige Marker, der Patienten mit guten versus schlechten funktionellen 90-Tage-Ergebnissen differenzieren kann. Die Korrelation zwischen Plasma-BD-Tau und der Größe der Schlaganfallläsion ist stark und unabhängig vom vaskulären Versorgungsgebiet oder der anatomischen Lokalisation.

Ein wesentlicher technologischer Fortschritt bei der Detektion blutbasierter Biomarker ist der Einsatz der Immunpräzipitation als vorbereitender Schritt vor hochsensitiven Immunoassays, zusammenfassend als IP-IA bezeichnet. Dieser Ansatz verbessert die Detektion niedrig abundanter Biomarker und erhöht die diagnostische Genauigkeit, indem Zielproteine angereichert und störende Matrixbestandteile entfernt werden. Die IP-IA-Methodik kombiniert robotergestützte IP mit Hochdurchsatz-Immunoassays. Der erste IP-Schritt nutzt funktionalisierte magnetische Beads mit Antikörpern gegen diagnostische Proteine (Aβ-Peptide, Tau-Proteine), wodurch die Biomarker angereichert und Matrixkomponenten entfernt werden, die Epitope maskieren oder die Detektion stören können.

Nach der IP werden die Eluate mit kommerziellen Immunoassay-Plattformen (z. B. ELISA, MesoScale, Simoa, Lumipulse, Elecsys) analysiert, was eine multiplexe Detektion von Aβ- und Tau-Epitopen aus minimalen Plasmavolumina (bis hin zu 100 Mikrolitern) ermöglicht. Mehrere Studien zeigten, dass IP-IA die diagnostische Genauigkeit blutbasierter Aβ- und Tau-Messungen im Vergleich zu direkten Assays deutlich verbessert. In Zusammenarbeit mit Roche Diagnostics erhöhte eine vorgelagerte IP die area under the curve für die Detektion des Aβ42/Aβ40-Verhältnisses von 0.73 auf 0.88 und weiter auf 0.92 bei biomarker-gestützter klinischer Diagnose.

Die früheste nachweisbare Biomarkerveränderung bei AD ist eine Abnahme von CSF Aβ42, insbesondere des Aβ42/Aβ40-Verhältnisses. Diese Veränderung spiegelt sich im Blut wider und tritt zeitgleich mit den Liquorveränderungen auf. Andere Biomarker, wie phospho-tau-Isoformen (insbesondere p-tau217 und p-tau181), steigen später im Krankheitsverlauf an. Wichtig ist, dass einige Patienten mit subjektiven kognitiven Defiziten oder früher MCI keine pathologischen Amyloid-PET- oder Tau-PET-Befunde zeigen, was die Notwendigkeit sensitiver blutbasierter Assays unterstreicht.

Forschende am Vellore Institute of Technology, Tamil Nadu, kombinierten interpretierbares Deep Learning mit Genexpressionsdaten aus Blut, um einen skalierbaren, nicht-invasiven Ansatz zur frühen Alzheimer-Erkennung anzubieten. Sie fassten drei öffentliche Microarray-Datensätze – GSE63060, GSE63061 und ADNI – zu einem Datensatz mit 476 Proben und 12.459 gemeinsamen Genen zusammen. Um die informativsten Gene zu finden, wendete das Team mehrere Feature-Selection-Methoden an, darunter Chi-square, ANOVA, Recursive Feature Elimination und ElasticNet. Anschließend nutzten sie SHapley Additive exPlanations (SHAP), einen Ansatz der erklärbaren KI, um Gene nach ihrer Bedeutung zu rangieren und die Interpretierbarkeit zu verbessern.

Zwei Deep-Learning-Modelle – ein deep neural network (DNN) und ein 1-D convolutional neural network – wurden auf den ausgewählten Genen trainiert. Das DNN erreichte 91% Genauigkeit und 95% Präzision und übertraf damit konventionelle Machine-Learning-Methoden. Unter den identifizierten Genen erwiesen sich RPL36AL, CSF2RB und RMND5B als Schlüsselbiomarker und hoben molekulare Signaturen hervor, die Alzheimer-Patienten von gesunden Personen unterscheiden.

Das Aufkommen von Bluttests wirft Fragen zur angemessenen Anwendung auf. Menschen, die vollkommen unauffällig sind, aber möglicherweise eine familiäre Vorgeschichte der Alzheimer-Krankheit haben oder einfach besorgt sind und einen Test wünschen, könnten dennoch einen Test erhalten, obwohl er für sie nicht angemessen ist – und wenn sie dann ein falsch-positives Ergebnis bekommen, könnten sie damit ringen, was das für sie bedeutet. Die Alzheimer-Krankheit ist ein langsamer Prozess, der über einen längeren Zeitraum im Körper abläuft. Derzeit geht man davon aus, dass einige Veränderungen möglicherweise 15 oder 20 Jahre stattfinden, bevor eine Person klinische Symptome entwickelt. Es gibt eine Phase, die als präklinische Alzheimer-Krankheit bezeichnet wird, in der eine Person kognitiv völlig unauffällig ist. Würde eine solche Person diese Bluttests durchführen, würde das Ergebnis positiv ausfallen. Es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Person Symptome entwickeln wird oder möglicherweise keine Symptome entwickelt. Und falls sie Symptome entwickelt, ist nicht bekannt, ob dies in den nächsten fünf, 10 oder 15 Jahren geschieht. Deshalb besteht die Notwendigkeit, Tests nur dann durchzuführen, wenn eine klar dokumentierte kognitive Beeinträchtigung vorliegt.