Novel diagnostic biomarkers for Alzheimer's disease in human tear fluid

Abstract

Background: Cerebrospinal fluid (CSF) and positron emission tomography (PET) biomarkers are widely used as pathological biomarkers of Alzheimer’s disease (AD). However, their use for population screening is restricted owing to their high cost and invasiveness. We investigated alterations in the tear proteins of patients with AD and mild cognitive impairment (MCI) using a proteomics approach. Methods: We conducted tear proteome profiling using tandem-mass-tag labeling and liquid chromatography-mass spectrometry/mass spectrometry analysis in a global profiling cohort, with 42 participants including cognitively unimpaired (CU) individuals, and patients with amyloid-β (Aβ)- positive MCI (MCI+) and Aβ-positive AD (AD+). Eight differentially expressed proteins commonly expressed in MCI+ and AD+ were individually measured using parallel reaction monitoring from 103 participants in an individual analysis cohort. We performed logistic regression and receiver operating characteristic curve analysis between diagnostic groups, and a 1correlation analysis using imaging biomarkers for regional Aβ, tau, and cortical volumes. Results: We identified 3,350 tear proteins and selected eight candidate biomarkers from among 22 proteins quantifiable within an individual tear fluid sample. Of those, lipocalin 1 (LCN1), plastin-2 (LCP1), prolactin- inducible protein (PIP), secretoglobin family 2A member 1 (SCGB2A1), secretoglobin family 1D Member 1 (SCGB1D1), and glutamine synthetase (GLUL) showed areas under the curve (AUCs) ranging from 0.67 to 0.86 for discriminating AD+ from CU. The composite of biomarkers showed an AUC of more than 0.8 in discriminating MCI+ and AD+ from CU, and MCI+ from AD+. GLUL was positively associated with cortical Aβ burden, while LCN1 and LCP1 showed negative associations with Aβ and tau burden. Conclusion: Tear fluid biomarkers have a predictive and discriminative role in the diagnosis of MCI and AD, and these biomarkers reflect underlying pathologic changes in AD.

배경: 알츠하이머병을 진단하기 위해 현재 뇌척수액검사와 양전자방출단층촬영술을 통한 바이오마커가 사용되고 있으나, 이 검사들은 침습적이거나 높은 비용의 문제로, 대규모의 환자를 대상으로 한 검사에는 제한점이 있다. 본 연구에서는 인간의 눈물검체를 이용하여 알츠하이머 치매와 경도인지장애 환자를 진단할 수 있는 바이오마커를 프로테오믹스 방법을 통하여 새롭게 발견하고자 하였다. 방법: 본 연구에서는 정상인지군, 아밀로이드-베타 양성 경도인지장애 환자, 아밀로이드-베타 양성 알츠하이머 치매 환자로 구성된 42명의 프로파일링 코호트에서 분광분석법을 통하여 새로운 눈물검체 바이오마커를 찾고, 103명으로 구성된 개인분석 코호트에서 이 바이오마커를 개별적으로 정량화 하였다. 로지스틱 회귀분석과 수신자 판단 특성 곡선 분석을 통하여 눈물검체 바이오마커의 진단 능력을 평가하고, 개인별 양전자방출단층 영상 및 뇌자기공명 영상에서 도출된 아밀로이드-베타, 타우 단백의 분포 및 뇌 회질의 부피가 눈물검체 바이오마커의 정량적 측정값과 가지는 상관관계를 분석하였다. 결과: 프로파일링 코호트에서 총 3,350개의 눈물 검체 단백질이 검출되었으며, 이 중 22개의 단백질이 개인분석에서 재확인 되었고, 최종적으로 8개의 눈물검체 바이오마커가 알츠하이머 치매의 진단에 통계적으로 유효한 결과를 보였다. 새롭게 발견된 눈물검체 바이오마커 중 lipocalin 1 (LCN1), plastin-2 (LCP1), prolactin inducible protein (PIP), secretoglobin family 2A member 1 (SCGB2A1), secretoglobin family 1D Member 1 (SCGB1D1), glutamine synthetase (GLUL)는 인지정상군으로부터 아밀로이드 베타 양성 알츠하이머 치매 환자를 진단하는 데 있어 높은 진단 능력을 보였다 (Area Under the Curve, AUC 0.67 – 0.86). 또한 바이오마커의 조합을 통하여, 정상인지군, 아밀로이드-베타 양성 경도인지장애 환자, 아밀로이드-베타 양성 알츠하이머 치매 환자군을 각각 구분하는데 있어서 높은 진단 능력을 도출하였다. (AUC >0.8). 바이오마커 중 GLUL은 뇌 회질의 아밀로이드-베타 축적정도와 양의 상관관계를 보였으며, LCN1과 LCP1은 아밀로이드 베타 및 타우의 축적정도와 음의 상관 관계를 보였다. 결론: 새롭게 발견된 눈물검체 바이오마커는 아밀로이드-베타 양성 경도인지장애 및 아밀로이드-베타 양상 알츠하이머 치매 환자를 효율적으로 진단할 뿐만 아니라, 알츠하이머병의 병리학적소견을 반영하고 있어, 비침슴적이고 경제적인 알츠하이머병 진단 도구가 될 수 있을 것으로 생각된다.