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Aims
Cognitive dysfunction occurs frequently in patients with heart failure (HF), but early detection remains challenging. Serum glial fibrillary acidic protein (GFAP) is an emerging biomarker of cognitive decline in disorders of primary neurodegeneration such as Alzheimer's disease. We evaluated the utility of serum GFAP as a biomarker for cognitive dysfunction and structural brain damage in patients with stable chronic HF.
Methods and results
Using bead-based single molecule immunoassays, we quantified serum levels of GFAP in patients with HF participating in the prospective Cognition.Matters-HF study. Participants were extensively phenotyped, including cognitive testing of five separate domains and magnetic resonance imaging (MRI) of the brain. Univariable and multivariable models, also accounting for multiple testing, were run. One hundred and forty-six chronic HF patients with a mean age of 63.8 ± 10.8 years were included (15.1% women). Serum GFAP levels (median 246 pg/mL, quartiles 165, 384 pg/mL; range 66 to 1512 pg/mL) did not differ between sexes. In the multivariable adjusted model, independent predictors of GFAP levels were age (T = 5.5; P < 0.001), smoking (T = 3.2; P = 0.002), estimated glomerular filtration rate (T = −4.7; P < 0.001), alanine aminotransferase (T = −2.1; P = 0.036), and the left atrial end-systolic volume index (T = 3.4; P = 0.004). NT-proBNP but not serum GFAP explained global cerebral atrophy beyond ageing. However, serum GFAP levels were associated with the cognitive domain visual/verbal memory (T = −3.0; P = 0.003) along with focal hippocampal atrophy (T = 2.3; P = 0.025).
Conclusions
Serum GFAP levels are affected by age, smoking, and surrogates of the severity of HF. The association of GFAP with memory dysfunction suggests that astroglial pathologies, which evade detection by conventional MRI, may contribute to memory loss beyond ageing in patients with chronic HF.
Acute ischemic cardiac injury predisposes one to cognitive impairment, dementia, and depression. Pathophysiologically, recent positron emission tomography data suggest astroglial activation after experimental myocardial infarction (MI). We analyzed peripheral surrogate markers of glial (and neuronal) damage serially within 12 months after the first ST-elevation MI (STEMI). Serum levels of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and neurofilament light chain (NfL) were quantified using ultra-sensitive molecular immunoassays. Sufficient biomaterial was available from 45 STEMI patients (aged 28 to 78 years, median 56 years, 11% female). The median (quartiles) of GFAP was 63.8 (47.0, 89.9) pg/mL and of NfL 10.6 (7.2, 14.8) pg/mL at study entry 0–4 days after STEMI. GFAP after STEMI increased in the first 3 months, with a median change of +7.8 (0.4, 19.4) pg/mL (p = 0.007). It remained elevated without further relevant increases after 6 months (+11.7 (0.6, 23.5) pg/mL; p = 0.015), and 12 months (+10.3 (1.5, 22.7) pg/mL; p = 0.010) compared to the baseline. Larger relative infarction size was associated with a higher increase in GFAP (ρ = 0.41; p = 0.009). In contrast, NfL remained unaltered in the course of one year. Our findings support the idea of central nervous system involvement after MI, with GFAP as a potential peripheral biomarker of chronic glial damage as one pathophysiologic pathway.
Cerebrospinal fluid (CSF) and serum biomarkers are critical for clinical decision making in neurological diseases. In cerebral small vessel disease (CSVD), white matter hyperintensities (WMH) are an important neuroimaging biomarker, but more blood-based biomarkers capturing different aspects of CSVD pathology are needed. In 42 sporadic CSVD patients, we prospectively analysed WMH on magnetic resonance imaging (MRI) and the biomarkers neurofilament light chain (NfL), glial fibrillary acidic protein (GFAP), chitinase3-like protein 1 (CHI3L1), Tau and Aβ1-42 in CSF and NfL and GFAP in serum. GFAP and CHI3L1 expression was studied in post-mortem brain tissue in additional cases. CSVD cases with higher serum NfL and GFAP levels had a higher modified Rankin Scale (mRS) and NIHSS score and lower CSF Aβ1-42 levels, whereas the CSF NfL and CHI3L1 levels were positively correlated with the WMH load. Moreover, the serum GFAP levels significantly correlated with the neurocognitive functions. Pathological analyses in CSVD revealed a high density of GFAP-immunoreactive fibrillary astrocytic processes in the periventricular white matter and clusters of CHI3L1-immunoreactive astrocytes in the basal ganglia and thalamus. Thus, besides NfL, serum GFAP is a highly promising fluid biomarker of sporadic CSVD, because it does not only correlate with the clinical severity but also correlates with the cognitive function in patients.
Idiopathic Parkinson’s disease (PD) is characterized by a progredient degeneration of the brain, starting at deep subcortical areas such as the dorsal motor nucleus of the glossopharyngeal and vagal nerves (DM) (stage 1), followed by the coeruleus–subcoeruleus complex; (stage 2), the substantia nigra (SN) (stage 3), the anteromedial temporal mesocortex (MC) (stage 4), high-order sensory association areas and prefrontal fields (HC) (stage 5) and finally first-order sensory association areas, premotor areas, as well as primary sensory and motor field (FC) (stage 6). Autoimmunity might play a role in PD pathogenesis. Here we analyzed whether anti-brain autoantibodies differentially recognize different human brain areas and identified autoantigens that correlate with the above-described dissemination of PD pathology in the brain. Brain tissue was obtained from deceased individuals with no history of neurological or psychiatric disease and no neuropathological abnormalities. Tissue homogenates from different brain regions (DM, SN, MC, HC, FC) were subjected to SDS-PAGE and Western blot. Blots were incubated with plasma samples from 30 PD patients and 30 control subjects and stained with anti-IgG antibodies to detect anti-brain autoantibodies. Signals were quantified. Prominent autoantigens were identified by 2D-gel-coupled mass spectrometry sequencing. Anti-brain autoantibodies are frequent and occur both in healthy controls and individuals with PD. Glial fibrillary acidic protein (GFAP) was identified as a prominent autoantigen recognized in all plasma samples. GFAP immunoreactivity was highest in DM areas and lowest in FC areas with no significant differences in anti-GFAP autoantibody titers between healthy controls and individuals with PD. The anti-GFAP autoimmunoreactivity of different brain areas correlates with the dissemination of histopathological neurodegeneration in PD. We hypothesize that GFAP autoantibodies are physiological but might be involved as a cofactor in PD pathogenesis secondary to a leakage of the blood–brain barrier.
Hintergrund: Die der Pathogenese von Morbus Parkinson (PD, Parkinson’s disease) zugrunde liegenden Mechanismen sind bis heute nur unvollständig verstanden. Insbesondere ist unklar, durch welche ursächlichen Faktoren Parkinson ausgelöst wird. Bei der HIV-Infektion treten bei vielen Patienten neurologische Störungen auf (HIV-Associated Neurological Disorders, HAND), die in der klinischen Symptomatik und der Lokalisation der betroffenen Gehirnareale dem Morbus Parkinson ähneln. Möglicherweise könnte eine Fehlregulation der Immunantwort eine Rolle als Auslöser beider Erkrankungen spielen. In dieser Arbeit wurde die Autoimmunantwort von PD- und HAND-Patienten und gesunden Kontrollen gegen verschiedene Gehirnhomogenate untersucht, die während der Parkinsonerkrankung in unterschiedlichem Ausmaß geschädigt werden. Das Autoimmun-Signal wurde quantifiziert und prominente Autoantigene wurden identifiziert.
Methoden: In dieser Arbeit wurde ein Western-Blot-basiertes Verfahren zum Nachweis von Autoantikörpern gegen Gehirngewebe entwickelt. Dieses Verfahren wurde nach Optimierung mit Plasmaproben von gesunden Kontrollen, PD-Patienten und Patienten mit HIV-Infektion insbesondere an einer Gruppe von 40 Parkinson-Patienten (Durchschnittsalter 65 Jahre, 45 % weiblich) und 40 alters- und geschlechtsgemachten Kontrollen (Durchschnittsalter 62 Jahre, 50 % weiblich) angewendet und die humorale Autoimmunität gegen verschiedene Gehirnareale untersucht. Dazu wurden die verschiedenen Areale (dorsaler Motornucleus des Glossopharynx- und Vagusnervs (dm), Substantia nigra (SN), anteromedialer temporaler Mesocortex (MC), high order sensorische Assoziations- und präfrontale Felder (HC), first oder sensorische Assoziations- und prämotorische Felder, primäre sensorische und motorische Felder (FC)) von post-mortem Gehirnen homogenisiert, auf SDS-Gradienten-Gelen elektrophoretisch aufgetrennt und auf Nitrocellulose geblottet. Die Membranen wurden mit den Plasmen inkubiert und gebundene Autoantikörper immunologisch detektiert. Die Signale wurden qualitativ und quantitativ ausgewertet. Mit Hilfe einer zweidimensionalen Elektrophorese und anschließender Immunfärbung wurden prominente Autoantigene durch Massenspektroskopie identifiziert.
Ergebnisse: Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Assay lässt sich die humorale Autoimmunantwort gegen Gehirngewebe semiquantitativ bestimmen. In allen untersuchten Proben konnten verschiedene Autoantikörper gegen unterschiedliche Antigene nachgewiesen werden. Der Gesamt-IgG-Gehalt der Plasmen unterscheidet sich weder zwischen PD-Patienten und gesunden Kontrollen, noch zwischen Männern und Frauen signifikant. Weibliche PD-Patienten zeigen signifikant stärkere Signale gegen dm als männliche (p = 0.02, Mann-Whitney-U-Test), der wiederum in jedem Patienten - unabhängig vom Geschlecht - von den untersuchten Hirnarealen signifikant stärker autoimmunologisch erkannt wird, als die übrigen Hirnareale (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). In jedem Hirnareal wurden drei Banden besonders häufig erkannt (45, 40 und 37 kDa), jede davon am stärksten im dm (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). Die Einzelanalysen der Signalintensitäten zeigt, dass PD-Patienten signifikant weniger Autoreaktivität gegen die 45 kDa-Bande in der SN (p = 0.056), im MC (p = 0.0277) und im FC (p = 0.0188) zeigen, als Kontrollen. Weitere Analysen zeigen, dass männliche PD-Patienten hochsignifikant weniger das 45 kDa-Protein im SN (p < 0.0001), MC (p = 0.0042) und FC (p = 0.0088) erkennen als Kontrollen, wohingegen bei den weiblichen Kontroll- und PD-Plasmen kein Unterschied festzustellen war. Ein weiteres Protein bei 160 kDa wird signifikant unterschiedlich stark in allen Gehirnarealen erkannt (p < 0.0001, Friedman-ANOVA), wobei die stärkste Immunreaktivität gegen FC besteht.
Basierend auf dem Nachweis der 45 kDa-Bande aus der SN ergibt sich eine Odds Ratio für das Merkmal Parkinson von 3.38 (CI 1.11 – 10.30). Bei Männern ist diese Odds Ratio sogar 53.12 (CI 2.79 - 1012), bei Frauen 0.44 (CI 0.09 – 2.09). Die Sensitivität dieses Tests liegt bei Männern bei 1 (CI 0.84 – 1), die Spezifität bei 4.41 (0.31 – 0.78). Die negativ prädiktiven Werte liegen in allen Gruppen über 99.15 %. Die Identifizierung der Proteine mittels Massenspektroskopie ergab, dass es sich bei den 37 – 45 kDa Banden um Isoformen oder posttranslational modifizierte Formen des GFAP (glial fibrillary acidic protein), einem Bestandteil von Neurofilamenten v.a. in Astrozyten handelt. Außerdem wurde Fructose-Bisphosphate Aldolase A und Aspartat-Aminotransferase (mitochondriale Isoform 1 Vorläufer), beides Proteine des Kohlenhydrat-Stoffwechsels und der Glykolyse, als weitere Proteine mit ebenfalls 45 kDa identifiziert. Bei dem identifizierten Protein mit dem Molekulargewicht von 160 kDa handelt es sich wahrscheinlich um Dihydropyrimidinase-related protein 2, wie GFAP ebenfalls bei der Bildung des Zytoskeletts beteiligt.
Diskussion: Autoantikörper gegen Gehirnantigene sind ein physiologisches Phänomen, das unabhängig von dem Vorliegen einer neurologischen Erkrankung besteht. Gehirnareale, die bei Parkinson besonders stark geschädigt werden, werden von dieser humoralen Autoimmunantwort besonders stark erkannt. Eine vorübergehende Permeabilisierung der Blut-Hirn-Schranke durch Infektion oder Trauma könnte den Zutritt der Autoantikörper zum Gehirn erlauben und so autoreaktive Prozesse in Gang setzen und zum Untergang dopaminerger Neuronen führen. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um grundlegende Bestandteile eukaryotischer Zellen, was die Hypothese eines Art Beseitigungsmechanismus der Autoantikörper und damit die Aufgabe der Aufrechterhaltung der Homöostase darstellen könnte. Bei männlichen PD Patienten wird die 45 kDa Bande signifikant weniger stark von Auto-IgGs erkannt; dieser Mechanismus könnte somit in den männlichen PD-Patienten vermindert sein. Als Folge wäre die Ablagerung von Zelltrümmern im Gehirn vorstellbar, die dann auch langfristig eine Angriffsfläche für Autoimmunprozesse mit dem Verlust dopaminerger Neuronen bieten könnte.