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STUDY OBJECTIVES:Sleep problems are often undetected in adults with Down syndrome (DS). Our objective was to determine the prevalence of sleep disorders in adults with DS through self-reported and objective sleep measures. METHODS:We performed a community-based cross-sectional study of 54 adults with DS not referred for sleep disorders. Two polysomnography (PSG) sleep studies were performed. Sleep quality was evaluated using the Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI); daytime sleepiness was evaluated using the Epworth Sleepiness Scale (ESS) and the risk for the sleep apnea syndrome (OSA) was identified using the Berlin Questionnaire (BQ). Participants' sleep/wake pattern was assessed from sleep diaries and by wrist actigraphy. PSQI, ESS, and PSG measures were compared with 35 sex-, age-, and body mass index-matched patients in the control groups. RESULTS:In PSG measures, adults with DS showed lower sleep efficiency (69 ± 17.7 versus 81.6 ± 11; P < .001), less rapid eye movement sleep (9.4 ± 5.8 versus 19.4 ± 5.1; P < .001), a higher prevalence of OSA (78% versus 14%; P < .001), and a higher apnea-hypopnea index (23.5 ± 24.5 versus 3.8 ± 10.5; P < .001) than patients in the control group. In the DS group, the questionnaires (mean PSQI 3.7 ± 2.9; mean ESS 6.3 ± 4.5 and mean BQ 1 ± 0) did not reflect the sleep disturbances detected on the PSG. Actigraphy data recorded daytime sleep that was not self-reported (118.2 ± 104.2 minutes). CONCLUSIONS:Adults with DS show severe sleep disruption and a high prevalence of OSA, undetected by self-reported sleep measures. Actigraphy, PSG, and validated simplified devices for screening OSA should be routinely recommended for this population because treatment of sleep disorders can contribute to healthy aging.

// Frederic Sampedro 1, 2, 3, * , Eduard Vilaplana 1, 2, * , Mony J de Leon 4 , Daniel Alcolea 1, 2 , Jordi Pegueroles 1, 2 , Victor Montal 1, 2 , Maria Carmona-Iragui 1, 2 , Isabel Sala 1, 2 , Maria-Belen Sanchez-Saudinos 1, 2 , Sofia Anton-Aguirre 1, 2 , Estrella Morenas-Rodriguez 1, 2 , Valle Camacho 3 , Carles Falcon 5, 7 , Javier Pavia 6, 7 , Domenec Ros 5, 7 , Jordi Clarimon 1, 2 , Rafael Blesa 1, 2 , Alberto Lleo 1, 2 , Juan Fortea 1, 2 for the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative ** 1 Memory Unit, Department of Neurology, Hospital de la Santa Creu i Sant Pau- Biomedical Research Institute Sant Pau- Universitat Autonoma de Barcelona, Barcelona, Spain 2 Centro de Investigacion Biomedica en Red de Enfermedades Neurodegenerativas. CIBERNED, Madrid, Spain 3 Nuclear Medicine Department, Hospital de la Santa Creu i Sant Pau- Biomedical Research Institute Sant Pau- Universitat Autonoma de Barcelona, Barcelona, Spain 4 New York University School of Medicine, New York, NY, USA 5 Unitat de Biofisica i Bioenginyeria, Departament de Ciencies Fisiologiques I, Facultat de Medicina, Universitat de Barcelona – IDIBAPS, Barcelona, Spain 6 Nuclear Medicine Department. Hospital Clinic de Barcelona, Barcelona, Spain 7 Biomedical Research Networking Center in Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine - CIBER-BBN, Barcelona, Spain * These authors have contributed equally to this work ** Data used in preparation of this article were obtained from the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) database (adni.loni.usc.edu). As such, the investigators within the ADNI contributed to the design and implementation of ADNI and/or provided data but did not participate in analysis or writing of this report. A complete listing of ADNI investigators can be found at: http://adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads/how_to_apply/ADNI_Acknowledgement_List.pdf . Correspondence to: Juan Fortea, e-mail: jfortea@santpau.cat Keywords: Gerotarget, Alzheimer’s disease, aging, APOE, MRI, PET-FDG Received: June 29, 2015 Accepted: August 28, 2015 Published: September 10, 2015 ABSTRACT Background: The APOE effect on Alzheimer Disease (AD) risk is stronger in women than in men but its mechanisms have not been established. We assessed the APOE -by-sex interaction on core CSF biomarkers, brain metabolism and structure in healthy elderly control individuals (HC). Methods: Cross-sectional study. HC from the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative with available CSF ( n = 274) and/or 3T-MRI ( n = 168) and/or a FDG-PET analyses ( n = 328) were selected. CSF amyloid-β 1–42 (Aβ 1–42 ), total-tau (t-tau) and phospho-tau (p-tau 181p ) levels were measured by Luminex assays. We analyzed the APOE -by-sex interaction on the CSF biomarkers in an analysis of covariance (ANCOVA). FDG uptake was analyzed by SPM8 and cortical thickness (CTh) was measured by FreeSurfer. FDG and CTh difference maps were derived from interaction and group analyses. Results: APOE4 carriers had lower CSF Aβ 1–42 and higher CSF p-tau 181p values than non-carriers, but there was no APOE -by-sex interaction on CSF biomarkers. The APOE -by-sex interaction on brain metabolism and brain structure was significant. Sex stratification showed that female APOE4 carriers presented widespread brain hypometabolism and cortical thinning compared to female non-carriers whereas male APOE4 carriers showed only a small cluster of hypometabolism and regions of cortical thickening compared to male non-carriers. Conclusions: The impact of APOE4 on brain metabolism and structure is modified by sex. Female APOE4 carriers show greater hypometabolism and atrophy than male carriers. This APOE -by-sex interaction should be considered in clinical trials in preclinical AD where APOE4 status is a selection criterion.

La síndrome de Down (SD) és la causa més freqüent de discapacitat intel·lectual (DI) d'origen genètic i està causada per la triplicació del cromosoma 21. Alguns dels gens codificats en aquest cromosoma, principalment el de la proteïna precursora de l'amiloide (APP), fan que aquestes persones presentin les marques fisiopatològics de la malaltia d'Alzheimer (MA) a partir dels 40 anys i que, per tant, tinguin un elevadíssim risc de desenvolupar una demència per MA. No obstant, el diagnòstic clínic de la demència en aquesta població és un repte degut a la DI premòrbida associada a la pròpia SD, a la manca de criteris diagnòstics adaptats, i a la manca de dades normatives dels tests neuropsicològics. Actualment no hi ha tractaments per prevenir o curar la MA i, a més, les persones amb SD han estat històricament excloses dels assaigs clínics i la recerca, negant-los l'oportunitat de beneficiar-se de possibles tractaments i avenços científics. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral es centra en la caracterització del curs clínic i cognitiu de la MA en aquesta població i en l'estudi del rendiment diagnòstic i pronòstic de diferents biomarcadors de fluids en plasma i líquid cefaloraquidi (LCR). Per fer-ho, ens hem basat en dades de la cohort més gran d'arreu del món d'adults amb la SD per l'estudi de la MA, la cohort Down Alzheimer Barcelona Neuroimaging Initiative (DABNI). Concretament, descrivim com entre la població adulta amb la SD és quasi inevitable la progressió cap a la fase de demència de la MA a mida que envelleixen i, especialment, a partir de la quinta dècada de vida. Així, posem de manifest la urgent necessitat de dissenyar plans de salut i assaigs clínics específics contra la MA per aquesta població. D'aquesta manera, serà imprescindible validar eines neuropsicològiques i definir uns criteris diagnòstics adaptats a persones amb la SD. En contra del que s'ha assumit fins al moment en el camp de la DI, i de la síndrome de Down en particular, en la present tesi demostrem que és factible avaluar el deteriorament cognitiu de la MA es pot diagnosticar amb una avaluació transversal. A més, mostrem la viabilitat de monitoritzar el rendiment cognitiu de les persones amb la SD al llarg d'un assaig clínic preventiu validant dues eines neuropsicològiques com a variables d'eficàcia (endpoints) cognitives, imprescindibles en qualsevol assaig clínic per la MA. Finalment, en un context on els biomarcadors han revolucionat la manera de diagnosticar la MA en la població general, destaquem la necessitat d'adaptar aquests avenços per aplicar-los a la població amb la SD. En aquest sentit, hem validat el rendiment diagnòstic i pronòstic dels neurofilaments de cadena lleugera (NfL) en plasma per la detecció de la MA en la SD i hem explorat un panell de proteïnes sinàptiques en líquid cefaloraquidi (LCR) com a possibles biomarcadors de la MA que podrien ser útils per monitoritzar la resposta terapèutica assaigs clínics. En resum, les dades presentades en aquesta tesi doctoral s'han centrat en el diagnòstic de les fases simptomàtiques de la MA i en l'estudi dels canvis clínics, cognitius i de biomarcadors de la malaltia en adults amb la SD. Estudis multimodals com els presentats en aquesta recull són essencials per avançar en el coneixement de la història natural de la MA, per desenvolupar noves eines diagnòstiques precises i, potencialment, per descobrir noves dianes terapèutiques. El síndrome de Down (SD) es la causa más frecuente de discapacidad intelectual (DI) de origen genético y está causada por la triplicación del cromosoma 21. Algunos de los genes codificados en este cromosoma, principalmente el de la proteína precursora del amiloide (APP), son los responsables de que estas personas presenten las marcas fisiopatológicos de la enfermedad de Alzheimer (EA) a partir de los 40 años y que, por tanto, tengan un elevadísimo riesgo de desarrollar una demencia por EA. Sin embargo, el diagnóstico clínico de la demencia en esta población es un reto debido a la DI premórbida asociada al propio SD, a la falta de criterios diagnósticos adaptados y a la falta de datos normativos de los test neuropsicológicos. Actualmente no existen tratamientos para prevenir o curar la EA y, además, las personas con SD han sido históricamente excluidas de los ensayos clínicos y la investigación, negándoles la oportunidad de beneficiarse de posibles tratamientos y de los avances científicos. El objetivo de esta tesis doctoral se centra en la caracterización del curso clínico y cognitivo de la EA en esta población y en el estudio del rendimiento diagnóstico y pronóstico de diferentes biomarcadores de fluidos en plasma y líquido cefalorraquídeo (LCR). Para ello, nos hemos basado en datos de la mayor cohorte del mundo de adultos con SD para el estudio de la EA, la cohorte Down Alzheimer Barcelona Neuroimaging Initiative (DABNI). Concretamente, describimos cómo entre la población adulta con SD es casi inevitable la progresión hacia la fase de demencia de la EA a medida que envejecen y, especialmente, a partir de la quinta década de vida. Así, ponemos de manifiesto la urgente necesidad de diseñar planes de salud y ensayos clínicos específicos contra la EA para esta población. De esta forma, será imprescindible validar herramientas neuropsicológicas y definir unos criterios diagnósticos adaptados a personas con SD. En contra de lo asumido hasta el momento en el campo de la DI, y del síndrome de Down en particular, en la presente tesis demostramos que es factible evaluar el deterioro cognitivo asociado a la EA con una evaluación transversal. Además, mostramos la viabilidad de monitorizar el rendimiento cognitivo de las personas con SD a lo largo de un ensayo clínico preventivo, validando dos herramientas neuropsicológicas como variables de eficacia (endpoints) cognitivas, imprescindibles en cualquier ensayo clínico para la EA. Por último, en un contexto en el que los biomarcadores han revolucionado la manera de diagnosticar la EA en la población general, destacamos la necesidad de adaptar estos avances para aplicarlos a la población con SD. En este sentido, hemos validado el rendimiento diagnóstico y pronóstico de los neurofilamentos de cadena ligera (NfL) en plasma para la detección de la EA en el SD y hemos explorado un panel de proteínas sinápticas en líquido cefalorraquídeo (LCR) como posibles biomarcadores de la EA que podrían ser útiles para monitorizar la respuesta terapéutica en ensayos clínicos. En resumen, los datos presentados en esta tesis doctoral se han centrado en el diagnóstico de las fases sintomáticas de la EA y en el estudio de los cambios clínicos, cognitivos y de biomarcadores de la enfermedad en adultos con SD. Estudios multimodales como los presentados en este compendio son esenciales para avanzar en el conocimiento de la historia natural de la EA, para desarrollar nuevas herramientas diagnósticas precisas y, potencialmente, para descubrir nuevas dianas terapéuticas. Down syndrome (DS) is the most common cause of intellectual disability (ID) of genetic origin, and it is caused by the triplication of the chromosome 21. Some genes coded in this chromosome such as the amyloid precursor protein (APP), lead to the universal presence of Alzheimer's disease (AD) pathological hallmarks in adults with DS by the age of 40, and, subsequently, to an ultra-high risk to develop AD dementia. However, the clinical diagnosis of dementia in individuals with DS is a challenge due to the associated neurodevelopmental ID, and the lack of validated clinical criteria and neuropsychological normative data to diagnose symptomatic AD. Currently, there are no treatments to prevent or stop AD in this population, and adults with DS have historically been excluded from AD clinical trials and research denying them the opportunity to benefit from potential treatments and scientific breakthroughs. This doctoral thesis aimed to better characterize the clinical and cognitive course of AD in this population, and to study the performance of different fluid biomarkers in plasma and cerebrospinal fluid (CSF). Our data is based on the Down Alzheimer Barcelona Neuroimaging Initiative (DABNI) cohort of adults with DS, the largest cohort for the study of AD in DS worldwide. Our works have shown the nearly inevitable progression to symptomatic AD with age from the fourth decade of life in this population, highlighting the urgent need for the design of health plans and clinical trials against AD in individuals with DS. In this sense, a prerequisite is to validate neuropsychological tools and define clinical diagnostic criteria for AD in DS. In contrast with previous assumptions, we demonstrate that cognitive assessment is feasible in adults with DS, and that AD-related cognitive decline can be detected with excellent accuracy in single-points evaluations. Moreover, we also showed the feasibility of performing longitudinal cognitive assessments for the duration of preventive clinical trials and validate the performance of two commonly used neuropsychological tools to be used as cognitive endpoints, which are essential in AD clinical trials. Finally, biomarkers have revolutionized the diagnosis of AD in the general population. These advances must be adapted and applied in DS. In this regard, we have validated the diagnostic and prognostic performance of plasma NfL and have explored a panel of synaptic proteins in CSF as novel biomarkers for AD in DS that may be useful to monitor therapeutic response in AD clinical trials. In brief, the data presented in this thesis has focused on the diagnosis of symptomatic AD and the study of clinical, cognitive, and biomarker changes of AD in adults with DS. These multimodal approaches are essential to provide new insights to the natural history of AD, to establish accurate diagnostic tools, and, potentially, to discover new therapeutic targets.

Cada tres segons alguna persona al món desenvolupa demència. Les malalties neurodegeneratives, amb la malaltia d’Alzheimer (MA), la malaltia de Parkinson i la demència frontotemporal com les formes més predominants, són un grup de desordres que afecten a milions de persones arreu del món. La neuropatologia de mostres post-mortem humanes encara és necessària per esclarir els mecanismes subjacents alterats en les malalties neurodegeneratives. En aquesta tesis hem combinat immunoassaigs clàssics, tècniques de microscopia òptica i eines computacionals automatitzades per investigar la neuroinflamació i l’acumulació anormal de proteïnes en les malalties neurodegeneratives. En particular, hem investigat alteracions dels astròcits i cèl·lules glials en la MA i altres taupaties. Hem aprofitat les tècniques de super-resolució emergents i hem aplicat i optimitzat l’array tomography (AT) combinant-lo amb stimulated emission depletion microscopy (STED) per estudiar les plaques d’amiloide humanes a nivell nanomètric. Finalment, hem aplicat mètodes digitals i l’AT per analitzar quantitativament els canvis cerebrals en un pacient tractat amb un inhibidor de BACE-1. Aquests tres treballs il·lustren com les eines digitals poden integrar-se amb els mètodes neuropatològics clàssics per la investigació de la MA i altres malalties neurodegeneratives. Cada tres segundos alguien en el mundo desarrolla demencia. Las enfermedades neurodegenerativas, con la enfermedad de Alzheimer (EA), enfermedad de Parkinson y la demencia frontotemporal como las formas más prevalentes, son un grupo de desórdenes que afectan a millones de personas alrededor del mundo. La neuropatología de muestras post-mortem humanas aún es necesaria para esclarecer los mecanismos subyacentes alterados en las enfermedades neurodegenerativas. En esta tesis hemos combinado immunoensayos clásicos, técnicas de microscopía óptica y herramientas computacionales automatizadas para investigar la neuroinflamación y la acumulación anormal de proteínas en las enfermedades neurodegenerativas. En particular, hemos investigado alteraciones de los astrocitos y células gliales en la EA y otras taupatías. Hemos aprovechado las técnicas de super-resolución emergentes y hemos aplicado y optimizado el array tomography (AT) combinándolo con stimulated emission depletion microscopy (STED) para estudiar las placas de amiloide humanas a nivel nanométrico. Finalmente, hemos aplicado métodos digitales y AT para analizar cuantitativamente los cambios cerebrales en un paciente tratado con un inhibidor de BACE-1. Estos tres trabajos ilustran cómo las herramientas digitales pueden integrarse con los métodos neuropatológicos clásicos para la investigación de la EA y otras enfermedades neurodegenerativas. Every 3 seconds someone in the world develops dementia. Neurodegenerative diseases (NDDs) with Alzheimer's disease (AD), Parkinson's disease (PD) and frontotemporal dementia (FTD) as the most prevalent forms are a group of disorders affecting millions of people worldwide. Neuropathology of post-mortem human samples is still needed to elucidate the underlying altered mechanisms of NDDs. In this thesis we combined classical immunoassays, light microscopy techniques and automated computational tools in order to investigate neuroinflammation and abnormal protein accumulation in NDDs. In particular, we investigated astrocytic and glial abnormalities in AD and other tauopathies. We took advantage of emerging super-resolution techniques and applied and optimized array tomography (AT) combined with stimulated emission depletion microscopy (STED) to study human amyloid plaques at a nanoscale level. Finally, we applied digital methods and AT to quantitative analyse the brain changes in a patient treated with a BACE-1 inhibitor. These three works illustrate how digital tools can be integrated with classical neuropathological methods in the investigation of AD and other NDDs. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Neurociències

La demència amb cossos de Lewy (DCLw) es caracteritza per la seva heterogeneïtat. En aquesta tesi, el meu objectiu és investigar aquesta heterogeneïtat a través de l'anàlisi dels diferents subtipus clínics basats tant en les característiques de presentació predominants en la fase prodròmica de la malaltia com en la diversitat dels trastorns de la son presents, centrant-me en el trastorn del comportament de la son REM (TCSR). En aquesta tesi, també investigo el paper de l'activitat glial en DLB mesurant els nivells en el líquid cefaloraquidi (LCR) de les proteïnes glials YKL-40, TREM2 soluble (sTREM2) i progranulina i la seva relació amb els biomarcadors de la malaltia d'Alzheimer (EA). Els pacients amb un diagnòstic clínic de DCLw probable van ser reclutats consecutivament durant el període d'aquesta tesi. Per capturar l'inici clínic predominant, vaig calcular la durada relativa de cada símptoma central en relació amb la durada total de la malaltia des de l'inici fins a complir els criteris de DCLw probable. Es va utilitzar una anàlisi de clústers tipus K-means basat en la presentació clínica inicial. Un subconjunt de pacients també es va sotmetre a una avaluació específica del son, incloent-hi escales de son i vídeo-polisomnografia (V-PSG). Per a l'estudi dels marcadors glials, també incloem pacients amb DCLw prodròmic (prodDCLw), demència tipus EA, EA prodròmica (prodEA) i voluntaris cognitivament normals (CN). En aquesta tesi descric tres subtipus clínics en DCLw com a resultat de l'anàlisi de clústers realitzat. El subtipus predominantment cognitiu va ser el subgrup obtingut principal i es va caracteritzar per un inici clínic cognitiu i una fase prodròmica més llarga en comparació amb la resta. Els pacients del subtipus predominantment neuropsiquiàtric van presentar un inici tardà i es van caracteritzar pel predomini d'al·lucinacions durant l'etapa primerenca. Els pacients del subtipus predominantment parkinsonians van mostrar una evolució més ràpida cap a la demència i un temps més curt des de l'inici de la malaltia fins a la presència de parkinsonisme. Pel que fa als trastorns de la son, es va trobar una àmplia gamma d'alteracions en el subconjunt de pacients avaluats. Les alteracions en l'arquitectura de la son-vigília van ser especialment freqüents. El TCSR va ser diagnosticat en el 50% dels pacients estudiats, sent en la majoria anterior a l'inici de la deterioració cognitiva. Altres patologies com al·lucinacions, apnea obstructiva severa de la son i moviments periòdics de les cames simulaven la clínica del TCSR en alguns pacients. La freqüència d'EEG occipital en vigília es va correlacionar negativament amb la taxa d'activitat electromiogràfica en el somni REM. Pel que fa als marcadors glials, els nivells de YKL-40, sTREM2 i progranulina no van diferir entre els grups DCLw i CN. No obstant això, els nivells de YKL-40, però no de sTREM2 o PGRN, van ser més alts en pacients amb DCLw i perfil de LCR suggestiu de copatologia EA. En DCLw i prodDCLw, només YKL-40 es va correlacionar amb t-tau i p-tau. En resum, aquesta tesi investiga l'heterogeneïtat en la DCLw i descriu tres subtipus clínics amb diferents perfils i patrons de progressió definits per les característiques predominants durant la seva fase prodròmica, així com la varietat i complexitat dels trastorns de la son en DCLw, destacant la necessitat de V-PSG per identificar-los adequadament. Aquesta tesi també emfatitza que els marcadors glials en LCR sTREM2 i PGRN no augmenten en DCLw i que YKL-40 només augmenta en pacients amb DCLw amb un perfil de biomarcadors EA, el que suggereix que aquest augment és impulsat per la copatologia Alzheimer. Una de las características principales de la demencia con cuerpos de Lewy (DCLw) es su heterogeneidad. En esta tesis, mi objetivo es investigar esta heterogeneidad a través del análisis de los diferentes subtipos clínicos basados tanto en las características predominantes durante la fase prodrómica de la enfermedad como en la diversidad de los trastornos del sueño presentes en la enfermedad, centrándome en el trastorno del comportamiento del sueño REM (TCSR). En esta tesis, también investigo el papel de la actividad glial en la DCLw mediante el estudio de los niveles en líquido cefalorraquídeo (LCR) de las proteínas YKL-40, TREM2 soluble (sTREM2) y progranulina y su relación con biomarcadores carácterísticos de la enfermedad de Alzheimer (EA). Para ello, pacientes con un diagnóstico clínico de DCLw probable fueron reclutados consecutivamente durante el transcurso de esta tesis. Para capturar la clínica predominante al inicio, calculé la duración relativa de cada síntoma central en relación a la duración total de la enfermedad desde el inicio hasta cumplir criterios diagnósticos de DCLw probable. Los subtipos clínicos fueron hallados mediante un análisis de clusters basado en la presentación clínica. Un subconjunto de pacientes también se sometió a una evaluación específica de sueño, incluyendo escalas de sueño y video-polisomnografía (V-PSG). Para el estudio de los marcadores gliales, se incluyeron también pacientes con DCLw prodrómica (prodDCLw), demencia tipo EA, EA prodrómica (prodEA) y voluntarios cognitivamente normales (CN). En esta tesis describo tres subtipos clínicos en DCLw como resultado del análisis de clusters realizado. El subtipo predominantemente cognitivo fue el subgrupo mayoritario y se caracterizó por un inicio clínico cognitivo y una fase prodrómica más larga en comparación con el resto de subtipos. Los pacientes dentro del subtipo predominantemente neuropsiquiátrico presentaron un inicio tardío de la enfermedad y se caracterizaron por el predominio de alucinaciones durante el mismo. Los pacientes en el subtipo predominantemente parkinsoniano mostraron una evolución más rápida a demencia y un tiempo más corto desde el inicio de la enfermedad hasta la presencia de parkinsonismo. Con respecto a los trastornos del sueño, se encontró una amplia gama de alteraciones en el subconjunto de pacientes evaluados. Las alteraciones en la arquitectura del sueño-vigilia fueron especialmente frecuentes. El TCSR fue diagnosticado en el 50% de los pacientes estudiados, siendo en la mayoría anterior al inicio del deterioro cognitivo. Otras patologías como alucinaciones, apnea obstructiva severa del sueño y movimientos periódicos de las piernas simularon la clínica de TCSR en algunos pacientes. La frecuencia occipital en el EEG en vigilia se correlacionó negativamente con la tasa de actividad electromiográfica durante el sueño REM. Con respecto a los marcadores gliales, los niveles de YKL-40, sTREM2 y progranulina no difirieron entre los grupos DCLw y CN. Sin embargo, los niveles de YKL-40, pero no sTREM2 o PGRN, fueron más altos en pacientes con DCLw y perfil de LCR sugestivo de copatología EA. En DCLw y prodDCLw, sólo YKL-40 se correlacionó con t-tau y p-tau. En resumen, esta tesis investiga la heterogeneidad de la DCLw y describe tres subtipos clínicos con diferentes perfiles y patrones de progresión definidos por las características predominantes durante su fase prodrómica, así como la variedad y complejidad de los trastornos del sueño en DCLw, destacando la necesidad de V- PSG para identificarlos adecuadamente. Esta tesis también enfatiza que los marcadores gliales en LCR sTREM2 y PGRN no aumentan en DCLw y que YKL-40 solo aumenta en pacientes con DCLw que además presentan biomarcadores compatibles con copatología Alzheimer en LCR, lo que sugiere que este aumento es impulsado dicha copatología. Dementia with Lewy bodies (DLB) is characterized by its heterogeneity. In this thesis, I aim to investigate this clinical heterogeneity through the analysis of the different clinical subtypes based both on the predominant presentation features at the prodromal phase of the disease and by the assessment of sleep disorders, focusing on REM sleep behaviour disorder (RBD). I also investigate the role of glial activity in DLB by measuring the levels in cerebrospinal fluid (CSF) of glial proteins YKL-40, soluble TREM2 (sTREM2) and progranulin and its relationship with Alzheimer's disease (AD) biomarkers. Patients with a clinical diagnosis of probable DLB were consecutively recruited during the period of this thesis. To capture the predominant clinical onset, I calculated the relative duration of each core symptom respective to the total disease duration from onset to fulfilment of probable DLB criteria. A K-means clustering method based on the initial clinical presentation was applied. A subset of patients also underwent a specific assessment of sleep including sleep scales and video-polysomnography (V-PSG). For the study of glial markers, we also included patients with prodromal DLB (prodDLB), AD dementia, prodromal AD (prodAD), and cognitively normal volunteers (CN). In this thesis I report three different clinical subtypes in DLB resulted from the cluster analysis performed. The cognitive-predominant subtype was the main subgroup obtained and was featured by a cognitive onset and a longer prodromal phase. Patients in the neuropsychiatric-predominant subtype were older at disease onset and were characterised by the predominance of hallucinations during the early stage. Patients in the parkinsonism-predominant subtype showed a faster decline until a dementia stage and a shorter time from onset to presence of parkinsonism. Regarding the sleep disturbances, a wide range of alterations were found in the subset of patients specifically evaluated. Abnormalities in sleep-wake architecture were especially frequent. RBD was diagnosed in 50% of the studied patients, in most cases preceding the onset of cognitive impairment. Mimics of RBD were hallucinatory-like behaviours, severe obstructive sleep apnea and prominent periodic limb movements in sleep. Occipital EEG frequency while awake negatively correlated with the rate of electromyographic activity in REM sleep. Concerning glial markers, YKL-40, sTREM2 and progranulin levels did not differ between DLB groups and CN. However, YKL-40 levels, but not sTREM2 or PGRN, were higher in DLB patients who had a CSF profile suggestive of AD copathology than those without. In DLB and prodDLB, only YKL-40 correlated with t-tau and p-tau. To conclude, this thesis investigates the heterogeneity in DLB and reports three clinical subtypes with different clinical profiles and progression patterns defined by the predominant features during its prodromal phase as well as the variety and complexity of sleep disorders in DLB, highlighting the need of V-PSG to properly identify them. This thesis also emphasises that CSF glial markers sTREM2 and PGRN are not increased in DLB and that YKL-40 is only increased in DLB patients with an AD biomarker profile, suggesting that this increase is driven by AD copathology.

Les malalties neurodegeneratives són patologies complexes i progressives que afecten milions de persones a tot el món. Entre d’altres, la malaltia d’Alzheimer (MA), la malaltia de Parkinson (MP) i la demència frontotemporal (DFT) són les tres condicions més prevalents. Tot i l’extensiva recerca duta a terme, els esdeveniments moleculars que desencadenen aquestes patologies són encara desconeguts. L’objectiu d’aquesta tesi és entendre el rol de determinats factors genètics i epigenètics en les malalties neurodegeneratives, a través de l’estudi de les reestructuracions genètiques, i la quantificació d’ADN mitocondrial circulant i espècies d’ARN no codificants. Primerament, s’ha analitzat el patró de variació estructural del cromosoma 17q21.31, una de les regions més complexes i dinàmiques del genoma humà, i s’ha avaluat la seva contribució en la ben establerta associació entre l’haplotip H1 del gen MAPT i la MP, la paràlisi supranuclear progressiva (PSP), la degeneració corticobasal (DCB) i la demència amb cossos de Lewy (DCLewy). Els resultats obtinguts suggereixen que els polimorfismes de número de còpies dintre d’aquesta regió no són responsables de l’efecte H1. Tot i això, hem trobat una sobre-representació dels portadors H1 en el grup de pacients amb DCLewy, expandint d’aquesta manera la rellevància biològica de l’haplotip en les malalties neurodegeneratives. També s’han examinat els nivells d’ADN mitocondrial circulant en líquid cefaloraquidi (LCR) i la seva utilitat com a indicador de la disfunció mitocondrial en el contínuum de la MA. Malgrat que la seva quantificació és fiable, la gran variabilitat interindividual entre els grups d’estudi limita la seva precisió i utilitat com a biomarcador diagnòstic. Finalment, s’ha investigat el perfil d’expressió de microARNs, una classe de ARNs no codificants involucrats en la modulació post-transcripcional de l’expressió gènica, continguts en vesícules extracel·lulars (VEs) de LCR en DFT i altres síndromes relacionats. Es poden detectar nombrosos microARNs en VEs de LCR. També s’han identificat quatre microARNs amb un patró d’expressió específic en pacients diagnosticats amb síndromes DFT 4R-tau. Neurodegenerative diseases are complex and progressive disorders that affect millions of people worldwide. Among them, Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD) and frontotemporal dementia (FTD) are three of the most prevalent. In spite of extensive research, the molecular events triggering these pathologies remain elusive. This thesis aims at understanding the role of certain genetic and epigenetic factors in neurodegenerative diseases through the study of structural genetic rearrangements, and the measurement of circulating mitochondrial DNA and non-coding RNA species. We first analyzed the structural variation pattern of the chromosome 17q21.31, one of the most complex and dynamic regions of the human genome, and evaluated its contribution to the well-established MAPT H1 haplotype relationship with PD, progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD) and dementia with Lewy bodies (DLB). Our results suggest that copy number polymorphisms within this region are not responsible for the H1 effect. However, we found a significant overrepresentation of H1 carriers in DLB patients, thus expanding the biological relevance of the haplotype in neurodegenerative disorders. We also examined the levels of circulating cell-free mitochondrial DNA in cerebrospinal fluid (CSF) and its utility as an indicator of mitochondrial dysfunction in the AD continuum. Although its measurement is reliable, the considerable inter-individual variability within groups limits its accuracy and usefulness as a diagnostic biomarker. Finally, we investigated the expression profile of microRNAs, a class of non-coding RNAs involved in the post-transcriptional modulation of gene expression, contained in extracellular vesicles (EVs) from CSF in FTD and other related syndromes. Numerous microRNAs can be detected within EVs from CSF. Moreover, we identified four microRNAs with a specific expression pattern in patients diagnosed with 4R-tau FTD syndromes.

La degeneración Lobular Frontotemporal (DLFT) es una constructo neuropatológico heterogéneo que incluye diferentes entidades neuropatológicas caracterizadas por una neurodegeneración prominente de los lóbulos frontales y temporales. A pesar de que algunos síndromes clínicos han demostrado predecir el diagnóstico neuropatológica de DLFT, la capacidad de los síndromes clínicos para predecir el diagnóstico neuropatológico es limitada. En esta tesis nos propusimos profundizar en los fundamentos fisiopatológicos y estructurales de la neurodegeneración relacionada con la DLFT mediante un estudio de biomarcadores multimodal que combinó: (i) marcadores clínicos de progresión de la enfermedad (CDR-FTLD, ALSFRS), (ii) biomarcadores en el líquido cefalorraquídeo relacionados con diferentes aspectos fisiopatológicos de la DLFT (Péptidos derivados de del procesamiento de la PPA, YKL-40 y la cadena ligera de neurofilamentos [NfL]) y (iii) el estudio mediante resonancia magnética cerebral de la macroestructura (grosor cortical) y la microestructura (difusividad media cortical) cortical en los síndromes relacionados con la DLFT (S-DLFT). Los resultados de esta tesis expanden el conocimiento previo sobre la fisiopatología de la DLFT al mostrar que (i) los niveles de sAPPβ, YKL-40 y NfL son útiles desde un punto de vista diagnóstico para la diferenciación de los S-DLFT de los pacientes con la enfermedad de Alzheimer y de los controles cognitivamente sanos; (ii) en ausencia de la fisiopatología de la enfermedad de Alzheimer, los niveles en el líquido cefalorraquídeo de los péptidos derivados del procesamiento de la PPA (Aβ1-42, Aβ1-40, Aβ1-38 y sAPPβ) se encuentran globalmente disminuidos en los S-DLFT y correlacionan con el grosor cortical a diferencia de lo observado en la enfermedad de Alzheimer donde solo se evidencia un descenso de los niveles de Aβ1-42; (iii) los niveles en el líquido cefalorraquídeo del biomarcador de actividad astroglial YKL-40 se encuentran aumentados en los S-DLFT y, en los pacientes con esclerosis lateral amiotrófica, pueden ser útiles para predecir la evolución clínica; (iv) la difusividad media cortical, un nuevo biomarcador de neuroimagen en resonancia magnética cerebral es más sensible para la detección de los primeras cambios corticales relacionados con la DLFT. En definitiva, estos hallazgos mejoran nuestro entendimiento de la neurodegeneración relacionada con la DLFT y abren nuevas puertas para el estudio personalizado de los diferentes S-DLFT. Frontotemporal lobar degeneration (FTLD), is a heterogenic pathological construct encompassing multiple neuropathological conditions primarily affecting the frontal and temporal lobes. Although multiple clinical syndromes predict the neuropathological diagnosis of FTLD, clinical-pathological correlations are far from being perfect. Cerebrospinal and imaging biomarkers represent powerful tools for the study of FTLD pathophysiology and improve the diagnostic accuracy of FTLD and its differentiation from other diseases. This thesis aims to improve our understanding of the pathophysiological and structural underpinnings of FTLD-related neurodegeneration through a multimodal biomarker approach combining: (i) clinical markers of disease progression (i.e. CDR-FTLD, ALSFRS), (ii) CSF biomarkers related to different pathophysiological aspects of FTLD (APP-derived peptides, YKL-40 and NfL) and (iii) the MRI study of cortical macrostructure (cortical thickness) and microstructure (cortical mean diffusivity) in FTLD—related syndromes (FTLD-S). We provide novel insights into the pathophysiology of FTLD by showing that: (i) CSF levels of sAPPβ, YKL-40 and NFL alone or in combination had a good diagnostic accuracy to discriminate FTLD-S from healthy controls and patients with Alzheimer’s disease (ii) In the absence of Alzheimer’s disease pathophysiology, APP-derived peptides related to the so-called amyloidogenic pathway (Aβ1-42, Aβ1-40, Aβ1-38 and sAPPβ) are globally reduced in FTLD-S and correlate with cortical macrostructure (cortical thickness); importantly this pattern of APP-derived differed from the observed in Alzheimer’s disease were a selective decrease in the CSF levels of Aβ1-42 was observed; (iii) YKL-40, a biomarker related to astroglial activity, is increased in FTLD-S and their levels may be useful for the prediction of disease progression in the ALS-FTD continuum; and (iv) cortical mean diffusivity, a novel imaging biomarker is more sensitive that cortical thickness for the study of the earliest FTLD-related neurodegeneration. These findings add to our current understanding of FTLD pathophysiology and open new doors towards precision medicine approaches in FTLD-S.

La enfermedad de Alzheimer (EA) se caracteriza neuropatológicamente por la presencia de depósitos extracelulares de ß-amiloide (Aß) y ovillos neurofibrilares intracelulares (proteína tau fosforilada, p-tau) así como fenómenos inflamatorios. Estos procesos se asocian con atrofia cerebral, pérdida neuronal y alteraciones funcionales que acaban produciendo deterioro cognitivo y eventualmente un síndrome clínico de demencia. El depósito de amiloide comienzan décadas antes de que se pueda hacer un diagnóstico de demencia e incluso de la aparición de los primeros síntomas, y constituyen lo que se conoce como EA preclínica (Sperling et al., 2011). En la actualidad podemos estudiar los mecanismos fisiopatológicos que ocurren en la EA preclínica a través de biomarcadores (Dubois et al., 2016). Entender las relaciones entre biomarcadores en la EA preclínica es esencial para entender la fisiopatología de la enfermedad y poder desarrollar terapias que ralenticen o frenen su curso. Sin embargo, estas relaciones distan de estar claras, por ejemplo, la relación de la amiloidosis y la estructura cortical dista de es controvertida (Fortea et al., 2014). El objetivo principal de esta tesis fue estudiar las alteraciones corticales estructurales que ocurren en la enfermedad de Alzheimer preclínica. Concretamente, los objetivos fueron 1) estudiar la relación entre Aß y el grosor cortical y sus posibles interacciones con la proteína p-tau, 2) analizar los cambios estructurales corticales longitudinales de la EA preclínica, 3) investigar la microestructura cortical y entender su relación con la macroestructura en el continuum de la enfermedad y, 4) estudiar el impacto local del depósito de amiloide en la estructura cerebral en la EA preclínica. Para la realización de esta tesis se ha contado con bases de datos públicas americanas (Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, http://adni.loni.usc.edu/) y con bases de datos españolas (proyecto SIGNAL, https://www.signalstudy.es/). Los resultados de la tesis han conducido a la propuesta de un modelo bifásico de cambios corticales estructurales en la EA preclínica. El depósito de amiloide en ausencia de tau patológico se asocia a un incremento del grosor cortical, una ralentización de la atrofia longitudinal a 2 años y descensos de difusión cortical. Posteriormente, en presencia de tau patológica, y como resultado del efecto tóxico sinérgico o interacción entre procesos patológicos, se produciría una aceleración de la atrofia e incrementos de difusión que se extenderían siguiendo un patrón característico que ha sido definido como la huella cortical de la EA (Dickerson et al., 2009). Los resultados presentados en esta tesis tienen implicación directa en la investigación y en la práctica clínica. En primer lugar, en relación a los modelos de evolución de biomarcadores de la EA (Jack et al., 2013) ya que esta fase temprana de engrosamiento cortical no está contemplada en los modelos actuales. Nuestro modelo ayudaría a integrar los resultados contradictorios previos en la literatura en relación a los efectos del amiloide sobre la estructura cerebral. Los modelos actuales, no contemplan la interacción/sinergia entre biomarcadores que rigen el mencionado proceso bifásico. En segundo lugar, los resultados tienen implicaciones en el diseño de los ensayos clínicos, tanto en la selección de pacientes como en el uso subrogado de la resonancia como marcador de eficacia, ayudando a entender algunos resultados inesperados de los ensayos clínicos previos con inmunoterapia anti-amiloidea. Finalmente, la difusión cortical podría ser un marcador precoz en el curso de la EA. Futuros estudios multimodales de resonancia magnética y líquido cefalorraquídeo que incorporen PET de inflamación y de Tau con seguimientos longitudinales serán claves para seguir estudiando los procesos fisiopatológicos que subyacen la EA preclínica., The Alzheimer’s disease (AD) neuropathological hallmarks are the presence of extracellular amyloid ß (Aß) deposition and intracellular neurofibrillary tangles (hyperphosphorilated tau protein) as well as inflammation phenomena. These processes are associated with cerebral atrophy, neuronal loss and functional alterations which lead to cognitive dysfunction and, eventually, a clinical syndrome of dementia. These pathophysiological processes begin decades before the diagnosis of the clinical dementia even before the appearance of the first clinical symptoms, and constitute the preclinical AD (Sperling et al, 2011). Nowadays we can study the pathophysiological mechanisms that occur in preclinical AD through biomarkers (Dubois et al., 2016). It is crucial to understand the relationships between biomarkers in preclinical AD to further understand the disease pathophysiology and be able to develop treatments that could slow down or stop its course. However, these relationships are not clear, for example, the relationship between brain amyloidosis and brain structure is controversial (Fortea et al., 2014). The objective of this thesis was to study the cortical structural alterations that occur in preclinical AD. Specifically, 1) to study the relationship between Aß and cortical thickness and its potential interactions with p-tau, 2) to analyze the 2-year cortical longitudinal changes in preclinical AD, 3) to investigate cortical microstructure and understand its relationship with brain macrostructure in the disease continuum and, 4) to assess the local impact of amyloid deposition in brain structure in preclinical AD. In this thesis, we have used data from a public American database (Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, http://adni.loni.usc.edu/) and from a Spanish multicentric cohort (proyecto SIGNAL, https://www.signalstudy.es/). The results of this thesis have conducted to the proposal of a biphasic model of structural cortical changes in preclinical AD. Amyloid deposition in the absence of pathological tau levels would be associated with increased cortical thickness, less 2-year longitudinal cortical thinning and cortical diffusivity decreases. Then, in the presence of pathological tau levels, and as a result of the synergic toxic effect or interaction between pathologic processes, there would be an atrophy acceleration and cortical diffusivity increases that would spread following a pattern that has been described as the AD-signature (Dickerson et al., 2009). The results presented in this thesis have direct research and clinical implications. First, they impact on the models of biomarker evolution in AD (Jack et al., 2013), as the cortical thickening phase is not contemplated in previous models. Our model would help to understand previous contradictory results in the literature that assessed the effect of amyloid on brain structure. Current models do not take into account the interaction/synergy effect between biomarkers that define the aforementioned biphasic process. Second, our results have relevance in the design of clinical trials, both in the selection of patients and in the use of MRI as a surrogate marker of efficacy, and might help explain some unexpected results in previous anti-amyloid immunotherapy trials. Finally, cortical diffusivity could be an early marker in the AD course. Further multimodal studies that incorporate tau- and inflammation-PET with longitudinal follow-ups are crucial to further investigate the pathophysiological process that underlies preclinical AD.

La angiopatía amiloide cerebral (CAA) se define por el depósito de proteína β-amiloide en las capas media y adventicia de arterias y capilares leptomeníngeos y corticales. Es una causa importante de hemorragia intracerebral lobar, episodios neurológicos focales transitorios y contribuye significativamente al deterioro cognitivo y a la demencia en los ancianos. Los principales correlatos neurorradiológicos en resonancia magnética son los microsangrados córtico-subcorticales y la siderosis superficial cortical. Sin embargo, la CAA está asociada con un amplio espectro de fenotipos clínico-radiológicos. Además, la CAA esporádica se encuentra frecuentemente en los ancianos y en pacientes con enfermedad de Alzheimer (EA), aunque su curso, generalmente, es clínicamente silente. En los últimos años, el conocimiento de la CAA ha avanzado debido al desarrollo de las técnicas de neuroimagen, lo que ha permitido caracterizar el espectro de lesiones cerebrales hemorrágicas y no hemorrágicas asociadas así como diferentes entidades clínicas. La CAA ahora no sólo se considera un trastorno patológico cerebrovascular específico, sino también un síndrome clínico (o síndromes) con lesiones cerebrales parenquimatosas que pueden ser detectadas por neuroimagen. Cada vez es más evidente que la CAA no es una entidad uniforme, sino una enfermedad compleja y heterogénea que implica varias vías fisiopatológicas. En esta tesis, utilizamos biomarcadores de neuroimagen, en líquido cefalorraquídeo (LCR) y genéticos para estudiar la CAA desde un punto de vista traslacional. Intentamos ir más allá de la perspectiva de la hemorragia intracerebral y proporcionar un marco más amplio para la caracterización de la CAA a partir de otras presentaciones menos frecuentes. El cuerpo principal de esta tesis consiste en una recopilación de tres artículos: - En primer lugar, estudiamos una cohorte de pacientes con hemorragia subaracnoidea atraumática de la convexidad asociada a la CAA, una enfermedad cerebrovascular rara que ocurre en personas mayores de 60 años y generalmente se presenta con síntomas y signos neurológicos focales transitorios. Incluimos 22 pacientes y encontramos una alta prevalencia de deterioro cognitivo y hemorragia intracerebral durante el seguimiento a pesar de su curso inicial aparentemente benigno. También hallamos niveles más bajos de Aβ40 y Aβ42 en LCR y una sobrerrepresentación del alelo APOE-ε2 en estos pacientes en comparación con los controles sanos. - La CAA también puede presentarse con síntomas neurológicos focales agudos o subagudos causados por una respuesta inflamatoria contra el depósito de amiloide vascular. En el segundo artículo, estudiamos cuatro pacientes con CAA inflamatoria y hallamos títulos elevados de autoanticuerpos anti-Aβ en LCR. Después administrar tratamiento inmunosupresor los títulos de autoanticuerpos regresaron a valores normales y los síntomas neurológicos focales mejoraron significativamente. La CAA inflamatoria se asoció al alelo APOE-ε4 y a biomarcadores de amiloidosis en LCR y PET de Florbetapir. - Por último, ya que la CAA contribuye a la presentación clínica de la EA esporádica, estudiamos las características de CAA en neuroimagen y en LCR de formas esporádicas y genéticamente determinadas de la EA en una cohorte de 256 sujetos. Encontramos que la CAA es más frecuente en la EA genéticamente determinada que en la EA esporádica y que los niveles de Aβ40 en LCR no son un biomarcador útil de CAA en el contexto de un proceso de EA. El estudio exhaustivo de todo el espectro clínico asociado con la CAA, incluyendo las formas de presentación infrecuentes, es esencial para la comprensión de esta entidad heterogénea. Un enfoque multimodal como éste es esencial para proporcionar nuevos conocimientos sobre los procesos de la enfermedad, establecer nuevas herramientas diagnósticas precisas y, potencialmente, descubrir nuevos objetivos terapéuticos., Cerebral Amyloid Angiopathy (CAA) is defined by β-amyloid protein deposition in the media and adventitia of leptomeningeal and cortical small arteries and capillaries. CAA is a major cause of lobar intracerebral hemorrhage (ICH), transient focal neurological episodes, and an important contributor to age-related cognitive decline and dementia in the elderly. The main radiological correlates in the magnetic resonance imaging are cortico-subcortical microbleeds and cortical superficial siderosis. However, CAA is associated with a wide spectrum of clinico-radiological phenotypes. Sporadic CAA is commonly found in the elderly and in patients with Alzheimer’s disease (AD), albeit typically mild and clinically silent. Over the last few years, our understanding of CAA has greatly improved as a result of substanttial progress in neuroimaging techniques, which has allowed the characterization of the spectrum of hemorrhagic and non-hemorrhagic brain injuries associated with CAA as well as different clinical entities. CAA now is considered not only a specific cerebrovascular pathologic disorder, but also a clinical syndrome (or syndromes) with brain parenchymal lesions that can be detected by neuroimaging. It is becoming increasingly evident that CAA is not a uniform entity, but a complex and heterogenous disease that involves several pathophysiological pathways. In this thesis, we took advantage of several cerebrospinal fluid (CSF), neuroimaging, and genetic biomarkers to study CAA from a translational point of view. We tried to go beyond the CAA-related ICH perspective and provide a wider framework for CAA characterization starting from other less frequent presentations. The main body of this thesis consists of a compilation of three articles: - First, we studied a cohort of patients with CAA-related atraumatic convexal subarachnoid hemorrhage, a rare cerebrovascular disease that occurs in people over age 60 and usually presents with transient focal neurological symptoms and signs. Twenty-two patients were included and we found that despite its initial, seemingly benign course, a high prevalence of cognitive impairment and lobar ICH occurred during the follow-up. We also found lower levels of Aβ40 and Aβ42 in the CSF and an overrepresentation of the APOE-ε2 allele in these patients when compared to healthy controls. - CAA can also present with acute or subacute focal neurological symptoms in the setting of CAA-related inflammation (CAA-ri), a form of CAA caused by an inflammatory response against the vascular amyloid deposition. In the second article, we studied four patients with CAA-ri and we found high titers of autoantibodies anti-Aβ in CSF. After immunosuppressive therapy, autoantibodies titers return to normal values and focal neurological symptoms improved significantly. CAA-ri was associated to APOE- ε4 allele and amyloid biomarkers in the CSF and Florbetapir-PET. - Finally, because CAA contributes to the clinical presentation of sporadic Alzheimer disease (AD), we studied CAA associated neuroimaging and CSF features in sporadic and genetically determined forms of AD in a cohort of 256 subjects, including autosomal dominant AD, Down syndrome, and sporadic early onset AD patients, and healthy controls. We found that CAA is more frequent in genetically determined AD than in sporadic AD and that CSF-Aβ40 levels are not a useful biomarker of CAA in the context of an AD process. A thorough study of the entire clinical spectrum associated with CAA, including infrequent presentations, is essential for the understanding of this heterogeneous entity. A multimodal approach such as this is essential to provide new insights to disease processes, to establish new accurate diagnostic tools, and, potentially, to discover new therapeutic targets.

[F-18]-AV-1451 es un nuevo trazador para la detección de patología tau en vida del sujeto mediante tomografía por emisión de positrones (PET). [F-18]-AV-1451 fue originalmente creado para detectar tau en forma de filamentos de hélices pareadas (PHF) que conforman los ovillos neurofibrilares (ONF), una de las lesiones características de la Enfermedad de Alzheimer (EA). Pacientes con EA tienen una mayor captación in vivo de [F-18]-AV-1451 en la neocorteza comparados con ancianos cognitivamente sanos. En este trabajo se investigaron los sustratos neuropatológicos y los patrones regionales de la señal de [F-18]-AV-1451 en tejido cerebral de casos con y sin presencia de tau usando autoradiografía con pantalla de fósforo, autoradiografía con emulsión nuclear, ensayos de unión in vitro y cuantificación bioquímica de tau con SDD-AGE. También se estudiaron tres individuos que fueron evaluados con PET-[F-18]-AV-1451 en vida y al fallecer se sometieron a autopsia. Los resultados sugieren que [F-18]-AV-1451 se une intensamente a agregados formados por tau-PHF, incluyendo ONFs y neuritas distróficas, en los cerebros con EA. [F-18]-AV-1451 no tiene una afinidad significativa por filamentos rectos (FR) de tau en taupatías distintas a la EA ni por β-amiloide, TDP-43 o α-sinucleína. Se identificó una señal fuera de diana en la neuromelanina que podría explicar la captación in vivo hallada en la sustancia negra. Los tres sujetos que fueron evaluados con PET-[F-18]-AV-1451 en vida y al fallecer se les realizó autopsia tenían un diagnóstico clínico de Parálisis Supranuclear Progresiva (n=2) y Demencia frontotemporal portador de la mutación del gen MAPT P301L (n=1). La neuroimagen con PET mostró intensa captación en los ganglios basales y el mesencéfalo, y menor señal en otras regiones frontales y temporales. El examen neuropatológico confirmó el diagnóstico de PSP en dos casos mientras que en el portador de la mutación P301L se evidenciaron pequeños granos tau+ de predominio en los ganglios basales. La autoradiografía no detectó señal significativa de [F-18]-AV-1451 ni unión a las lesiones de tau-FR, con la excepción de señal en la corteza entorrinal (ONFs relacionados con el envejecimiento) y en la sustancia negra. Los análisis de correlación entre la captación regional del trazador in vivo con los ensayos de unión in vitro y el SDD-AGE no mostraron ninguna asociación significativa. En resumen, estos datos de sugieren que [F-18]-AV-1451 se une principalmente a los agregados de tau-PHF en la EA y tiene una afinidad relativamente baja para las lesiones de tau formadas por FR en taupatías distintas a la EA. También se evidenció la señal de [F-18]-AV-1451 en las neuronas con neuromelanina en la sustancia negra, que podría explicar la señal in vivo en el mesencéfalo., [F-18]-AV-1451 is a novel tracer for the in vivo detection of tau pathology using emission positron tomography (PET). [F-18]-AV-1451 was originally raised against paired helical filament (PHF)-tau, which if found in neurofibrillary tangles (NFTs), one of the characteristic lesions in Alzheimer´s disease (AD). AD patients show higher in vivo [F-18]-AV-1451 retention compared to elderly cognitively normal individuals in neocortical regions. In this project we investigated the neuropathological substrate and regional patterns of [F-18]-AV-1451 signal in brain tissue from cases with and without tau, using phosphor screen autoradiography, nuclear emulsion autoradiography, in vitro binding assays and biochemical quantifications of tau with SDD-AGE. We also analyzed three individuals who were evaluated with PET-[F-18]-AV-1451 when alive and came to autopsy. The results suggest that [F-18]-AV-1451 strongly binds to PHF-tau including both NFTs and dystrophic neurites in AD brains. [F-18]-AV-1451 does not have a significant affinity for straight filaments (ST) of tau in non-AD tauopathies, neither for β-amyloid, TDP-43 and α-synuclein. We identified an off-target signal to neuromelanin that could explain the in vivo uptake detected in the substantia nigra. The three subjects who were evaluated with PET-[F-18]-AV-1451 when alive and came to autopsy had a clinical diagnosis of Progressive Supranuclear Palsy (PSP, n=2) and frontotemporal dementia carrier of the MAPT P301L mutation (n=1). PET showed the highest in vivo uptake in the basal ganglia and the midbrain, and milder signal in other frontal and temporal regions. The neuropathological exam confirmed the PSP diagnosis in two cases, and the exam of the carrier of the P301L mutation showed small tau+ grains predominantly in the basal ganglia. Autoradiography failed to detect a significant [F-18]-AV-1451 signal, neither binding to SF-tau lesions. The only exceptions were the entorhinal cortex (age-related NFTs) and the substantia nigra. The correlation analysis between the in vivo tracer uptake with in vitro binding assays and SDD-AGE did not show any significant association. To conclude, these data suggest that [F-18]-AV-1451 mainly binds to tau-PHF aggregates in AD and has a relatively low affinity to SF-tau lesions in non-AD tauopathies. We also detected [F-18]-AV-1451 off-target signal in the neuromelanin-containing neurons of the substantia nigra, which could explain the universal in vivo midbrain uptake.

La present tesi té com a objectiu estudiar des de diferents punts de vista la degeneració lobular frontotemporal (FTLD), una malaltia neurodegenerativa que es caracteritza per la pèrdua neuronal focal en els lòbuls frontals i temporals. Aquesta malaltia és molt heterogènia des del punt de vista clínic, neuropatològic i genètic, com també en els mecanismes patogènics. Aquesta heterogeneïtat fa que sovint el diagnòstic no sigui fàcil i que la seva classificació nosològica i la recerca en els seus mecanismes sigui especialment complexa. En aquesta tesi s’aborda aquesta heterogeneïtat estudiant diferents aspectes de la FTLD. Primer, s’estudia la FTLD des de un punt de vista clínic: s’avaluen els nous criteris de la variant conductual d’aquesta malaltia (bvFTD) en la cohort de pacients seguits a la Unitat de Memòria de l'hospital de la Santa Creu i Sant Pau. Des del punt de vista genètic, es caracteritzen aspectes clínics i radiològics específics dels casos de FTLD que presenten una expansió de la repetició d’hexanucleòtids en el gen C9orf72. Seguidament, des del punt de vista dels biomarcadors, es mesura en sang i líquid cefaloraquidi la proteïna TDP-43 i la seva forma fosforilada (pTDP-43). En l’últim capítol, s’aprofundeix en els mecanismes moleculars de la patogènia de la FTLD amb dipòsits de proteïnes FUS i FET (FTLD-FET), s’estudien la metilació en les arginines presents en aquests proteïnes i com aquest canvi postraduccional regula el transport citoplasma-nucli de la proteïna FUS. Finalment, es realitza un estudi neuropatològic a on es comparen les diferències en el patró de metilació de la proteïna FUS entre la FTLD-FET i la esclerosi lateral amiotròfica amb mutacions en el gen de FUS (ALS-FUS). Aquest estudi afegeix una nova diferència entre la FTLD-FET i la ALS-FUS, tot i que ambdues comparteixen els dipòsits de la proteïna FUS., The aim of the present thesis is to study frontotemporal lobar degeneration (FTLD), a neurodegenerative disease characterised by a focal neural loss in the frontal and the temporal lobes, from different perspectives. FTLD is a very heterogeneous disease either from the clinical or the neuropathological, genetic and pathogenic perspectives. This heterogeneity makes its diagnosis challenging and its nosologic classification and pathogenesis research especially puzzling. In the present thesis, this heterogeneity is addressed through studying FTLD from different angles. First, FTLD is investigated from a clinical viewpoint: the most recent clinical criteria about the behavioural variant of FTLD (bvFTD) are evaluated through the cohort of patients followed in the Memory Unit of Hospital de la Santa Creu i Sant Pau. From a genetic perspective, specific clinical and radiological features of the FTLD patients carrying a hexanucleotide repeat expansion in the C9orf72 gene are defined. Next, and from a biomarkers angle, TDP-43 protein and its phosphorylated form (pTDP-43) are measured in blood and in cerebrospinal fluid (CSF). In the last chapter, the molecular pathogenic mechanisms of FTLD with FUS- and FET-positive inclusions (FTLD-FET) are scrutinized, in order to study the methylation pattern of the arginines present in FUS protein and how this posttranslational modification regulates the cytoplasmic-nuclear transport. Finally, a neuropathological study is performed by means of the comparison of the differences in FUS methylation pattern between FTLD-FET and amyotrophic lateral sclerosis with FUS mutations (ALS-FUS). This study provides further evidence of the differences between FTLD-FET and ALS-FUS, despite the fact that both diseases share the deposition of the protein FUS.

Esta tesis profundiza en el conocimiento de las enfermedades neurodegenerativas y, concretamente, en la enfermedad de Alzheimer tanto en sus fases sintomáticas como en la etapa preclínica (antes de que se manifiesten los síntomas). Esto es posible a través del estudio de biomarcadores en líquido cefalorraquídeo, que reflejan in vivo los cambios que tienen lugar en el cerebro desde fases muy iniciales de la enfermedad y que son el hilo argumental de esta tesis doctoral. A modo de introducción, el capítulo 1 define el marco y el contexto general de esta tesis resumiendo el conocimiento acerca de la enfermedad de Alzheimer y los biomarcadores. En el capítulo 2 estudiamos la viabilidad de la punción lumbar, la incidencia de complicaciones relacionadas con esta técnica y los factores que se asocian con ellas con el fin de determinar el impacto de este procedimiento para el estudio de biomarcadores de líquido cefalorraquídeo en las enfermedades neurodegenerativas. En el capítulo 3, se analizan las diferencias patofisiológicas entre la enfermedad de Alzheimer esporádica y familiar. El estudio de biomarcadores en líquido cefalorraquídeo nos permite identificar in vivo algunas características que complementan la información sobre el procesamiento de la proteína precursora de amiloide obtenida en el estudio neuropatológico. En el capítulo 4 profundizamos en las diferencias en biomarcadores en líquido cefalorraquídeo entre distintas enfermedades neurodegenerativas que cursan con demencia en sus fases sintomáticas, y estudiamos la relación entre biomarcadores involucrados en distintos procesos fisiopatológicos. La extensión de este estudio a las fases preclínicas conforman el capítulo 5. Para ello, analizamos el mismo conjunto de biomarcadores en una extensa cohorte de participantes sin déficits cognitivos. El capítulo 6 analiza la relación entre uno estos biomarcadores, YKL-40, y el grosor cortical medido por resonancia magnética en las fases predemencia de la enfermedad de Alzheimer. Finalente, en el capítulo 7 se pone en perspectiva todo lo expuesto para argumentar las conclusiones finales y formular las futuras líneas de investigación derivadas de estos proyectos. En resumen, en esta tesis doctoral utilizamos los biomarcadores en líquido cefalorraquídeo para estudiar la enfermedad de Alzheimer des de un punto de vista traslacional en todas sus fases (clínica y preclínica), y para establecer relaciones entre diferentes procesos fisiopatológicos. Este tipo de abordaje es esencial para obtener herramientas de diagnóstico más precisas, profundizar en el conocimiento de los procesos que tienen lugar en fases iniciales de la enfermedad y, potencialmente, identificar nuevas dianas terapéuticas., This thesis deepens in the knowledge of key aspects of neurodegenerative diseases, and more precisely in AD, both in symptomatic and preclinical stages. This is achieved through the study of CSF biomarkers that reflect in vivo the changes that take place in the brain very early in the disease process, and that are the central line of the thesis. As an introduction, Chapter 1 sets the framework and general context for this thesis by summarizing the current knowledge on the field of AD and biomarkers. In chapter 2, we assessed the feasibility of lumbar puncture, the incidence of complications and their associated factors so as to determine the impact of this procedure in the study of CSF biomarkers of AD. Chapter 3 analyzes the pathophysiological differences between sporadic and autosomal dominant AD. CSF biomarkers allowed us to identify in vivo some characteristics in the processing of the amyloid precursor protein that complement the information found in neuropathological studies. In chapter 4, we study the differences in CSF biomarkers between neurodegenerative diseases that cause dementia in their symptomatic stages. We chose markers related to different pathophysiological processes and studied their relationship. We extended this study to preclinical stages in chapter 5. For this aim, we analyzed the same set of biomarkers in a large cohort of cognitively normal participants. Chapter 6 studies the relationship between one of these biomarkers, YKL-40, and cortical thickness measured by MRI in predementia stages of AD. Lastly, in chapter 7 we provide a general discussion and formulate the concluding remarks and future perspectives. In summary, in this thesis we use CSF biomarkers to study AD from a translational perspective in both clinical and preclinical stages and to identify relationships between distinct pathophysiological pathways. This kind of approach is essential to stablish new accurate diagnostic tools, to learn about the processes in the early stages of the disease, and, potentially, to discover new therapeutic targets.

El objetivo de esta tesis fue estudiar el efecto de las manipulaciones farmacológicas y genéticas sobre el complejo gamma-secretasa. El estudio de estos cambios en el complejo gamma-secretasa es un buen modelo de las alteraciones proteicas que ocurren durante el avance de la enfermedad de Alzheimer. Se ha sugerido que los niveles de colesterol celular pueden modular el metabolismo de la proteína precursora de amiloide (APP). Estudios epidemiológicos han mostrado una menor incidencia y prevalencia de Enfermedad de Alzheimer (EA) en individuos tratados con estatinas. En el presente trabajo, investigamos en detalle la relación existente en la reducción de los niveles de colesterol, el procesamiento de APP y la función de γ-secretasa en cultivos celulares. Nuestros resultados indican que la disminución de los niveles de colesterol reduce la asociación de APP a los rafts lipídicos e interrumpe la interacción APP-PS1. En conjunto, nuestros resultados muestran que una reducción leve del colesterol de membrana altera el procesamiento de APP en los pasos previos al procesamiento por γ-secretasa. Esta alteración puede ser debida a cambios en el tráfico de APP y su distribución en los rafts lipídicos. Mutaciones en el gen de la APP son una de las principales causas de EA familiar hereditaria. Estas mutaciones alteran el procesamiento de APP y la generación de β-amiloide. Recientemente nuestro grupo describió el hallazgo de una mutación en APP I716F en una familia con dos portadores. El probando presentaba un EA de inicio precoz (31 años) y murió a los 36 años de edad. El análisis neuropatológco muestra abundantes placas difusas compuestas de β-amiloide (Aβ) 42 y ovillos neurofibrilares extensos. Se observaron cuerpos de Lewy localizados en la amígdala. El estudio de esta alteración se llevó a cabo en una línea celular a la cual transfectamos la mutación de interés. Estos datos sugieren que la mutación provoca una menor proteólisis de la proteína APP por γ-secretasa. En conjunto, nuestros resultados indican que la mutación APP I716F está asociada con la edad de inicio más temprana de la enfermedad y muestra la correlación inversa existente entre la ratio Aβ42/ Aβ40 y la edad de inicio de la EA. Esta pérdida de función puede representar un mecanismo adicional mediante el cual, algunas mutaciones localizadas alrededor del lugar de procesamiento de la γ-secretasa provocan EA familiar.