Klotho and GPLD-1: Predictive Biomarkers for Development of Alzheimer's Disease in Older Adults

Abstract

Bakgrunn: Alzheimers sykdom (AD) er en nevrodegenerativ sykdom og den vanligste formen for demens. I 2023 påvirker demens over 55 millioner mennesker globalt, og det er forventet å øke til 152 millioner innen 2050. Likevel forblir AD en av de vanskeligste lidelsene å diagnostisere. Sykdommen utvikler seg i hjernen før symptomene vises, og det mest brukte diagnostiske verktøyet er en invasiv ryggmargsprøve for å måle proteiner i cerebrospinalvæsken. Tidligere forskning har vist en sammenheng mellom AD-patologi og proteinene Klotho og Glycosylphosphatidylinositol-spesifikk fosfolipase D-1 (GPLD-1), som har assosiasjoner med en rekke fysiologiske prosesser, inkludert nevrobeskyttelse, kognisjon og aldring. Imidlertid har forskning på deres potensial som prediktive biomarkører for AD enda ikke blitt gjennomført. Hensikten til denne oppgaven er derfor å undersøke potensialet til de to proteinene, Klotho og GPLD-1, som prediktive biomarkører for AD i serum. Jeg så også på korrelasjoner med kardiorespiratorisk form, målt som topp oksygenopptak (VO2-peak). Min hypotese var at AD-gruppen, sammenlignet med de friske kontrollene, ville ha endrede reguleringer for både Klotho og GPLD-1, i form av lavere gjennomsnittsverdier og forstyrrede forskjeller fra utgangspunktet (BL) til ett år senere (1yr).

Metoder: Blodprøver ble samlet inn fra eldre voksne som var friske ved BL og 1yr med deltakelse i Generation 100-studien, og som i oppfølgingsperioden frem til 2022 utviklet AD (n=27, alder: 72,4±2,2 år, kvinner/menn: 14/13). Disse ble matchet med friske kontroller i en kasus-kontrollstudie (n=54, alder: 72,8±2,2, kvinner/menn: 27/27). Generation 100-studien er en stor randomisert kontrollert studie (n=1567), som undersøkte effekten av langvarig trening på generell helse og levetid hos en eldre voksenpopulasjon i alderen 70 til 77 år. Ved hjelp av ELISA-sandwichmetoden ble proteinene analysert i serumet til deltakerne.

Resultater: Resultatene viste en endret regulering av Klotho og GPLD-1 hos de som utviklet AD i oppfølgingsperioden. AD-gruppen hadde 22% lavere nivåer av GPLD-1 ved BL (p=0,009) og 24% lavere nivåer ved 1yr (p=0,001) sammenlignet med de friske kontrollene. Det var ingen signifikant forskjell mellom BL-verdiene og 1yr-verdiene for GPLD-1 for noen av gruppene (p>0,05). For Klotho ble det ikke observert noen signifikant forskjell mellom AD-gruppen og de friske kontrollene ved BL (p>0,05). Imidlertid var ikke den forventede 2,7% reduksjonen i Klotho-nivåer fra BL til 1yr (p=0.042) til stede i AD-gruppen (p>0.05). Korrelasjonsanalysen viste sammenhenger mellom GPLD-1 og AD både ved BL (p<0,001, R=-0,292) og 1yr (p<0,001, R=-0,360), selv når det ble justert for VO2-peak (p=0,001). Dette viser at en reduksjon i GPLD-1-verdier øker sjansene for å utvikle AD senere i livet. Interessant nok var det en uventet omvendt korrelasjon mellom VO2-peak og GPLD-1 (p=0,035, R=-0,238). De friske kontrollene hadde en sammenheng mellom VO2-peak og Klotho både ved BL (p=0,036) og 1yr (p=0,042). Klotho-nivåene hos AD-gruppen hadde ingen betydelige sammenhenger med VO2-peak verken ved BL eller 1yr (p>0,05).

Konklusjon: Denne studien viste potensialet til Klotho og GPLD-1 som biomarkører for preklinisk AD ved å observere og undersøke de endrede nivåene av proteinene hos pasienter med preklinisk AD. Videre forskning på referanseverdier for disse proteinene og de nøyaktige biomolekylære mekanismene for deres effekter på AD-patogenesen kan bidra til å klargjøre mange ubesvarte spørsmål om sykdomsforløpet til AD og kan gi en mulighet for tidlig påvisning.

Background: Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease, and the most common form of dementia. In 2023, dementia affects more than 55 million people worldwide and is predicted to increase to 152 million by 2050. Yet, AD remains one of the most difficult disorders to diagnose. The disease progresses in the brain, prior to symptom debut, and the most used diagnostic tool is an invasive spinal tap to measure proteins in the cerebral spinal fluid. AD pathology has previously been linked to the proteins Klotho and Glycosylphosphatidylinositol-specific phospholipase D-1 (GPLD-1), which has associations with a range of physiological processes, encompassing neuroprotection, cognition, and aging. However, research regarding their potential as predictive biomarkers for AD has yet to happen. Thus, in this thesis, I intended to investigate the potential of the two proteins, Klotho and GPLD-1, as predictive biomarkers for AD in serum. I also viewed correlations with Cardiorespiratory fitness, measured as peak oxygen uptake (VO2-peak). I hypothesised that the AD group, when compared to the healthy controls, will have modified regulations for both Klotho and GPLD-1, in the form of lower mean values and disrupted difference from baseline (BL) to one year later (1yr).

Methods: Blood samples were collected from older adults that were healthy at baseline (BL) and after one year (1yr) of participating in the Generation 100 Study, and that in the follow-up period up to 2022, developed AD (n=27, age: 72.4±2.2 years, women/men: 14/13). These were matched with healthy controls in a case-control study (n=54, age: 72.8±2.2, women/men: 27/27). The Generation 100 study is a large-scale randomized controlled trial (n=1567), which investigated the effects of long-term exercise on overall health and longevity in a population of older adults aged 70 to 77. Using the ELISA sandwich method, the proteins were analysed in the serum of the participants.

Results: The results revealed a modified regulation of Klotho and GPLD-1 in those that developed AD during follow-up. The AD group had 22% lower, at BL (p=0.009), and 24% lower, at 1yr (p=0.001), levels of GPLD-1 when compared to that of the healthy controls. There was no significant difference between the BL values and the 1yr values for GPLD-1 for either group (p>0.05). For Klotho, no significant difference between the AD group and the healthy controls, at BL, was observed (p>0.05). However, the expected 2.7% decrease in Klotho levels from BL to 1yr shown in the healthy controls (p=0.042), was not present for the AD group. Correlation analysis revealed associations with GPLD-1 and AD at both BL (Sig.<0.001, R=-0.292) and 1yr (Sig.<0.001, R=-0.360), even when adjusted for VO2-peak (p=0.001); showing that a decrease in GPLD-1 values increase odds of developing AD later in life. Interestingly, an unexpected inverse correlation between VO2-peak and GPLD-1 was present (Sig.=0.035, R=-0.238). The healthy controls had an association with VO2-peak and Klotho at both BL (Sig.=0.036) and 1yr (Sig.=0.042). Klotho levels for the AD group, had no significant associations with VO2-peak at either BL or 1yr (Sig.>0.05).

Conclusions: This study demonstrated Klotho’s and GPLD-1’s potential as biomarkers for pre-clinical AD, by observing and investigating the proteins’ modified levels in pre-clinical AD patients. Further research into reference values for these proteins, and the exact biomolecular mechanisms of their effects on AD pathogenesis may clarify many unanswered questions about disease progression of AD, and may provide an avenue for early detection.