알츠하이머병 및 기타 신경변성 질환에서의 타우 단백질의 신경 병리학

In this symposium titled ‘Human Neuropathology: Tau, a key protein in the human brain,’ Dr Corey T. McMillan started with discussion of TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) proteinopathy staging and subtyping then Dr Sònia Sirisi Dolcet presented data regarding how in Alzheimer’s disease (AD), occurrence of synaptic oligomeric tau may be an early event. Dr Jennifer S. Rabin then discussed how cognitive decline may arise from interactions between cerebral amyloid angiopathy (CAA) and parenchymal amyloid-beta (Aβ) and Dr Frederique J. Hart de Ruyter presented data on the assessment of retinal phosphorylated tau (p-tau) and Aβ in neurodegenerative diseases. Next, Dr Jamie M. Walker discussed the use of Nanostring Digital Spatial Profiling (DSP) to detect protein expression in the hippocampus in people with AD compared to those without and the symposium ended with Dr Brian D. Hitt showing data from his work on developing antibodies to detect tau seeding in in vitro cells and brain tissue.

'인체 신경병리학: 인간 뇌에서의 핵심 단백질 타우' 제하의 이 심포지움은 Corey T. McMillan 박사의 TAR DNA 결합 단백질 43(TDP-43) 단백질병증 병기 및 하위 유형에 대한 논의로 시작했습니다. Sònia Sirisi Dolcet 박사는 알츠하이머 병(Alzheimer’s disease, AD)에서 시냅스 올리고머 타우의 발생이 어떻게 초기 사건일 수 있는가에 대한 데이터를 발표했습니다. 이어 Jennifer S. Rabin 박사는 뇌 아밀로이드 혈관병증(cerebral amyloid angiopathy, CAA)과 실질 아밀로이드 베타(Aβ) 사이의 상호작용에서 인지 저하가 어떻게 발생할 수 있는지에 대해 논의했고, Frederique J. Hart de Ruyter 박사는 신경변성 질환에서 망막 인산화 타우(p-tau)와 Aβ의 평가에 대한 데이터를 제시했습니다. 그 다음으로 Jamie M. Walker 박사는 AD가 없는 사람들과 비교하여 AD 환자에서 해마의 단백질 발현을 검출하기 위한 Nanostring 디지털 공간 프로파일링(Digital Spatial Profiling, DSP)을 사용하는 것에 대해 논의했습니다. 심포지엄은 Brian D. Hitt 박사의 발표로 끝났습니다. Brian D. Hitt 박사는 생체 외 세포와 뇌 조직에서 타우 seeding을 검출하기 위한 항체 개발에 대한 연구 데이터를 보여주었습니다.

TDP-43 proteinopathies: Subtyping and staging

TDP-43 단백질병리: 하위유형 및 병기

TDP-43 proteinopathies have different neuropathological staging patterns that, according to Dr McMillan, do not completely account for mixed neuropathology.1,2 Subtype and Stage Inference (SuStaIn) is an algorithm to aid disease progression modelling that attempts to identify temporal and spatial TDP-43 spread utilising brain cross-sectional ‘snapshots’ from imaging data.3 Dr McMillan’s study compared SuStaIn staging utilising ordinal (0−3+) neuropathological ratings in 21 anatomic regions.

McMillan 박사에 따르면 TDP-43 단백질병증은 혼합 신경병리학을 완전히 설명하지 않는 상이한 신경병리학적 병기결정 패턴을 갖습니다.1,2 하위유형 및 병기 추론(Subtype and Stage Inference, SuStaIn)은 영상 데이터의 뇌 교차단면 '스냅숏'을 이용하여 시간적 및 공간적 TDP-43 확산을 확인하기 위한 질병 진행 모델링을 지원하는 알고리즘입니다.3 McMillan 박사의 연구에서는 21개 해부 영역에서 서수(0~3+) 신경병리학적 등급을 이용하여 SuStaIn 병기를 비교했습니다.

In amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a pattern of staging was identified whereby pathology first develops in the spinal cord then spreads to the medulla and motor cortex then the frontal, angular and temporal cortices. There was some uncertainty in the model in early stages. In frontotemporal lobar degeneration (FTLD), there was more model certainty, especially in the middle stages of disease where there was a widespread pattern of progression. In limbic-predominant age-related TDP-43 encephalopathy (LATE) ±AD, in early stages there was more model certainty. Here, pathology was shown in the amygdala, which then spread through medial temporal lobes, then the anterior cingulate, orbitofrontal cortex then lateral temporal cortex. Both similarities and differences were found between FTLD and LATE.

근위축성 측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)에서 그 병리는 척수에서 먼저 발생한 다음 수질 및 운동피질로 퍼진 후 전두엽, 각 측두 피질로 전이되는 병기 패턴이 확인되었습니다. 초기 단계에서 모델에 약간의 불확실성이 있었습니다. 전측두엽 변성(frontotemporal lobar degeneration, FTLD)의 경우, 특히 진행 패턴이 광범위한 중간 단계 병기에서 모델의 확실성이 더 높았습니다. 변연계 우세 연령 관련 TDP-43 뇌병증(limbic-predominant age-related TDP-43 encephalopathy, LATE) ±AD에서는 초기 단계에서 모델의 확실성이 더 높았습니다. 여기서 병리는 편도에서 나타났으며, 내측 측두엽, 전대상, 안와전두피질, 그리고 외측 측두피질을 통해 확산되었습니다. FTLD와 LATTE 사이에서 유사점과 차이점이 모두 발견되었습니다.

The SuStaIn algorithm can help model TDP-43 proteinopathy staging

SuStaIn 알고리즘은 TDP-43 단백질병증 병기의 모델링에 도움이 될 수 있습니다

The SuStaIn outputs relative to neuropathological standards for staging showed generally good correlation except for ALS, where there was some uncertainty. Whereas with some standard staging methods around 12% of FTLD cases do not fit the pattern,1 with SuStaIn, the majority did fit. Additionally found were potential subtypes of ALS and FTLD and homogenous LATE progression.

약간의 불확실성이 있는 ALS를 제외하고, 병기결정에 대한 신경병리학적 표준과 관련된 SuStaIn 출력결과는 일반적으로 양호한 상관관계를 보였습니다. 일부 표준 병기결정 방법 사용 시 FTLD 증례의 약 12%가 패턴에 맞지 않는 반면, SuStaIn의 경우는 대부분이 적합했습니다. 1 ALS와 FTLD의 잠재적인 하위유형 및 동질적인 LATE 진행이 추가적으로 발견되었습니다.


Early synaptic oligomeric tau may occur in Alzheimer’s disease

초기 시냅스 올리고머 타우는 알츠하이머병에서 발생할 수 있습니다

P-tau accumulation has been shown both pre- and post-synaptically in people with AD.4 Dr Dolcet discussed how tau seeds generated by different phosphorylated oligomers may precede tangle formation5 and asked if synaptic oligomeric tau could be an early event in AD. Her work utilised array tomography on serial sections of superior temporal and primary visual areas in healthy controls (n=24; mean age 78.12) and people with sporadic AD (n=29; mean age 83.69, Braak stages V−VI).

P-타우의 축적은 AD 환자의 시냅스 전후 모두에서 나타났습니다.1 Dolcet 박사는 서로 다른 인산화된 올리고머에 의해 생성된 타우 시드가 매듭 형성에 선행할 수 있는 방식에 대해 논의하고 시냅스 올리고머 타우가 AD의 초기 사건이 될 수 있는지 질문했습니다. Dolcet 박사의 연구에는 건강한 대조군(n=24; 평균 연령 78.12)과 산발성 AD 환자(n=29; 평균 연령 83.69, Braak 병기 V-VI)의 우월한 측두 및 일차 시각 영역의 연속 절편에 대한 어레이 단층 촬영을 사용했습니다.

Tau seeding can occur early in Alzheimer’s disease both synaptically and post-synaptically

타우 seeding은 알츠하이머 병 초기 시냅스 전후 모두에서 발생할 수 있습니다

A decrease in excitatory synaptic density was found in people with AD compared to controls, correlating with dystrophic neurites. P-tau and P22+ oligomeric tau was found to colocalise with synaptophysin in synapses. P22+ oligomeric tau forms were found in the synapse in AD cases including globular oligomers in dystrophic neurites and fibrils in the synapse and post-synaptic terminals. Oligomeric tau was also found in regions without AD-relevant pathology. In the temporal cortex there was a positive correlation between oligomeric tau and neurofibrillary tangles (NFTs); however, synaptic oligomeric tau was found to precede NFT presence. Though less dense post-synaptically, the presence of oligomeric tau in these regions suggested, said Dr Dolcet, that trans-synaptic tau seeding could be possible. She also concluded that pathological tau forms appearing early in AD may be a future therapeutic target.

AD 환자에서 대조군에 비해 흥분성 시냅스 밀도의 감소가 확인되었으며, 이는 변형된 신경섬유와 관련이 있었습니다. P-타우와 P22+ 올리고머 타우는 시냅스에서 신경접합단백질(synaptophysin)과 함께 공존하는 것으로 밝혀졌습니다. AD 환자에서 시냅스 내에 P22+ 오리고머 타우가 발견되었는데, 이는 변형된 신경 섬유에서 구형 오리고머와 시냅스 및 시냅스 후 말단에서 섬유 형태로 존재하는 것을 포함합니다. 올리고머 타우는 AD 관련 병리가 없는 영역에서도 발견되었습니다. 측두피질에서 올리고머 타우와 신경섬유 매듭(neurofibrillary tangle, NFT) 사이에 양의 상관관계가 있었지만, 시냅스 올리고머 타우가 NFT보다 먼저 나타나는 것으로 발견되었습니다. Dolcet 박사는 시냅스 후 밀도는 낮았지만 이 영역에 올리고머 타우가 존재한다는 것은 시냅스 횡단 타우 파종이 가능할 수 있음을 시사한다고 말했습니다. 또한 AD 초기에 나타나는 병적 타우 형태가 향후 치료 표적이 될 수 있다고 결론지었습니다.


A potential link between vascular burden and Alzheimer’s disease pathology

혈관 부하와 알츠하이머병 병리학 사이의 잠재적 연관성

CAA occurrence, with a build-up of amyloid in the cerebrovascularture, increases the risk of AD.6 Dr Rabin’s study aimed to examine the relationship between CAA, tau deposition, cognitive decline and parenchymal Aβ burden and assess whether the association between CAA and cognitive decline is mediated by tau burden. The cohort included participants with no/mild CAA (n=1101; mean age at death 89.9; 39.1% with dementia) or moderate/severe CAA (n=621; mean age at death 90.5; 56.0% with dementia). Prior to death, cognition was assessed annually for a mean of 8.8 years.

뇌혈관에 아밀로이드가 축적되면 CAA가 발생하여 AD 위험을 증가시킵니다.6 Rabin 박사의 연구에서는 CAA, 타우 침착, 인지 저하 및 실질 Aβ 축적간의 관계를 조사하고 CAA와 인지 저하 간의 관련성이 타우 축적에 의해 매개되는지 여부의 평가를 목적으로 했습니다. 코호트에는 CAA가 없는/경도인 시험대상자(n=1101, 사망 시 평균 연령 89.9세, 치매가 있는 경우 39.1%) 또는 중등도/중증 CAA(n=621, 사망 시 평균 연령 90.5, 치매가 있는 경우 56.0%)가 포함되었습니다. 사망 전 인지는 평균 8.8년 동안 매년 평가되었습니다.

Cognitive decline in Alzheimer’s disease may be exacerbated by both cerebral amyloid angiopathy and Aβ burden

알츠하이머병에서의 인지 저하는 뇌 아밀로이드 혈관병증과 Aβ 축적에 의해 악화될 수 있습니다

A positive association was found between CAA and neuritic plaque burden, that decreased in the severe CAA groups, and between CAA and tau burden. When stratified by Aβ burden, there was no relationship with CAA in tau in low plaque cases, but there was in higher plaque cases. Correlations were found between CAA, Aβ burden and cognitive decline, which, said Dr Rabin, suggested the former two may promote the latter. In participants with a high plaque burden, the association between CAA and cognitive decline was postulated to be tau mediated. This may mean, discussed Dr Rabin, that CAA accelerates tau burden, that may in turn affect vasculature, necessitating both pathologies to be therapeutically targeted.

CAA와 신경염증성 플라크 축적(중증 CAA군에서 감소) 및 CAA와 타우 축적 사이에서 양의 관련성이 발견되었습니다. Aβ 축적에 따라 계층화했을 때, 플라크가 낮은 증례에서는 타우가 CAA와 관련이 없었지만, 플라크가 높은 경우에는 관련이 있었습니다. CAA, Aβ 축적 및 인지 저하 간의 상관관계가 발견되었으며, Rabin 박사는 전자의 두 가지가 후자를 촉진할 수 있음을 시사한다고 말했습니다. 플라크가 과하게 축적된 시험대상자에서 CAA와 인지 저하 간의 관련성은 타우에 의해 매개된다고 가정되었습니다. 이는 CAA가 타우 축적을 가속화하고, 이는 혈관 구조에 영향을 미칠 수 있으며, 두 병리 모두 치료적 표적이 되어야 함을 의미할 수 있다고 Rabin 박사는 논의했습니다.


Could retinal p-tau and Aβ be utilised in neurodegenerative disease assessment?

신경변성 질환 평가에 망막 p-tau와 Aβ를 활용할 수 있는가?

Dr Ruyter discussed the need for easily accessible, patient friendly, low cost biomarkers in AD. Neurons in the retina can be directly visualised in a non-invasive way and his studies aimed to assess post-mortem Aβ presence and tau pathology in the retina of people with neurodegenerative diseases (n=46; mean age 71.0) or cognitively normal controls with (n=10; mean age 83.4) or without (n=6; mean age 56.5) Braak neuropathology. Retinas were digitally analysed to assess mean surface area with immunoreactivity to early and late stage disease p-tau antibodies.

Ruyter 박사는 AD에서 쉽게 접근할 수 있고 환자 친화적이며 저렴한 생체표지자의 필요성에 대해 논의했습니다. 망막 신경세포는 비침습적 방식으로 직접적인 시각화가 가능합니다. Ruyter 박사의 연구는 신경변성 질환 환자(n=46; 평균 연령 71.0세)또는 Braak 신경병리가 있거나(n=10; 평균 연령 83.4세) 없는(n=6; 평균 연령 56.5) 인지적으로 정상인 대조군의 망막에서 사후 Aβ 존재와 타우 병리 평가를 목적으로 했습니다. 망막은 디지털로 분석하여 초기 및 후기 질병 p-tau 항체에 대한 면역반응성이 있는 평균 표면적을 평가했습니다.

Retinal p-tau may help predict brain p-tau burden

망막 p-tau는 뇌 p-tau 부담을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다

Only in three cases was Aβ detected in the retina, including one AD case, no plaques were observed. Depending on the epitope, p-tau showed a diffuse signal in AD cases compared to none in controls. There were significant differences in quantification of p-tau between AD cases (n=17) and controls and other tauopathies (n=9) and controls. P-tau was only found in the retina in the far and mid periphery regions, not the central region. It was also found that when p-tau in the retina was low, so was p-tau in the brain. However, this was not necessarily vice versa leading Dr Ruyter to conclude that retinal p-tau as a biomarker was specific but not sensitive.

AD 증례 1건을 포함하여 망막에서 Aβ가 검출된 경우는 3건에 불과했으며, 플라크는 관찰되지 않았습니다. 에피토프에 따라, 대조군에서는 p-타우가 없었던 것과 비교하여 AD 증례에서는 확산 징후가 보였습니다. AD 증례(n=17)와 대조군 및 기타 타우병증(n=9)과 대조군 사이에서 p-타우의 정량에 유의한 차이가 있었습니다. P-타우는 중심 영역이 아닌 먼 주변영역 및 중간 주변영역의 망막에서만 발견되었습니다. 망막의 p-타우가 낮으면 뇌의 p-타우도 낮은 것으로 확인되었습니다. 그러나 이는 그 반대도 반드시 그렇다는 것을 의미하는 것은 아니었습니다. 이에 Ruyter 박사는 생체표지자로서의 망막 p-타우는 특이적이지만 민감하지는 않다는 결론을 내렸습니다.


Using spatial proteomics to ascertain differences in hippocampus neuropathology in Alzheimer's disease, primary age-related tauopathy and ‘resistant and resilient’ individuals

알츠하이머병, 주요 연령 관련 타우병증 및 '저항 및 회복 탄력성' 개인의 해마 신경병증의 차이 확인을 위한 공간 프로테오믹스의 사용

Dr Walker discussed Nanostring DSP. Here, protein expression with 73 UV-photocleavable oligo-conjugated antibodies (‘multiplex technology’) in hippocampal sections (CA1, CA2, entorhinal cortex) were examined with 18 regions of interest per slide including neurons with or without NFTs and the immediate neuronal microenvironment. Protein expression was examined in people with AD or primary age-related tauopathy (PART) compared to those without (‘resistant’ and ‘resilient’ cohorts).7

Walker 박사는 Nanostring DSP에 대해 논의했습니다. 여기서 해마 절편(CA1, CA2, 내후각피질)에서 UV-광분해성 올리고 결합 항체 73개('멀티플렉스 기술')로 단백질 발현을 조사했으며, NFT가 있거나 없는 신경세포와 직접적인 신경세포 미세환경을 포함한 슬라이드 당 18개 관심 영역으로 조사했습니다. AD 또는 주요 연령 관련 타우병증(primary age-related tauopathy, PART) 환자를 대상으로 그렇지 않은 사람(‘저항 및 회복 탄력성’ 코호트)과 비교하여 조사하였습니다.7

Protein expression levels differ between people with or without Alzheimer’s disease or primary age-related tauopathy

단백질 발현 수준은 알츠하이머병 또는 원발성 연령 관련 타우병증이 있는 사람과 없는 사람 사이에 차이가 있습니다

Dr Walker found a correlation between NFTs in neurons and increased expression of Ab-processing and tangle-located proteins, which, she postulated, “reinforces the assumption that tangle and plaque pathology may develop synergistically in AD.” Also shown was significantly higher expression in the ‘resilient’ and ‘resistant’ cases of proteins involved in misfolded protein degradation, amyloid processing, neuronal integrity maintenance and cholesterol removal. In PART and ‘resistant’ cases there were higher levels of microglia markers. Dr Walker concluded that ‘resistance’ and ‘resilience’ may be linked to higher expression of protective proteins and neuronal integrity.

Walker 박사는 신경세포의 NFT와 Ab-처리 및 탱글 위치 단백질 발현 증가 사이의 상관관계를 발견했으며, "탱글 및 플라크 병리가 AD에서 상승적으로 발생할 수 있다는 가정을 강화한다"고 가정했습니다. 또한 잘못 접힌 단백질 분해, 아밀로이드 처리, 신경 무결성 유지 및 콜레스테롤 제거와 관련된 단백질 발현이 ‘회복 탄력성’과 ‘저항’ 증례에서 유의하게 더 높은 것으로 나타났습니다. PART 및 '저항' 증례의 경우, 소교세포 표지자 수치가 더 높았습니다. Walker 박사는 '저항'과 '회복 탄력성'이 보호 단백질의 더 높은 발현 및 신경세포의 완전성과 관련이 있을 수 있다고 결론지었습니다.


Developing antibodies to detect tau seeding in Alzheimer’s disease and other tauopathies

알츠하이머병 및 기타 타우병증에서 타우 seeding을 검출하기 위한 항체 개발

Previous work shows that even tau monomers can be seeds, with a hairpin domain within the R2 repeat domain end terminal being key.8 Tau seeding has been detected by Dr Hitt using a biosensor Förster Resonance Energy Transfer (FRET) assay. Here, the repeat domain of tau is coupled to a biosensor such that a FRET signal is produced when tau seeds enter an in vitro cell and trigger aggregation. This can be visualised and can be quantified using flow cytometry. Dr Hitt aimed to make monoclonal antibodies to linear peptide antigens in the R1−R2 and R1−R3 transitions of the repeat domain, substituting in a fluorinated proline residue that favours seeding confirmations.

이전 연구에서는 R2 반복 영역 말단 내 헤어핀 영역의 핵심인 타우 단량체도 시드가 될 수 있는 것으로 나타났습니다.8 타우 seeding은 바이오센서 Förster 공명 에너지 전달(Förster Resonance Energy Transfer, FRET) 분석을 사용하여 Hitt 박사에 의해 감지되었습니다. 여기서 타우의 반복 영역은 바이오센서에 결합하여 타우 시드가 생체 외 세포에 들어가 응집을 유발할 때 FRET 신호가 생성됩니다. 이는 가시화될 수 있으며 유세포분석을 사용하여 정량할 수 있습니다. Hitt 박사는 반복 영역의 R1-R2 및 R1-R3 전이에서 선형 펩티드 항원에 대한 단클론 항체 생성을 목표로 했으며, 파종 확인에 유리한 불소화 프롤린 잔기로 대체했습니다.

Following antibody generation, the most sensitive and specific forms were selected for detecting AD versus non-AD tauopathies, named MD2.2 and MD3.1. While in control brains there was no seeding activity, in AD brains, most of the seeding activity was found in the immunoprecipitate, showing the antibodies efficiently bind tau seeds. In Progressive Supranuclear Palsy (PSP) brains, this was similar but in Corticobasal degeneration (CBD) and Pick disease (PiD) brains, most of the seeding activity was left in the supernatent so the antibodies were not as sensitive in binding tau seeds.

항체 생성 후 AD 대비 AD 타우병증 감지를 위해 MD2.2와 MD3.1로 명명된 가장 민감하고 특이적인 형태가 선택되었습니다. 대조군 뇌에서는 seeding 활성이 없는 반면 AD 뇌에서는 파종 활성의 대부분이 면역침전물에서 발견되어 항체가 타우 시드에 효율적으로 결합한다는 것을 보여줍니다. 진행성 핵상 마비(Progressive Supranuclear Palsy, PSP) 뇌에서도 이는 유사했지만, 피질기저변성(Corticobasal degeneration, CBD)과 픽병(Pick disease. PiD) 뇌에서는 대부분의 seeding 활성이 상층액에 남아있어 타우 시드 결합에 그렇게 민감하지 않았습니다.

Antibodies to tau seeds can reveal neuropatholgical differences between tauopathies

타우 시드에 대한 항체는 타우병증 사이의 신경병리학적 차이를 밝힐 수 있습니다

Tissue staining showed MD2.2/MD3.1 in the AD cases in perinuclear granular aggregates without neuritic fibrils, with a smaller amount shown in PSP cases and little staining in PiD or CBD cases. In conclusion, the antibodies MD2.2 and MD2.1 were shown to be novel anti-tau agents targeting seed-compentent but not inert tau, predominantly in AD and PSP cases. These may be useful as tools for studying tau seeding in brain tissue.

조직 염색을 통해 신경염증성 원섬유가 없는 핵주변 과립 응집체에서 AD 증례의 MD2.2/MD3.1이 나타났으며, PSP 증례에서는 더 적은 양이, PiD 또는 CBD 증례에서는 거의 염색되지 않았습니다. 결론적으로, 항체 MD2.2와 MD3.1은 주로 AD 및 PSP 증례의 시드 적격 타우를 표적으로 하지만 비활성 타우는 표적으로 하지 않는 새로운 항타우 제제인 것으로 나타났습니다. 이들은 뇌 조직의 타우 seeding을 연구하기 위한 도구로 유용할 수 있습니다.


  1. Brettschneider J, et al. Nat Rev Neurosci. 2015;16(2):109-120.
  2. Nag S, et al. Neurology. 2017;88(7):653-660.
  3. Young AL, et al. Nat Commun. 2018;9(1):4273.
  4. Spires-Jones TL, Hyman BT. Neuron. 2014;82(4):756-771.
  5. Dujardin S, et al. Nat Med. 2020;26(8):1256-1263.
  6. Charidimou A, et al. Neurol Neurosurg Psychiatry. 2012;83(2):124-137.
  7. Walker JM, et al. Acta Neuropathol Commun. 2022;10(1):23.
  8. Mirbaha H, et al. E-life. 2018;7.