Analysis of the occurrence of autoantibodies against brain antigens in patients with dementia - Focus on GFAP as antigen

Abstract

Introduction: This dissertation includes three publications. The main, first-authorship publication investigates the occurrence of autoantibodies in patients with dementia, focusing on GFAP as a potential antigen. Two additional publications about the antibody repertoire in patients with COVID-19 and about blood-vessel autoantibodies are closely related to the main topic and will be further explained in the discussion section. Since the discovery of the autoimmune NMDAR encephalitis, autoantibody-mediated neurological diseases have increasingly become a focus of research. Since then, numerous other autoantibodies have been identified that can cause a wide range of symptoms. We therefore hypothesized that autoantibodies against brain antigens can be detected in the serum of patients with dementia. These autoantibodies might cause a chronic, slowly progressing form of autoimmune encephalitis with symptoms of dementia. Possible antigens include astrocytic antigens, for example GFAP.

Aim of the study: To investigate the occurrence of autoantibodies in patients with dementia and to identify specific antigens.

Material and methods: The cohort includes 127 patients with dementia from the Charité Neurology Department. Our control cohorts consisted of 82 Charité Biobank samples and samples from 15 healthy people. Using a successive screening strategy, the sera were first stained on primary embryonic murine hippocampal/cortical cell cultures for the presence of autoreactivity. We then applied additional methods, including (co-)staining on purified astrocyte cultures, GFAP-transfected HEK cells and murine brain sections, live staining, and Western blots.

Results: A total of 45 of 127 dementia patients tested positive for the presence of autoantibodies in the first screening step. Autoantibodies against astrocytes were the most common in 28 (22%) dementia sera and 3 (4.7%) biobank sera (p ≤ 0.001 dementia vs. biobank p ≤ 0.001 dementia vs. total controls). GFAP-specific autoantibodies were detected in 14 (11%) dementia sera and one (1.6%) biobank serum (p = 0.007 dementia vs. biobank; p = 0.003 dementia vs. total controls).

Discussion and conclusion: Autoantibodies, especially against GFAP, were significantly more frequent in the dementia cohort than in the control cohort. Based on the current research, the question about the pathogenic relevance of these autoantibodies cannot be answered yet. GFAP autoantibody-positivity defines a subgroup of patients with dementia which should be addressed by further research. Important aspects include the role of infections such as COVID-19 and blood-vessel autoantibodies, biomarkers, as well as long-term follow-up and therapy-studies.

Einleitung: Die vorliegende Dissertation umfasst drei Publikationen. Die Hauptpublikation mit Erstautorenschaft beschäftigt sich mit dem Vorkommen von Autoantikörpern bei Patient*innen mit Demenz, mit besonderem Fokus auf GFAP als Antigen. Zwei weitere Publikationen zum Antikörperrepertoire bei COVID-19 und zu Gefäß-Autoantikörpern stehen dazu in engem inhaltlichem Zusammenhang und werden in der Diskussion weiterführend erläutert. Seit der Entdeckung der Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis sind autoantikörpervermittelte neurologische Erkrankungen zunehmend in den Wissenschaftsfokus gelangt. Seitdem wurden zahlreiche weitere Autoantikörper identifiziert, die ein breites Spektrum an Symptomen hervorrufen können. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass im Serum von Patient*innen mit Demenz Autoantikörper gegen hirneigene Antigene zu detektieren sind. Diese Autoantikörper könnten eine chronisch verlaufende autoimmune Enzephalitis bedingen, welche die Symptome einer dementiellen Erkrankung hervorruft. Als Antigene kommen u.a. astrozytäre Antigene, beispielsweise GFAP, in Betracht.

Ziel der Studie: Ziel ist es, das Vorkommen von Autoantikörpern bei Patient*innen mit Demenz zu untersuchen und spezifische Antigene zu identifizieren.

Material und Methoden: Die Kohorte umfasst 127 Patient*innen mit Demenz aus der neurologischen Klinik der Charité. Als KontrolIkohorten dienten 82 Proben aus der Biobank der Charité sowie von 15 gesunden Personen. In einem mehrstufigen Screeningverfahren wurden die Seren zunächst mittels immunzytochemischer Färbungen auf primären murinen embryonalen hippokampalen/kortikalen Zellkulturen das generelle Vorhandensein von Autoantikörpern untersucht. Nachfolgend wurden zusätzliche Methoden, u.a. (Ko-)Färbungen auf Astrozytenkulturen, GFAP-transfizierten HEK-Zellen und murinen Hirnschnitten, Livefärbungen sowie Western Blots angewandt. Ergebnisse: Insgesamt 45 von 127 Demenzpatient*innen wurden im ersten Screeningschritt positiv auf das Vorhandensein von Autoantikörpern getestet. Am häufigsten waren Autoantikörper gegen Astrozyten in 28 (22%) Demenzseren und 3 (4.7%) Biobankseren (p ≤ 0.001 Demenz vs. Biobank p ≤ 0.001 Demenz vs. Gesamtkontrollen). GFAP-spezifische Autoantikörper wurden bei 14 (11%) Demenzseren und einem (1.6%) Biobankserum (p = 0.007 Demenz vs. Biobank; p = 0.003 Demenz vs. Gesamtkontrollen) nachgewiesen.

Diskussion und Schlussfolgerungen: Autoantikörper, insbesondere gegen GFAP, traten signifikant häufiger in der Demenzkohorte als in den Kontrollkohorten auf. Die pathogene Relevanz dieser Autoantikörper kann, auf Grundlage der aktuellen Forschung, nicht abschließend geklärt werden. Das Auftreten von GFAP-Autoantikörpern definiert eine Subgruppe von Patient*innen mit Demenz, die ein vielversprechendes zukünftiges Forschungsfeld eröffnet. Wichtige Aspekte sind u.a. die Rolle von Infektionen wie COVID-19 und Blutgefäß-Autoantikörpern, diagnostische Marker sowie Langzeit- und Therapiestudien.