Biomarkers and risk factors of neurodegeneration in multiple sclerosis

Abstract

Bakgrunn og mål: Markører på nevrodegenerasjon er tett knyttet til klinisk funksjonsnedsettelse og sykdomsprogresjon hos pasienter med multippel sklerose (MS). Slike biomarkører kan derfor bidra til å identifisere potensielle terapeutiske mål, måle effekten av behandling rettet mot disse, og belyse hvordan miljø- og livsstilsfaktorer og komorbide tilstander kan påvirke nevrodegenerative prosesser.

Implementering av kandidatmarkører i klinisk praksis utfordres av flere faktorer. For det første er de patologiske prosessene som fører til nevrodegenerasjon ikke tilstrekkelig kartlagt, spesielt i hvilken grad nevrodegenerative forandringer oppstår sekundært til inflammatorisk skade i hvit substans, eller som følge av prosesser som rammer grå substans primært. For det andre må variabilitet i målinger som følge av tekniske, fysiologiske og sykdomsrelaterte variasjoner, komorbide tilstander og miljøog livsstilsfaktorer avklares. Hovedmålet med denne studien var å møte noen av disse utfordringene. Vi ønsket å 1) utforske det spatiotemporale forholdet mellom hvitsubstanslesjoner og global og regional atrofi i grå substans hos pasienter med MS, og om forholdet endret seg blant de kliniske fenotypene, 2) undersøke om 3D T1- vektede MR-bilder tatt etter administrering av gadoliniumholdige kontrastmidler kan brukes til å måle hjerneatrofi, ved bruk av FreeSurfer, 3) undersøke hvordan nivåer av nevrofilament lettkjede i serum (sNfL) målt i perioder med og uten inflammatorisk sykdomsaktivitet er assosiert med atrofi i grå substans og klinisk funksjonsnedsettelse etter ti år, hos personer med attakkpreget MS (RRMS) og 4) undersøke om røyking hos personer med RRMS er assosiert med atrofi i grå substans, lesjonsbyrde og klinisk funksjonsnedsettelse etter ti år.

Metode: I artikkel I utførte vi en systematisk oversikt over den eksisterende litteraturen, samt kvalitative og deskriptive analyser. Vi søkte i MEDLINE og Embase etter rapporter som inneholdt direkte assosiasjoner mellom mål på atrofi i grå substans og lesjoner i hvit substans i hjernen. Målene måtte være hentet fra konvensjonelle MRbildesekvenser, hos pasienter med klinisk isolert syndrom (CIS) og MS. I artikkel II, III og IV brukte vi data fra multisenterstudien «ω-3 fatty acids in MS» (OFAMS studien), og fra oppfølgingsbesøket gjennomført omtrent ti år etter OFAMS-studien ble avsluttet. Totalt 92 pasienter med RRMS deltok i OFAMS-studien, og gjennomgikk jevnlige kliniske, biokjemiske og MR-undersøkelser i løpet av de 24 månedene studien pågikk. Åttifem av pasientene deltok på 10-års oppfølgingsbesøket, hvor undersøkelsene ble gjentatt. Totalt 22 pasienter, hvor 3D T1-vektede MR-bilder ble tatt både før og etter administrasjon av gadoliniumholdig kontrastmiddel ble inkludert i artikkel II. Intraklassekoeffisient (ICC) ble benyttet i reliabilitetsanalysen, og parede ttester ble benyttet for å vurdere eventuelle forskjeller i målene. Totalt 78 og 85 pasienter ble inkludert i henholdsvis artikkel III og IV. Effekten av sNfL nivå og røyking på langsiktig hjerneatrofi og klinisk funksjonsnedsettelse ble undersøkt ved blandede og konvensjonelle lineære regresjonsmodeller. Alle modellene ble korrigert for alder og kjønn, i tillegg til eventuelle konfundere relevante for spesifikke analyser.

Resultat: Totalt 90 studier ble inkludert i artikkel I. Høyere lesjonsbyrde i hvit substans var i de fleste studiene assosiert med mer atrofi i grå substans. Forholdet var sterkest og hyppigst sett ved tidlig (attakkpreget) sykdom, og i mindre grad ved progressiv MS.

I artikkel II fant vi utmerket konsistens mellom alle verdier hentet fra MR-bilder tatt før og etter administrasjon av kontrastmiddel (ICC verdier fra 0.926 til 0.996). Ved sammenlikning av målinger hentet fra bilder tatt før og etter administrasjon av kontrastmiddel, var kortikal tykkelse og grå substans volum på bilder tatt etter kontrastmiddel signifikant høyere enn på bilder tatt før kontrastmiddel, mens det totale volumet av hvit substans var signifikant lavere.

I den tredje artikkelen fant vi at høyere gjennomsnittsnivå av sNfL i perioder med aktiv inflammasjon (kontrastladende lesjoner til stede eller nylig til stede) predikerte lavere volum av grå substans i hele hjernen og dyp grå substans, lavere kortikal tykkelse (standardisert β fra -0.399 til -0.581) og høyere antall T2 lesjoner i hvit substans (standardisert β=0.498) etter ti år. Høyere nivå av inflammatorisk sNfL var også assosiert med større funksjonsnedsettelse (høyere skår) målt ved dominant hånd 9-hole peg test (standardisert β=0.593). Ingen MR- eller kliniske mål var assosiert med høyere sNfL nivå i perioder med remisjon (ingen kontrastladende lesjoner til stede eller nylig til stede).

I artikkel IV fant vi at røyking hos pasienter med RRMS var assosiert med lavere totalt volum av hvit substans og dyp grå substans, og høyere volum av T2 lesjoner etter ti år. Av de kliniske målene var røyking assosiert med nedsatt gangfunksjon målt ved Timed 25-Foot Walk test, og større nedgang i oppmerksomhetsskår, målt ved Paced Auditory Serial Addition Test.

Konklusjon: Funnene i artikkel I tyder på at nevrodegenerasjon i grå substans i stor grad oppstår sekundært til skade i hvit substans ved tidlige (attakkpregede) sykdomsstadier av MS. Ved progressiv sykdom derimot, virker det å være en gradvis overgang hvor nevrodegenerasjonen domineres av sykdomsmekanismer som rammer grå substans primært. I artikkel II fant vi at pålitelige mål på hjerneatrofi kan hentes fra T1-vektede bilder tatt etter administrasjon av kontrastmiddel, ved bruk av FreeSurfer. Dette funnet kan åpne for bruk av en betydelig mengde historiske og prospektive realworld data til å måle hjerneatrofi hos pasienter med MS. I artikkel III fant vi, i tråd med resultatene fra artikkel I, at sNfL nivå i perioder med aktiv inflammasjon, men ikke remisjon, predikerte fremtidig atrofi i grå substans hos pasienter med RRMS. Inflammatorisk sNfL nivå var også assosiert med langsiktig funksjonsnedsettelse. Dette tyder på at målingene kan brukes til å anslå omfanget av pågående aksonal skade under et attakk, og indikere risiko for varig nedsatt funksjonsevne. I artikkel IV fant vi at også røyking predikerte økt hjerneatrofi, høyere lesjonsbyrde og økt funksjonsnedsettelse etter ti år. Funnene taler for at pasienter med MS som røyker bør rutinemessig tilbys rådgivning og hjelp til røykeslutt. Om assosiasjonen med atrofi i grå substans skyldes en direkte nevrotoksisk effekt av røyking, eller en sekundær nevrodegenerasjon via økt inflammatorisk aktivitet, bør undersøkes nærmere i fremtidige studier.

Background and objectives: Markers of neurodegeneration are closely related to clinical disability and disease progression in multiple sclerosis (MS). Hence, neurodegenerative biomarkers may help identify future therapeutic targets, measure the effect of initiated treatment against such targets, and clarify how environmental factors and comorbid conditions may affect neurodegenerative processes.

Clinical implementation of candidate biomarkers is challenged by several factors. First, the neurodegenerative pathological substrate is unclear, especially to which degree neurodegenerative changes occur secondary to inflammatory damage in the white matter (WM), or due to processes affecting the grey matter (GM) primarily. Second, variability in measurements related to technical, physiological and disease related variations, comorbid conditions and environmental factors needs clarification. The main objective of this study was to address some of these challenges. In more detail, we sought to 1) explore the spatio-temporal relationship between WM lesions and global and regional GM atrophy in patients with MS, and if the association differs in the clinical phenotypes, 2) investigate whether reliable brain atrophy measurements can be obtained from 3D T1-weighted images acquired after administration of gadolinium-based contrast agents (GBCAs), using FreeSurfer, 3) investigate how serum neurofilament light (sNfL) levels measured during, and outside of periods of inflammatory disease activity, associate with GM atrophy and clinical disability ten years later in patients with relapsing-remitting MS (RRMS) and 4) assess whether smoking in patients with RRMS relate to GM atrophy, lesion load and clinical disability after ten years.

Methods: In article I, we performed a systematic review including qualitative and descriptive analyses. MEDLINE and Embase were searched for abstracts containing direct associations between brain GM and WM lesion measures obtained by conventional MRI sequences in patients with clinically isolated syndrome (CIS) and MS. In articles II, III and IV, we used data from a multicentre, randomised trial of ω-3 fatty acids (the OFAMS study) in people with RRMS, and from the follow-up visit conducted approximately ten years after the conclusion of the OFAMS study. Patients underwent clinical, biochemical and MRI examinations regularly during the 24 months of the OFAMS study, and once at the 10-year follow-up visit. In article II, 22 patients were included, in which 3D T1-weighted MR images were obtained during the same scanner visit, both before and after administration of GBCAs. The difference between measurements obtained in pre- and post-contrast images was assessed by paired t-tests, and the consistency by intra-class correlation coefficient (ICC). In articles III and IV, 78 and 85 patients were included, respectively. The association between sNfL levels and smoking and long-term outcome measures was investigated by linear multilevel or regular regression models. All models were adjusted for age and sex, in addition to confounders relevant to specific analyses.

Results: In the first article, 90 studies were included. Higher WM lesion load was in the majority of studies associated to more GM atrophy, with the most consistent relationship found in in early (relapsing) disease, and less so in progressive MS.

In the second article, we found good to excellent consistency between all values obtained from pre- and post-contrast images (ICC ranging from 0.926 to 0.996). In post-contrast images, cortical thickness and GM volumes were significantly higher than in pre-contrast images, while total WM volume was significantly lower.

In article III, higher mean sNfL levels during periods with gadolinium-enhancing lesions present or recently present (representing inflammatory disease activity) predicted lower mean cortical thickness, lower total and deep GM volume (standardised β ranging from -0.399 to -0.581) and higher T2 lesion count (standardised β=0.498) ten years later. Higher inflammatory sNfL levels were also associated with higher score (higher disability) on the dominant hand 9-hole peg test (standardised β=0.593). No MRI or clinical outcome measures were associated with higher sNfL levels during periods with no gadolinium-enhancing lesions present or recently present (remission).

In article IV, smoking in patients with RRMS was associated with lower total WM and deep GM volume, and higher T2 lesion volume after ten years. Of the clinical outcomes, smoking was associated with higher walking impairment measured by the Timed 25-Foot Walk test, and a larger decrease in Paced Auditory Serial Addition Test (attention) scores.

Conclusion: The findings in article I suggest the overall GM neurodegeneration during early disease stages may largely be secondary to damage in the WM, while in progressive MS, neurodegeneration becomes more detached, possibly dominated by primary disease mechanisms. In article II, we found that reliable brain atrophy measurements may be possible to extract from post-contrast T1-weighted images, using FreeSurfer. This finding may allow a considerable amount of historical and prospective real-world data to be used to measure brain atrophy in patients with MS. The notion of a strong relationship between inflammatory WM damage and GM atrophy is supported by the findings in article III, where sNfL levels during inflammatory disease activity, but not during remission, predicted future GM atrophy in patients with RRMS. The additional association with higher long-term disability suggests that inflammatory sNfL levels may be used to quantify the extent of ongoing axonal damage, indicating the risk of disability accrual. In article IV, smoking was associated with lower brain volumes, higher lesion load and higher disability after ten years. Whether the association with GM atrophy is caused by a direct neurotoxic effect, or by secondary neurodegeneration following heightened inflammatory activity, needs to be clarified in future studies. Nevertheless, our findings are in support of smoking patients with MS being routinely offered advice and aid in smoking cessation.