CSF-proenkefalin som biomarkör för premotorisk Huntingtons sjukdom

Artikeln har titeln *Proenkefalin i cerebral spinalvätska förutsäger striatal atrofi årtionden före klinisk motorisk diagnos vid Huntingtons sjukdom*. Mena, [00:01:00] grattis till din artikel och tack så mycket för att du är med oss ​​idag.

Dr. Mena Farag: Tack för inbjudan och för att jag har med i Movement Disorder Society Podcast, Eduardo.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Så precis innan vi dök upp i din artikel, vad är proenkefalin och hur är det kopplat till patofysiologin vid Huntingtons sjukdom?

Dr. Mena Farag: Så vi vet att Huntingtons sjukdom kliniskt presenteras som en grupp av progressiv motorisk funktionsnedsättning, kognitiv nedgång och neuropsykiatriska störningar med åldersdebut, vanligtvis i mitten av vuxenlivet. Även om det finns betydande interindividuell variation och på neuropatologisk nivå, definieras Huntingtons sjukdom dock av tidig regional selektiv neurodegeneration.

Striatum och medelstora taggiga neuroner representerar den mest sårbara neuronpopulationen. Och striatal atrofi är bland de tidigaste och mest konsekventa avbildnings- och obduktionsfynden vid sjukdomen. Och inom detta striatum är neuroner i den indirekta signalvägen särskilt mottagliga. Dessa neuroner kännetecknas [00:02:00] inte bara av sin GABAerga fenotyp, utan också av uttryck av enkefalin-deriverade neuropeptider.

Och så är proenkefalin, eller PENK, föregångaren till enkefaliner och är starkt anrikat i den indirekta vägen, som projicerar till globus pallidus i striatum, och både djur- och mänskliga transkriptdata visar att PENK-uttryck är koncentrerat i basala ganglierna och det stöder biologisk specificitet för striatumkretsarna. Och före detta arbete har post mortemstudier och Huntingtons sjukdom visat minskat enkefalininnehåll över basalganglienukliden, vilket tyder på att det kan finnas tidig dysfunktionell förlust av enkefalinuttryckande neuroner. Och dessa fynd ger verkligen en stark mekanistisk motivering för PENK som en kandidatbiomarkör för striatal sårbarhet vid Huntingtons sjukdom.

Under de senaste fem åren har det gjorts tvärsnittsstudier som har visat att PENK kan kvantifieras tillförlitligt i cerebrospinalvätska, och det är CSF. [00:03:00] PENK-koncentrationerna är konsekvent reducerade vid Huntingtons sjukdom, och dessa minskningar har faktiskt replikerats över oberoende kohorter, vilket stöder dess roll som en kandidatbiomarkör för sjukdomsstadium.

Och inom neurologi, och jämfört med andra neurodegenerativa sjukdomar, var PENK-nivåerna i cerebrospinalvätskan lägre hos personer med Huntingtons sjukdom, inte bara jämfört med kontrollpersoner, utan även med andra neurodegenerativa tillstånd, inklusive Parkinsons, Alzheimers och ALS. Och viktigt är att dessa lägre koncentrationer av PENK har visat sig korrelera med sjukdomsbörda och motorer för förändringar, vilket också stöder dess biologiska relevans för patologin vid Huntingtons sjukdom.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Så det låter som att du har bevis för vad som låter som en ideal biomarkör. Den är specifik, den är kopplad till biologin. Den förändras över tid. Den är korrelerad med kliniska förändringar och det är vad din studie försöker visa om detta är en mer specifik biomarkör.

Och i din studie är din hypotes att den kan [00:04:00] vara mer specifik än andra markörer för neurodegeneration som tidigare har använts hos personer med Huntingtons sjukdom eller mer generellt vid neurodegeneration, såsom neurofilament lätt kedja. Och du jämför även det med progression på MR och även progression på den biologiska stadieindelningen av Huntingtons sjukdom.

Kan du berätta lite mer om hypotesen och resultaten av den här studien?

Dr. Mena Farag: Så trots signalen att det har varit ganska lovande i studierna hittills, har det funnits några viktiga luckor. Tidigare studier var till stor del tvärsnittsstudier. De hade relativt små eller övervägande kliniskt manifesterade kohorter, och de undersökte faktiskt inte huruvida CSF PENK förändras longitudinellt eller relaterar till regional hjärnatrofi. Och i synnerhet hade den faktiska neuroanatomiska specificiteten hos CSF PENK som en markör för striatal neurodegeneration inte testats. Så syftet med studien var egentligen att utvärdera CSF-proenkefalin som en biologiskt informerad biomarkör för tidig [00:05:00] HD med specifikt fokus på den långt ifrån debuterande HD-studiekohorten bland unga vuxna.

Därför strävar vi efter att undersöka både tvärsnitts- och longitudinella samband mellan baslinjekoncentrationer av PENK i cerebrospinalvätskan och regional specifik neurodegeneration med hjälp av strukturell MRI. Vår huvudhypotes var därför att lägre baslinjekoncentrationer av PENK i cerebrospinalvätskan skulle vara associerade med efterföljande hjärnatrofi, främst i striatum.

Och vi försökte också, som du sa, jämföra de regionala mönstren för PENK-relaterade strukturella samband med de som observerats för andra biofluidbiomarkörer som visade sjukdomsrelaterade gruppskillnader, främst neurofilamentljus, vilket vi vet återspeglar mer global och generaliserad neuroaxonal skada.

Och vi pratar om stadieindelning och potentialen för att detta arbete ska ha relevans för stadiestratifiering och klinisk prövningsdesign. Så detta kan vara en bra anledning att introducera HD Integrated Staging System eller HD ISS, [00:06:00] vilket är ett viktigt ramverk som ligger till grund för relevansen av detta arbete.

Traditionellt har stadieindelning av HD baserats på kliniska fenotyper, och man har därför i stor utsträckning gjort skillnad mellan premanifest och manifest sjukdom. Även om detta är kliniskt användbart, fångar denna metod inte riktigt den underliggande biologiska progressionen som föregår de symtom som utvecklats. Därför utvecklades HD ISS för att hantera denna begränsning genom att tillhandahålla ett mer enhetligt evidensbaserat ramverk som fångar HD:s naturliga förlopp över hela kontinuumet. Det finns alltså fyra stadier i HD ISS och arbetet i denna artikel inkluderar i princip deltagare från HD Young Adult Study som är i stadium noll, vilket inkluderade deltagare som var genexpansionsbärare med full penetrans, men inga detekterbara biologiska förändringar.

Stadium ett definieras faktiskt av biomarkörbevis på patologi, och det kategoriseras specifikt genom volymetriska MR-mått som kallas datum-IAM [00:07:00] atrofi och stadium två fångar uppkomsten av subtila motoriska och kliniska tecken, kognitiva tecken och stadium tre återspeglar funktionell nedgång. Och många av de kliniska prövningarna för närvarande rekryterar deltagare som är i HD ISS stadium två och tre.

Och så tidigt manifesterad sjukdom. Och så mycket av detta arbete och mycket av arbetet för studien av unga vuxna med HD, hela premissen för det är egentligen att spåra de tidigaste biologiska förändringarna hos tidigare kohorter som potentiellt skulle kunna användas för att informera utformningen av förebyggande studier.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Det är en utmärkt sammanfattning, och det är väldigt intressant att er studie fokuserar på just dessa intressanta kohorter i de allra tidigaste stadierna av sjukdomsprocessen. Kan ni berätta lite mer om studiekohorterna och även de metoder ni använde i den här studien?

Dr. Mena Farag: Självklart. HD Young Adult Study är en longitudinell observationskohort av unga vuxna som bär på expansionen av Huntingtons sjukdomsgen [00:08:00] och i genomsnitt är cirka 20 år från förväntad klinisk motorisk diagnos. Och de matchades med opåverkade kontroller, mycket nära matchade vad gäller ålder, kön och utbildningsnivå.

Och så utformades och leddes studien av professor Sarah Tabrizi och den startade 2017. Och det har hittills funnits två tidpunkter. Vi har nyligen avslutat den tredje tidpunkten. Och intervallet mellan besök ett och besök två var ungefär fyra och ett halvt år.

Så kohorten är verkligen djupt fenotypiserad. Så den inkluderade multimodala bedömningar inklusive biofluidprovtagning, blodprovtagning och avbildning av ryggradsvätskor. Med tre Tesla, klinisk MRI-undersökning, kognitiv testning och neuropsykiatrisk profilering. Och under de fyra och ett halvt åren har vi haft 103 deltagare som återlämnats för uppföljning, och vi rekryterade också 23 nya deltagare. Och när det gäller metoderna, särskilt i den här artikeln [00:09:00] är det huvudsakligen bildbaserad biofluidanalys. Så för att analysera hjärnstrukturen använde vi helhjärnans voxelbaserad morfgeometri, vilket är känt som VBM.

Så istället för att i förväg välja ut intressanta regioner, låter den här metoden oss bedöma volymen av grå och vit substans över hela hjärnan på ett opartiskt sätt. Det innebär segmentering av hjärnan i grå substans, vit substans och ryggradsvätska. Vi använder etablerade metoder, EBM-metoder, för att kvantifiera förändringar över tid i hjärnan hos individer.

Och på voxelnivå låter det oss i princip se kartor över lokal vävnadsexpansion eller kontraktion mellan den första tidpunkten och den andra tidpunkten för att identifiera när neurodegeneration sker och vilken hastighet. Och sedan testade vi baslinjenivåerna av proenkefalin i CSF vid den första tidpunkten, samt i plasma och CSF NfL. Och vi använder dessa för att [00:10:00] förutsäga var det rumsliga mönstret och magnituden av atrofi hittades. Och vi justerade detta för ålder, kön, tidsintervallet mellan skanningar och även sjukdomsbördan. Så den viktigaste poängen är egentligen att vi inte bara frågar var dessa grupper skiljer sig åt vid en enda tidpunkt, utan vi frågar var i hjärnan förlust av vävnad sker över tid och om baslinjebiovätskebiomarkörer kan förutsäga det rumsliga mönstret och magnituden av den förlusten.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Och dagen då dessa biomarkörer visade mönstret, det anatomiska mönstret för atrofi på MR.

Dr. Mena Farag: Så studiens huvudfynd var att PENK-nivåer i CSF vid baslinjen starkt förutspådde hjärnatrofi med ett övervägande striatalt eller spatialt mönster, specifikt var lägre PENK-koncentrationer i CSF vid baslinjen associerade med större longitudinell förlust av grå substans i kärnan, både putamen och knott, på båda sidor, med motsvarande förändringar i vit substans i den intilliggande peristriatala vita substansen. Och dessa samband förblir [00:11:00] signifikanta även efter justering för sjukdomsbördan, vilket indikerar att PENK ger information utöver enbart ålder och CAG-repetitionslängd, vilka vi vet är kända drivkrafter för progression vid Huntingtons sjukdom.

Medan NfL uppvisade en helt annan spatial profil, var högre baslinjekoncentrationer av neurofilamentljus i CSF mer prediktiva för globala och utbredda förändringar i vit substans och diffusa förändringar i kortikala grå substans. Vilket denna distinktion stämmer väl överens med vad vi faktiskt vet biologiskt om NfL.

För vi vet att NfL är ett strukturellt axonalt protein som återspeglar global neuroaxonal skada, medan PENK verkar vara mer kopplat till striatal patologi. Det som också var ganska intressant var att vi faktiskt såg vissa skillnader mellan CSF och plasma-NfL i dessa mycket tidiga sjukdomsstadier.

Och vad gäller analysen, var en typ av baslinjeplasma-NfL associerad med ett mer begränsat mönster [00:12:00] av hjärnvolymförlust, begränsat till små kluster i den kortikala grå substansen, vilket var helt annorlunda jämfört med vad vi ser med CSF-NfL. Och detta fynd tyder särskilt på att plasma-NfL kanske skulle kunna vara mindre känsligt än CSF-NfL för att detektera tidiga neurodegenerativa förändringar i dessa kohorter med långt ifrån debut.

Men icke desto mindre finns det fortfarande nytta och användning i NfL i detta sammanhang.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Så som du nämnde är de biomarkörer för något olika processer. En mer specifik, en mer kopplad till striatala neuroner. En mer generell, som bara återspeglar neuroaxonal skada. Hur kan dessa biomarkörer informera om patofysiologin och den neurodegenerativa processen i de tidigaste stadierna.

Ska vi hålla oss till proenkefalin? Ska vi använda båda för att få kompletterande information? Vad tycker du om användningen av båda biomarkörerna?

Dr. Mena Farag: Det är en riktigt bra fråga, och snarare än att [00:13:00] tänka på dem som konkurrerande biomarkörer tror jag att de återspeglar kompletterande sjukdomsprocesser. PENK är mer en signal om striatalspecifik neuronal sårbarhet, medan NfL fångar bredare neuronal axonal skada. Och när vi faktiskt tittade på sjukdomens stadieindelning, så pratade jag om hur kohorten huvudsakligen var stadium noll i ett före klinisk vetenskap när vi gjorde ROC-kurvor för att titta på känsligheten hos PENK. Vi jämförde i princip för att se om CSF PENK är likartad eller skulle kunna överträffa NfL när det gäller att skilja mellan dessa två stadier. Och vi vet att stadium ett definieras av tecken på striatal eller koordinerande putamenatrofiförlust.

Så det vore biologiskt intuitivt att striatalt berikade biomarkörer som PENK skulle kunna passa in i denna övergång. Och när vi gjorde detta visade vi att PENK faktiskt var mer överlägsen NfL när det gällde att skilja mellan stadium ett och stadium noll. Och [00:14:00] när man kombinerade båda biomarkörerna, skedde en blygsam förbättring av denna särskiljande prestanda.

Så jag tror att överlag att en av de viktigaste utmaningarna vid HD är att när motoriska symtom uppstår kan det ha förekommit betydande, i stort sett irreversibel striatal neuronal förlust, och när det inte finns några kliniska tecken, till exempel i stadium noll och ett, beror sjukdomsövervakningen verkligen på objektiva biologiska mätningar.

Och det är där de biologiska och neuroavbildande biomarkörerna kommer in i bilden. PENK har särskild potential i detta sammanhang eftersom det återspeglar striatala neuronala integriteter och kan förutsäga framtida striatala atrofi. Jag tror att både NfL och PENK i kombination erbjuder en mer nyanserad och biologiskt förankrad bild av dessa tidiga Huntingtons sjukdomsförändringar som är återkommande.

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Det leder till min nästa fråga. Jag förstår att det biologiska stadiesystemet för Huntingtons sjukdom, utvecklingen mellan stadium noll när det inte finns någon detekterbar [00:15:00] neurodegeneration och stadium ett när det inte finns några symtom men tecken på neurodegeneration, är den påvisade användningen vanligtvis med MR och min uppfattning är att det inte är vilka biomarkörer som ingår i detta stadiesystem. Så när det gäller framtida kliniska prövningar, hur tror du att resultaten av din studie och i allmänhet biomarkörer på NfL och proenkefalin och andra potentiella våta biomarkörer, hur tror du att de kommer att informera utformningen av kliniska prövningar? Hur ser du att dina resultat kommer att användas inom en snar framtid?

Dr. Mena Farag: Det är en riktigt bra fråga. Utifrån ett slags planering av framtida preventiva kliniska prövningsdesign, och som du säger, inkluderar inte de nuvarande HD ISS-kriterierna våta biomarkörer. Så jag tror att det finns en potentiell potential att utöka HD ISS-kriterierna för stadium noll och ett till där vi potentiellt skulle kunna inkludera dem.

Våta biomarkörer som PENK och NfL för att ytterligare stratifiera och underindela stadium noll [00:16:00] skulle kunna vara användbara. Och ur ett förebyggande studiedesignperspektiv med justerade normer och

Mer populationsdata om dessa biomarkörer inom normen, vi skulle potentiellt kunna ha berikande stadier vilket skulle kunna vara användbart för rekrytering till kliniska prövningar. 

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Utmärkt. Ja. Och jag tror att nyheterna nyligen har nått fram. Den allmänna media och jag tror att Huntingtons sjukdom, när det gäller förebyggande åtgärder och detta modifierar kliniska prövningar, förmodligen ligger några steg före några av de andra neurodegenerativa rörelsestörningarna med genetiska terapier och andra framgångsrika studier som hittills har publicerats. Min fråga är bara, vart tror du att framtiden för kliniska prövningar av Huntingtons sjukdom är på väg? Och hur ser du att dina resultat kommer att påverka detta? Och vad tror du blir nästa höjdpunkt i Huntingtons sjukdomsbehandling?

Dr. Mena Farag: Ja, Huntingtons sjukdom, det terapeutiska landskapet har expanderat avsevärt under de senaste fem till tio åren. Många olika tillvägagångssätt. Så utöver Huntington-sänkning finns det splicing-modulatorer. Det finns viral vektorgenterapi, och mer nyligen har somatisk CAG-repeat-expansion varit ett mål för sjukdomsmodifierande terapier, och det är på gång.

Jag tror att även om nuvarande kliniska prövningar är i fas två och några i fas ett, så tror jag att målet och förhoppningen är att dessa program ska expandera till fas tre-studier och framåt. Och förhoppningsvis med sjukdomsmodifierande studier som får godkännande från en sorts tillsynsmyndigheter. Men jag tror att medan allt detta pågår är det väldigt viktigt att tänka framåt kring utformningen av framtida förebyggande studier.

Om vi ​​vill försöka förebygga eller bromsa sjukdomsprogressionen i kliniskt asymptomatiska och presymptomatiska kohorter, såsom individer som är i HD ISS stadium noll och ett. Och jag tror att för att ta steg mot det. Det är där longitudinella [00:18:00] observationsstudier, som studien på unga vuxna, är ganska viktiga eftersom de för att tillsynsmyndigheter verkligen ska kunna acceptera biomarkörer som surrogat-endpoints måste anses rimligen sannolika att förutsäga klinisk nytta.

Och. När man tänker på dessa mycket tidiga stadier, traditionella kliniska effektmått som den sammansatta UHDRS, som för närvarande används som effektmått i. I nuvarande kliniska prövningar av steg två och tre är dessa studier inte relevanta för steg noll och ett när det inte finns några kliniska tecken.

Och det är verkligen där objektiva biomarkörer som biofluid, biomarkörer och neuroavbildningsmarkörer är väldigt viktiga. 

Dr. Eduardo de Pablo-Fernandez: Tack så mycket. Jag tycker att det är ett mycket lovande landskap för forskning om Huntingtons sjukdom under de kommande åren. Tack så mycket Mena för din tid idag. Jag hade Mena Farag från UCL Queen Square Institute of Neurology på Huntington's Disease Center.

Jag hoppas att ni tycker att podden är intressant och jag uppmuntrar alla [00:19:00] läsare att läsa hela artikeln som publicerats i Movement Disorders Journal. Hejdå för nu.

Dr. Mena Farag: Tack. [00:20:00]