Volumetri og proteomik i Shunted Normal Pressure Hydrocephalus (LiNPH)

BAGGRUND OG RESUMÉ BESKRIVELSE AF PROJEKTET

Idiopatisk normaltrykshydrocephalus (=iNPH) er en tilstand med forstyrret cerebral dynamik, der giver symptomer i form af balance- og gangforstyrrelser, inkontinens og kognitiv svækkelse hos patienter med cerebral ventrikulær dilatation. Tilstanden er meget mere almindelig end almindelig kendt med en prævalens, der stiger kraftigt med alderen, fra 2,1 % i 70-årsalderen til 8,9 % i alderen over 80 år. Adams og Hakim beskrev sygdommen så tidligt som i 1965 baseret på symptomatologi og reversibilitet af symptomer efter CSF-tapping. Det var dog først i 2005, at der kom en sammenstilling af evidensbaserede retningslinjer for diagnosticering og behandling af sygdommen, iNPH International Guidelines. Det blev anført, at der på nuværende tidspunkt ud over CSF-tap-testen ikke er nogen pålidelig prædiktiv test for en patients sandsynlighed for at reagere på shunting. Der findes flere forskellige skalaer til vurdering af sygdommens sværhedsgrad, hvoraf den ene er iNPH-skalaen med underskalaerne gang, balance, neuropsykologi og kontinens.

På afdelingen for neurokirurgi (NK) og neurologisk (NL), Linköping Universitetshospital har der siden 2004 været et velfungerende multiprofessionelt team. Holdet undersøger og behandler iNPH med henvisninger fra den sydøstlige sundhedsregion i Sverige. Der modtages årligt cirka 250 henvisninger, 70-80 patienter vurderes og mindst 40 patienter opereres med ventrikuloperitoneal shunting. Evalueringen består i første fase af radiologiske undersøgelser, en klinisk vurdering af neurolog, efterfulgt af motorisk vurdering af en fysioterapeut og kognitiv vurdering af en ergoterapeut. CSF tap-tests udføres normalt, hvor op til 50 ml cerebrospinalvæske drænes ved lumbalpunktur, som i iNPH normalt lindrer symptomerne. Vurdering omfatter også videooptagelse af bevægelsesmønsteret i en kvalitativ vurdering. Resultaterne sammen med radiologien vejes sammen og derefter teamet, hvis patienten skulle tilbydes behandling. Patienterne opereres med ventrikuloperitoneal shunting på NK og følges op på NL med samme motoriske og kognitive test tre måneder efter operationen, hvorefter resultaterne vurderes. I større undersøgelser forbedres ca. 70 % af iNPH-patienter, der modtager en shunt, postoperativt.

Shuntterapi er den eneste behandling af iNPH og har været tilgængelig siden 1950'erne. Målet med behandlingen er at reducere mængden af ​​cerebrospinalvæske i ventrikelsystemet og derved normalisere volumen i ventrikelsystemet. Siden begyndelsen af ​​1990'erne er justerbare shuntventiler blevet brugt i stigende grad. Det betyder, at ventilen om nødvendigt kan justeres efter implantation med en ekstern magnet påsat ventilstedet. Ulempen ved de fleste justerbare ventiler er, at ventilindstillingen kan justeres utilsigtet, når den udsættes for stærke magnetiske felter, for eksempel hvis patienten gennemgår en magnetkameraundersøgelse. Justerbare ventiler giver dog mange fordele, da modstanden kan tilpasses patientens behov også efter operationen. Eksempelvis kan en af ​​de mest almindelige komplikationer efter shunting (subduralt hæmatom) ofte behandles ved at hæve ventilmodstanden. I 2015 introducerede virksomheden Codman Johnson & Johnson en ny shuntventil, Certas Plus, som er en justerbar shunt med otte forskellige indstillinger. Ventilen er etableret i klinisk praksis. Særlige funktioner er den højeste indstilling (8) som er 40 cm H20, hvilket er en meget høj modstand, som i teorien skulle svare til en slukket shunt og af firmaet kaldes "virtuel slukket". Den er også designet til at være MR-resistent og ændrer således ikke indstilling, når den udsættes for et MR-magnetfelt. Disse egenskaber er hidtil blevet testet in vitro, men der er endnu ikke udført kliniske undersøgelser. Fordelene ved disse funktioner er potentielt færre kirurgiske indgreb og døgnbehandling og gør det også muligt for patienter i den sydøstlige sundhedsregion at udføre planlagte og akutte MR-undersøgelser på deres hjemmehospital uden at skulle gå til neurokirurgisk afdeling i Linköping for ventiljustering.

Ventrikulær dilatation er en radiologisk diagnose. Siden 1940'erne er den største diameter mellem laterale ventriklers laterale grænser og den største biparietale diameter på indersiden af ​​kraniet blevet målt for at opnå det såkaldte Evans-indeks ved at dividere de to og opnå forholdet. Det er let at måle, men er en metode med mange fejlkilder og dårlig følsomhed over for volumenændringer i ventrikelsystemet. Der er behov for en mere pålidelig metode i både klinisk praksis og forskning. Volumetri, altså måling af ventriklernes volumen, er blevet en mere og mere anvendt metode, som dog endnu ikke har fundet sted i klinisk praksis på grund af tidskrævende manuelle beregninger. Med MR-billeder, der konverteres i en speciel software (ITK-SNAP), kan volumen beregnes, og et tredimensionelt billede af ventrikelsystemet kan plottes. Nogle få studier i litteraturen har undersøgt sammenhængen mellem modstanden mellem shuntventiler og reduktion i ventrikulært volumen. Der er ingen prospektive blindede undersøgelser, der studerer ændringen i ventrikulært volumen relateret til shuntterapi, shuntresistens, og der er heller ingen undersøgelser af, om der er en sammenhæng mellem ventrikulær volumenreduktion og postoperativt klinisk resultat. En studiegruppe i Uppsala har for nylig offentliggjort et studie om shuntede iNPH-patienter, hvor en ny MR-teknologi udviklet i Linköping (SyntheticMR) tydeligt kan vise, hvordan ventrikulært volumen falder efter behandling uden at ændre Evans' indeks. I samme undersøgelse var det også muligt at vise, hvordan en anden parameter i ventriklerne, den såkaldte callosal vinkel, tydeligt ændrer sig efter shunting. Dette er en del af en radiologisk vurderingsskala, Radscale, som kan anvendes på denne patientgruppe. Samme forskergruppe har tidligere også kunnet vise med SyntheticMR, hvordan ventrikelvolumenet falder efter tap-tests på iNPH-patienter for at blive genoprettet til det oprindelige inden for 24 timer. CMIV (=Center for Medical Imaging and Visualization) ved US Linköping har flere af Universitetshospitalets 3-Tesla MR-kameraer og et godt teknologisk og videnskabeligt kendskab til SyntheticMR som metoden udvikles der. Ved hjælp af en kort MR-protokol (6 minutter) producerer den kvantitative data over hjernevævets tilstand, som gør det nemt at konstatere, hvad der er gråt og hvidt hjernestof, hjernecellernes understøttelse af protein myelin samt cerebrospinalvæske og beregner volumen af ​​hver komponent. Sekvenser med standardprotokoller for hydrocephalus, herunder DTI (=Diffusion Tensor Imaging) sekvenser, kræver yderligere 15-20 minutter i MR-kameraet. SyntheticMR kan også som den hidtil eneste metode nemt beregne volumen af ​​CSF, der er placeret uden for ventriklerne i basalcisterne og hjernesulci. Imidlertid har ingen hidtil undersøgt mængderne af ekstracerebral CSF i den raske hjerne eller i iNPH. Derudover har ingen undersøgt, hvordan dette volumen ekstracerebrale CSF ændrer sig som reaktion på shunting.

Proteomet er det fælles navn på de proteiner, som en organisme eller et organ syntetiserer. Proteomet er ikke konstant, men varierer mellem forskellige organer i samme organisme og i samme organ over tid og forandring i den syge organisme eller organ. Proteomics er videnskaben om disse proteiner og kan bruges til at undersøge, hvornår og hvor visse proteiner kan findes, koncentrationer af disse, hvordan de nedbrydes, modificeres og interagerer i forskellige fysiologiske og sygdomsprocesser. Nogle neurologiske sygdomme er blevet karakteriseret i deres proteomiske ændringer, såsom essentiel tremor og kronisk neuropatisk smerte, af medlemmerne af vores for-forskningsgruppe. Cerebrospinalvæskens proteomik hos patienter med iNPH er relativt uudforsket med kun tre undersøgelser i litteraturen. Disse har karakteriseret nogle få proteiner, der skiller sig ud i forhold til, hvad der forventes i en sund hjerne. Der er ikke udført sammenlignende undersøgelser mellem CSF taget via lumbalpunktur og cerebrospinalvæske fra ventriklerne. På afdelingen for Smerte- og Rehabiliteringsmedicin på Linköpings Universitetshospital er der etableret et proteomiklaboratorium (PAINOMICS lab) med mange videnskabelige publikationer. De tilgængelige standardmetoder til proteomiske undersøgelser er todimensionel gelelektroforese (2D elektroforese) og massespektrometri (LC-MS/MS). Disse anvendes til at analysere op til tusind proteiner i en prøve og med antistofbaseret teknologi validere dem. Med antistofbaseret teknologi kan man også analysere op til 86 cytokiner, kemokiner, vækstfaktorer og metaboliske stoffer i et såkaldt multiplekspanel. Datasættene opnået i proteomiske undersøgelser er komplekse. Disse datasæt består af mange og stærkt korrelerede variabler (koncentrationer af proteiner). Man kan derefter sammenligne indholdsændringer af proteiner mellem patienter med iNPH og kontroller etablerer en forskel i "fingeraftryk" af proteomet. Der er et stort behov for nye biomarkører som et supplement til nuværende tilgængelige metoder til at stille en sikker diagnose, vurdere sandsynligheden for, at terapien vil lykkes og skabe en dybere forståelse af patofysiologien af ​​iNPH.

MÅL, VIDENSKABELIGE SPØRGSMÅL OG STUDIER:

1. Evaluer og valider en klinisk anvendelig metode til monitorering af ventrikulære volumener med syntetisk MR. Sammenligning med en etableret volumetrisk metode (ITK-SNAP) og for intra- og inter-assessor pålidelighed.
2. Kortlæg ventrikulære volumener og mængder af ekstracerebral intrakraniel CSF under normale fysiologiske tilstande hos raske kontrolpersoner og hos INPH patienter og beregn hvordan disse volumener ændrer sig efter shunting i INPH.
3. Undersøg, hvordan volumenændring og ændring i volumetri og iNPH Radscale efter shunting korrelerer med det kliniske resultat 3 måneder postoperativt.
4. Undersøg shuntventilen CERTAS PLUS for dens funktion og sikkerhed for MR-resistens in vivo og korreler graden af ​​reduktion i ventrikulært volumen baseret på ventilens modstand.
5. Kortlæg den proteomiske ekspression af iNPH i CSF og blodplasma præoperativt og overvåg ændring ved 3, 12 og 36 måneder efter ventrikuloperitoneal shunting.
6. Sammenlign hvordan proteomikken i CSF i iNPH adskiller sig mellem lumbal og ventrikulær CSF og blodplasma. Undersøg om iNPH-patienternes lumbale CSF er anderledes sammenlignet med en neurologisk sund kohorte-kontrolpersoner af samme alder og patienter med essentiel tremor.

PROJEKTPLAN, IMPLEMENTERING OG UDVÆLGELSE AF FORSKNINGSOBJEKTER:

Det svenske nationale råd for etikprövning (Etikprövningsmyndigheten), ref.nr. 2020-0071920, har godkendt denne projektplan.

Halvtreds patienter, som har gennemgået NPH-teamets undersøgelse og vurderes egnede til shuntbehandling, rekrutteres fortløbende til undersøgelsen.

En kontrolgruppe bestående af 50 frivillige personer over 60 år rekrutteres via operationsventelisten på afdelingerne for ortopædi, urologi og gynækologi på Linköpings Universitetshospital. Der vil blive rekrutteret frivillige fra ældre patienter, som under planlagt ortopædisk/gynækologisk/urologisk operation i spinalbedøvelse vil gennemgå en lumbalpunktur til påføring af anæstesien. Frivillige vil præoperativt gennemgå en MR-undersøgelse inklusive standardsekvenser samt SyntheticMR-protokoller til volumetri.

NPH-teamets præoperative udredning af iNPH-patienter består af følgende undersøgelser: 1. Klinisk vurdering ved neurolog. 2. Balance og gangevne vurderes af fysioterapeut. Tests inkluderer Timed Up and Go (TUG), antal skridt og tid samt gangskala, balanceskala og 10 m gang som en del af iNPH-skalaen. 3. En ergoterapeut vurderer de kognitive funktioner og udfører følgende tests: MMSE (=Mini-Mental State Examination), Grooved pegboard, Rey Auditory Verbal Learning Test, Stroop-farvenavngivning og Stroop-interferens, Trail Making Test A og B. 4. Estimering af urininkontinens udføres på urininkontinensskalaen. Alle vurderinger er kombineret i iNPH-skalaen.

En lumbalpunktur med måling af intrathecal tryk, analyse af celler, protein, antistoffer mod borreliose og CSF tap-test er inkluderet i den grundlæggende undersøgelse. Patientens sygehistorie, symptomer og resultater fra radiologi og CSF tap-test diskuteres i NPH teamet for at afgøre, om patienten vurderes egnet til en shunt.

Patienter, som anbefales shuntning af teamet og ikke opfylder undersøgelsens eksklusionskriterier, indkaldes til et ambulant besøg hos Dr. Rafael Holmgren, informeres om den påtænkte operation og tilhørende risici og tilbydes undersøgelsesdeltagelse efter mundtlig og skriftlig information. Patienterne tilbydes betænkningstid og vende tilbage til kontaktsygeplejerskens telefon, inden de besvares.

Frivillige i kontrolgruppen rekrutteres blandt patienter, der er planlagt til operation i spinal anæsi af afdelingerne for ortopædi, urologi og gynækologi på Linköpings Universitetshospital. De orienteres om eventuel deltagelse i undersøgelsen mundtligt telefonisk eller hvis det ønskes i en ambulant konsultation med Dr. Rafael Holmgren foruden skriftlig information. Deltagerne i kontrolgruppen vil inden deres operation gennemgå en MR-undersøgelse med standardprotokol og syntetisk MR. Før spinal anæstesi indgives, udtages 10 ml lumbal CSF til analyse af den proteomiske profil, ligesom en blodprøve til samme formål.

Deltagende iNPH-patienter, der skal shuntes, vil dagen før operationen gennemgå en MR med modificeret standardprotokol og SyntheticMR; den nødvendige tid er omkring 45 minutter.

Patienterne gennemgår generel anæstesi dagen efter, og der foretages en lumbalpunktur, hvorefter der opsamles 10 ml cerebrospinalvæske. Samtidig udtages en blodprøve til proteomisk analyse. Patienten opereres med ventrikuloperitoneal shunting ved en standardprocedure af en af ​​tre kirurger (Dr. Rafael Holmgren, Dr. Peter Zsigmond eller Dr. Martin Nilsson ved NK). Patienterne modtager en Codman CERTAS PLUS shuntventil med en ud af to ventilindstillinger, der er blindet for operatøren, patienten og radiologiske efterforskere (indstillet af en anden kollega i overensstemmelse med randomisering): 4 (=110 mm H20, konventionel standardindstilling) eller 8 (> 400 mm H20 a k a "virtuel off"). Da de cerebrale ventrikler punkteres af kateteret, opsamles yderligere 10 ml CSF til proteomics her. Prøverne transporteres til proteomiklaboratoriet, centrifugeres, alikvoteres i små portioner, inden de fryses. De opbevares derefter i biobanken hos Arbejds- og miljømedicin på Linköpings Universitetshospital (registreret hos Socialstyrelsen). Hvert indkommende forsøgsperson får et unikt kodenummer, og alle reagensglas er mærket med dette nummer. Kodenøglen opbevares i et aflåst skab på Neurokirurgisk Afdeling i Linköping.

Cirka 36 timer (spændvidde 24-48 timer) efter operationen gennemgår patienten en ny MR-undersøgelse med SyntheticMR og efter denne undersøgelse kontrolleres ventilindstillingen med et læserkompas, der holdes over ventilen. De patienter, der i første omgang fik indstilling 8 af klappen, er nu indstillet til at modtage standardindstilling 4, medmindre de efter operationen har fået et subduralt hæmatom, som påvises i MR-undersøgelsen postoperativt. Patienten udskrives derefter til enten hjemmet eller det lokale hospital. Dermed vender alle patienter hjem med en fungerende shuntbehandling.

Patienterne kaldes tilbage til standardopfølgning for shuntede iNPH-patienter efter tre måneder til genbesøg hos kirurgen og foretager en klinisk undersøgelse/opfølgning af fysio- og ergoterapeut med samme protokol for de motoriske og kognitive tests. som før operationen. Patienterne gennemgår desuden en ny MR-undersøgelse med samme protokol som før operationen. Shuntventilindstillingen kontrolleres efter MR-scanningen for at bekræfte, at ventilindstillingen er den samme som før. Også shuntventilkammeret punkteres under sterile forhold med en lille nål for at opnå 10 ml CSF fra ventriklerne, og der tages også en blodprøve til proteomisk analyse.

Patienter kaldes tilbage til operationslægen et og tre år efter operationen til klinisk vurdering og ny punktering af shuntventilen og blodprøver med samme procedure som ved 3-måneders kontrol.

Alle shuntrelaterede komplikationer, herunder justeringer af shuntmodstanden i forbindelse med MR, registreres løbende.

CSF- og blodprøveassays udføres af professor Bijar Ghafouri ved Painomics lab med både massespektrometri og 2D-elektroforese for at identificere, adskille proteinerne og ELISA-teknikker for at karakterisere dem. Prøvens identitet er blindet for eksaminatoren.

MR-studier analyseres i en specifik software tilpasset til vurdering af volumener i undersøgelser lavet med både konventionel teknologi (ITK SNAP) og SyntheticMR-teknologi af Dr. Holmgren og Dr. Georgiopoulos. Patientens identitet og shunt-indstilling er blindet for eksaminatorerne såvel som tidspunktet for undersøgelsen.

STATISTISK GRUNDLAG FOR STØRRELSEN AF UNDERSØGELSESPOPULATIONEN

Et antal på 50 iNPH-patienter vurderes at være tilstrækkeligt til at svare på projektets erklærede mål. Dette skyldes, at studierne i proteomics på iNPH (af Chen et al og Li et al, se referencer) omfattede henholdsvis 18 og 15 patienter og opnåede klare statistisk signifikante resultater. Studierne af ventrikulært volumen beregnet med syntetisk MR efter lumbalpunktur og shunting af Virhammar et al omfattede henholdsvis 23 og 18 patienter og gav klare statistisk signifikante resultater. Antallet af neurologisk raske kontrolpersoner/frivillige i kontrolgruppen udgør 50 for at svare til antallet af INPH-patienter.