Volumetrikk og proteomikk i Shunted Normal Pressure Hydrocephalus (LiNPH)

BAKGRUNN OG SAMMENDRAG BESKRIVELSE AV PROSJEKTET

Idiopatisk normaltrykkshydrocephalus (=iNPH) er en tilstand med forstyrret cerebral dynamikk som gir symptomer i form av balanse- og gangforstyrrelser, inkontinens og kognitiv svikt hos pasienter med cerebral ventrikkelutvidelse. Tilstanden er mye mer vanlig enn det som er allment kjent med en prevalens som øker kraftig med alderen, fra 2,1 % i 70-årsalderen til 8,9 % i alderen over 80 år. Adams og Hakim beskrev sykdommen så tidlig som i 1965 basert på symptomatologi og reversibilitet av symptomer etter CSF-tapping. Det var imidlertid først i 2005 at det kom ut en sammenstilling av evidensbaserte retningslinjer for diagnostisering og behandling av sykdommen, iNPH International Guidelines. Det ble uttalt at det for tiden, i tillegg til CSF-tap-testen, ikke er noen pålitelig prediktiv test for en pasients sannsynlighet for å reagere på shunting. Det finnes flere ulike skalaer for å vurdere alvorlighetsgraden av sykdommen, en av dem er iNPH-skalaen, med underskalaene gang, balanse, nevropsykologi og kontinens.

Ved avdelingen for nevrokirurgi (NK) og nevrologisk (NL), Linköping universitetssykehus har det siden 2004 vært et velfungerende multiprofesjonelt team. Teamet undersøker og behandler iNPH med henvisninger fra den sørøstlige helseregionen i Sverige. Årlig mottas ca 250 henvisninger, 70-80 pasienter vurderes og minst 40 pasienter opereres med ventrikuloperitoneal shunting. Evalueringen består av første trinn av radiologiske undersøkelser, klinisk vurdering av nevrolog, etterfulgt av motorisk vurdering av fysioterapeut og kognitiv vurdering av ergoterapeut. CSF tap-tester utføres vanligvis der opptil 50 ml cerebrospinalvæske dreneres ved lumbalpunktur, som ved iNPH vanligvis lindrer symptomene. Vurdering inkluderer også videoopptak av bevegelsesmønsteret til en kvalitativ vurdering. Resultatene, sammen med radiologien, veies sammen og deretter teamet om pasienten skal tilbys behandling. Pasientene opereres med ventrikuloperitoneal shunting ved NK og følges opp ved NL med samme motoriske og kognitive tester tre måneder etter operasjonen, hvoretter resultatene evalueres. I større studier forbedres ca. 70 % av iNPH-pasientene som får en shunt postoperativt.

Shuntterapi er den eneste behandlingen av iNPH og har vært tilgjengelig siden 1950-tallet. Målet med behandlingen er å redusere mengden cerebrospinalvæske i ventrikkelsystemet og dermed normalisere volumet i ventrikkelsystemet. Siden begynnelsen av 1990-tallet er justerbare shuntventiler i økende grad brukt. Dette betyr at ventilen om nødvendig kan justeres etter implantasjon med en ekstern magnet påført ventilstedet. Ulempen med de fleste justerbare ventiler er at ventilinnstillingen kan justeres utilsiktet når den utsettes for sterke magnetiske felt, for eksempel hvis pasienten gjennomgår en magnetkameraundersøkelse. Justerbare ventiler gir imidlertid mange fordeler da motstanden kan tilpasses pasientens behov også etter operasjonen. For eksempel kan en av de vanligste komplikasjonene etter shunting (subduralt hematom) ofte behandles ved å øke klaffemotstanden. I 2015 introduserte selskapet Codman Johnson & Johnson en ny shuntventil, Certas Plus, som er en justerbar shunt med åtte forskjellige innstillinger. Ventilen er etablert i klinisk praksis. Spesielle egenskaper er den høyeste innstillingen (8) som er 40 cm H20, som er en meget høy motstand som i teorien skal tilsvare en avslått shunt og kalles av selskapet "virtuell av". Den er også designet for å være MR-resistent og endrer dermed ikke innstilling når den utsettes for et MR-magnetfelt. Disse funksjonene har så langt blitt testet in vitro, men ingen kliniske studier har ennå blitt utført. Fordelene med disse funksjonene er potensielt færre kirurgiske inngrep og døgnbehandling og gjør det også mulig for pasienter i Helseregion Sørøst å gjennomføre planlagte og akutte MR-undersøkelser på hjemmesykehuset uten å måtte gå til Nevrokirurgisk avdeling i Linköping for klaffejustering.

Ventrikkeldilatasjon er en radiologisk diagnose. Siden 1940-tallet har den største diameteren mellom sideventriklenes sidegrenser og den største biparietale diameteren på innsiden av hodeskallen blitt målt for å få den såkalte Evans-indeksen ved å dele de to og oppnå forholdet. Det er enkelt å måle men er en metode med mange feilkilder og dårlig følsomhet for volumendringer i ventrikkelsystemet. Det er behov for en mer pålitelig metode både i klinisk praksis og forskning. Volumetri, dvs. måling av ventriklenes volum, har blitt en stadig mer brukt metode som imidlertid ennå ikke har funnet sted i klinisk praksis på grunn av tidkrevende manuell beregning. Med MR-bilder som konverteres i en spesiell programvare (ITK-SNAP), kan volumet beregnes og et tredimensjonalt bilde av ventrikkelsystemet kan plottes. Noen få studier i litteraturen har studert sammenhengen mellom shuntventilmotstand og reduksjon i ventrikkelvolum. Det er ingen prospektive blindede studier som studerer endringen i ventrikkelvolum relatert til shuntterapi, shuntmotstand, og det er heller ingen studier på om det er en korrelasjon mellom ventrikkelvolumreduksjon og postoperativt klinisk utfall. En studiegruppe i Uppsala har nylig publisert en studie på shuntede iNPH-pasienter der en ny MR-teknologi utviklet i Linköping (SyntheticMR) tydelig kan vise hvordan ventrikulært volum avtar etter behandling uten å endre Evans' indeks. I samme studie var det også mulig å vise hvordan en annen parameter i ventriklene, den såkalte kallosalvinkelen, tydelig endres etter shunting. Dette er en del av en radiologisk vurderingsskala, Radscale, som kan brukes på denne pasientgruppen. Den samme forskergruppen har tidligere også kunnet vise med SyntheticMR hvordan ventrikkelvolumet avtar etter tap-tester på iNPH-pasienter for å bli gjenopprettet til original innen 24 timer. CMIV (=Center for Medical Imaging and Visualization) ved US Linköping har flere av Universitetssykehusets 3-Tesla MR-kameraer og god teknologisk og vitenskapelig kunnskap om SyntheticMR slik metoden utvikles der. Ved hjelp av en kort MR-protokoll (6 minutter) produserer den kvantitative data om tilstanden til hjernevevet, som gjør det enkelt å finne ut hva som er grå og hvit hjernestoff, hjernecellenes støtteprotein myelin samt cerebrospinalvæske og beregner volumet til hver komponent. Sekvenser med standardprotokoller for hydrocephalus, inkludert DTI (=Diffusion Tensor Imaging)-sekvenser, krever ytterligere 15-20 minutter i MR-kameraet. SyntheticMR kan også som den hittil eneste metoden enkelt beregne volumet av CSF som befinner seg utenfor ventriklene i basale sisterne og hjernesulci. Imidlertid har ingen så langt studert volumene av ekstracerebral CSF i den friske hjernen eller i iNPH. I tillegg har ingen studert hvordan dette volumet ekstracerebral CSF endres som respons på shunting.

Proteomet er samlenavnet på proteinene som en organisme eller et organ syntetiserer. Proteomet er ikke konstant, men varierer mellom ulike organer i samme organisme og i samme organ over tid og endring i den syke organismen eller organet. Proteomikk er vitenskapen om disse proteinene og kan brukes til å undersøke når og hvor visse proteiner kan finnes, konsentrasjoner av disse, hvordan de brytes ned, modifiseres og interagerer i ulike fysiologiske og sykdomsprosesser. Noen nevrologiske sykdommer har blitt karakterisert i deres proteomiske endringer, som essensiell skjelving og kroniske nevropatiske smerter, av medlemmene av vår for-forskningsgruppe. Proteomikken til cerebrospinalvæsken hos pasienter med iNPH er relativt uutforsket med bare tre studier i litteraturen. Disse har karakterisert noen få proteiner som skiller seg ut sammenlignet med hva som forventes i en sunn hjerne. Det er ikke utført sammenlignende studier mellom CSF tatt via lumbalpunksjon og cerebrospinalvæske fra ventriklene. Ved avdelingen for smerte- og rehabiliteringsmedisin ved Linköping universitetssykehus er det etablert et proteomikklaboratorium (PAINOMICS lab) med mange vitenskapelige publikasjoner. Standardmetodene som er tilgjengelige for proteomikkstudier er todimensjonal gelelektroforese (2D elektroforese) og massespektrometri (LC-MS/MS). Disse brukes til å analysere opptil tusen proteiner i én prøve og med antistoffbasert teknologi validere dem. Med antistoffbasert teknologi kan man også analysere opptil 86 cytokiner, kjemokiner, vekstfaktorer og metabolske stoffer i et såkalt multiplekspanel. Datasettene innhentet i proteomiske studier er komplekse. Disse datasettene er bygd opp av mange og svært korrelerte variabler (konsentrasjoner av proteiner). Man kan da sammenligne innholdsendringer av proteiner mellom pasienter med iNPH og kontroller etablerer en forskjell i "fingeravtrykk" til proteomet. Det er et stort behov for nye biomarkører som et supplement til dagens tilgjengelige metoder for å stille en sikker diagnose, vurdere sannsynligheten for at terapien vil lykkes og skape en dypere forståelse av patofysiologien til iNPH.

MÅL, VITENSKAPELIGE SPØRSMÅL OG STUDIER:

1. Evaluer og valider en klinisk nyttig metode for å overvåke ventrikkelvolumer med syntetisk MR. Sammenligning mot en etablert volumetrisk metode (ITK-SNAP) og for intra- og inter-assessor pålitelighet.
2. Kartlegg ventrikkelvolumer og mengde ekstracerebral intrakraniell CSF under normale fysiologiske tilstander hos friske kontrollpersoner og hos INPH-pasienter og beregn hvordan disse volumene endres etter shunting i INPH.
3. Undersøk hvordan volumendring og endring i volumetri og iNPH Radscale etter shunting korrelerer med klinisk utfall 3 måneder postoperativt.
4. Undersøk shuntventilen CERTAS PLUS for dens funksjon og sikkerhet for MR-motstand in vivo og korreler graden av reduksjon i ventrikkelvolum basert på motstanden til ventilen.
5. Kartlegg det proteomiske uttrykket av iNPH i CSF og blodplasma preoperativt og overvåk endring ved 3, 12 og 36 måneder etter ventrikuloperitoneal shunting.
6. Sammenlign hvordan proteomikken i CSF i iNPH skiller seg mellom lumbal og ventrikulær CSF og blodplasma. Undersøk om iNPH-pasientens lumbale CSF er forskjellig sammenlignet med en nevrologisk frisk kohortkontrollperson av lignende alder og pasienter med essensiell tremor.

PROSJEKTPLAN, IMPLEMENTERING OG UTVALG AV FORSKNINGSOBJEKTER:

Den svenske nasjonale etikprövningsnämnden (Etikprövningsmyndigheten), ref.nr 2020-0071920, har godkjent denne prosjektplanen.

Femti pasienter som har gjennomgått NPH-teamets undersøkelse og anses som egnet for shuntbehandling, rekrutteres fortløpende til studien.

En kontrollgruppe bestående av 50 frivillige personer over 60 år rekrutteres via operasjonsventelisten til avdelingene for ortopedi, urologi og gynekologi ved Linköpings universitetssykehus. Det vil bli rekruttert frivillige fra eldre pasienter som under planlagt ortopedisk/gynekologisk/urologisk kirurgi i spinalanestesi skal gjennomgå en lumbalpunksjon for påføring av anestesien. Frivillige vil preoperativt gjennomgå en MR-undersøkelse inkludert standardsekvenser samt SyntheticMR-protokoller for volumetri.

NPH-teamets preoperative utredning av iNPH-pasienter består av følgende undersøkelser: 1. Klinisk vurdering av nevrolog. 2. Balanse og evne til å gå vurderes av fysioterapeut. Tester inkluderer Timed Up and Go (TUG), antall skritt og tid samt gangskala, balanseskala og 10 m gange som en del av iNPH-skalaen. 3. En ergoterapeut vurderer de kognitive funksjonene og utfører følgende tester: MMSE (=Mini-Mental State Examination), Grooved pegboard, Rey Auditory Verbal Learning Test, Stroop fargenavning og Stroop interferens, Trail Making Test A og B. 4. Estimering av urininkontinens gjøres på urininkontinensskalaen. Alle vurderinger er kombinert i iNPH-skalaen.

En lumbalpunksjon med måling av intratekalt trykk, analyse av celler, protein, antistoffer mot borreliose og CSF tap-test er inkludert i grunnundersøkelsen. Pasientens sykehistorie, symptomer og resultater fra radiologi og CSF tap-test diskuteres i NPH-teamet for å avgjøre om pasienten anses som egnet for en shunt.

Pasienter som anbefales shunting av teamet og som ikke oppfyller studiens eksklusjonskriterier kalles til et poliklinisk besøk hos Dr Rafael Holmgren, informeres om tiltenkt operasjon og tilhørende risiko og tilbys studiedeltakelse etter muntlig og skriftlig informasjon. Pasientene får tilbud om betenkningstid og komme tilbake til kontaktsykepleiers telefon før de svarer.

Frivillige i kontrollgruppen rekrutteres blant pasienter som planlegges for operasjon i spinalanestesi av avdelingene for ortopedi, urologi og gynekologi ved Linköpings universitetssykehus. De blir informert om mulig deltakelse i studien muntlig per telefon eller om ønskelig under en poliklinisk konsultasjon med Dr Rafael Holmgren i tillegg til skriftlig informasjon. Deltakerne i kontrollgruppen vil før operasjonen gjennomgå en MR-undersøkelse med standard protokoll og syntetisk MR. Før spinalanestesi administreres, trekkes 10 ml lumbal CSF for analyse av den proteomiske profilen, i likhet med en blodprøve for samme formål.

Deltakende iNPH-pasienter som skal shuntes vil dagen før operasjonen gjennomgå en MR med modifisert standardprotokoll og SyntheticMR; tiden som kreves er ca. 45 minutter.

Pasientene gjennomgår generell anestesi dagen etter og det utføres en lumbalpunksjon, hvoretter 10 ml cerebrospinalvæske samles opp. Samtidig tas det også en blodprøve for proteomisk analyse. Pasienten opereres med ventrikuloperitoneal shunting etter en standard prosedyre av en av tre kirurger (Dr Rafael Holmgren, Dr Peter Zsigmond eller Dr Martin Nilsson ved NK). Pasienter får en Codman CERTAS PLUS shuntventil med én av to ventilinnstillinger blindet for operatøren, pasienten og radiologiske etterforskere (innstilt av en annen kollega i samsvar med randomisering): 4 (=110 mm H20 , konvensjonell standardinnstilling) eller 8 (> 400 mm H20 a k a "virtuell av"). Ettersom de cerebrale ventriklene punkteres av kateteret, samles ytterligere 10 ml CSF for proteomikk her. Prøvene transporteres til proteomikklaboratoriet, sentrifugeres, alikvoteres i små alikvoter før de fryses. De lagres deretter i biobanken hos Arbeids- og miljømedisin ved Linköpings universitetssykehus (registrert hos Socialstyrelsen). Hvert innkommende forsøksperson får et unikt kodenummer og alle reagensglass er merket med dette nummeret. Kodenøkkelen oppbevares i et låst skap ved Nevrokirurgisk avdeling i Linköping.

Omtrent 36 timer (intervall 24-48 timer) etter operasjonen gjennomgår pasienten en ny MR-undersøkelse med SyntheticMR og etter denne undersøkelsen kontrolleres ventilinnstillingen med et avleserkompass som holdes over ventilen. Pasientene som i utgangspunktet fikk innstilling 8 av klaffen er nå justert til å få standardinnstilling 4, med mindre de har fått et subduralt hematom etter operasjonen, som oppdages ved MR-undersøkelse postoperativt. Pasienten blir deretter skrevet ut til enten hjemmet eller det lokale sykehuset. Dermed kommer alle pasienter hjem med en fungerende shuntbehandling.

Pasientene kalles tilbake til standard oppfølging for shuntede iNPH-pasienter etter tre måneder for gjenbesøk til kirurg og gjennomfører klinisk undersøkelse/oppfølging av fysioterapeut og ergoterapeut med samme protokoll for de motoriske og kognitive testene. som før operasjonen. Pasientene gjennomgår også en ny MR-undersøkelse med samme protokoll som før operasjonen. Shuntventilinnstillingen kontrolleres etter MR for å bekrefte at ventilinnstillingen er den samme som før. Dessuten blir shuntventilkammeret punktert under sterile forhold med en liten nål for å oppnå 10 ml CSF fra ventriklene og en blodprøve tas også for proteomisk analyse.

Pasienter kalles tilbake til operasjonslege ett og tre år etter operasjonen for klinisk vurdering og ny punktering av shuntklaffen og blodprøver med samme prosedyre som ved 3-månederskontrollen.

Alle shuntrelaterte komplikasjoner, inkludert justeringer av shuntmotstanden i forbindelse med MR, registreres fortløpende.

CSF- og blodprøveanalyser utføres av professor Bijar Ghafouri ved Painomics lab med både massespektrometri og 2D-elektroforese for å identifisere, separere proteinene og ELISA-teknikker for å karakterisere dem. Identiteten til prøven er blindet for undersøkeren.

MR-studier analyseres i en spesifikk programvare tilpasset for vurdering av volumer i studier gjort med både konvensjonell teknologi (ITK SNAP) og SyntheticMR-teknologi av Dr Holmgren og Dr. Georgiopoulos. Pasientens identitet og shuntinnstilling er blindet for undersøkerne samt tidspunktet for studien.

STATISTISK GRUNNLAG FOR STØRRELSEN PÅ STUDIEBEFOLKNINGEN

Et antall på femti iNPH-pasienter vurderes tilstrekkelig til å svare på prosjektets uttalte mål. Dette er fordi studiene i proteomikk ved iNPH (av Chen et al og Li et al, se referanser) inkluderte henholdsvis 18 og 15 pasienter og fikk klare statistisk signifikante resultater. Studiene på ventrikkelvolum beregnet med Syntetisk MR etter lumbalpunksjon og shunting av Virhammar et al inkluderte henholdsvis 23 og 18 pasienter og ga klare statistisk signifikante resultater. Antall nevrologisk friske kontrollpersoner/frivillige i kontrollgruppen utgjør 50 for å tilsvare antallet INPH-pasienter.