Neurofilament biomarker in Multiple Sclerosis / Neurofilamento biomarcador en Esclerosis Múltiple

Green colour shows the
neurofilament as an internal
 protein of the nerve.
Red = glial cells

There is a strong need for soluble, quantitative biomarkers that could provide an early indication of neurodegeneration and response to therapies in MS.

Neurofilament proteins have been established as one of the most reliable body fluid biomarkers for neurodegeneration in multiple sclerosis.  One key feature is that neurofilaments are specific for neurons and axons. Axonal loss is present in early disease stages and likely represents the pathological substrate of permanent disability in MS. Neurofilaments (Nfs) are the structural scaffolding proteins of neurons, axons, and dendrites and are composed of light (NfL), medium and heavy (NfH) chain subunits, α-internexin, and peripherin within the peripheral nervous system. Due to their abundance and specificity for neurons, Nfs are markers of neuronal injury.

Recent literature reviews consistently showed that elevated body fluid neurofilament protein levels are a poor prognostic sign as with greater inflammation, more gadolinium-enhancing (Gd+) lesions, greater T2 lesion volume, and higher rates of brain atrophy and relapse.

Noteworthy, CSF NfL levels have also been shown to be a marker of treatment response in this disease. However, lumbar punctures are relatively invasive procedures, limiting the value of CSF NfL in routine clinical settings.

The following  study had several aims:

• to obtain a pilot estimate of the distribution of sNfL concentrations in healthy controls (HC) and to investigate the potential influence of age and gender
• to compare paired sNfL and CSF NfL levels in MS patients
• to investigate the association between sNfL and number of T2 and contrast enhancing lesions in brain and spinal cord
• to investigate the association between sNfL and clinical features including occurrence of relapses, worsening of disability and treatment status
• to test whether elevated sNfL levels can predict later disease activity and disability worsening.

Ann Neurol. 2017 May 16. doi: 10.1002/ana.24954. [Epub ahead of print]

Serum neurofilament light: A biomarker of neuronal damage in multiple sclerosis.

Disanto G, Barro C, Benkert P, Naegelin Y, Schädelin S, Giardiello A, Zecca C, Blennow K, Zetterberg H, Leppert D, Kappos L, Gobbi C, Kuhle J; Swiss MS Cohort Study (SMSC) Group.

Abstract

OBJECTIVE: 

Neurofilament light chains (NfL) are unique to neuronal cells, are shed to the CSF and are detectable at low concentrations in peripheral blood. Various diseases causing neuronal damage have resulted in elevated CSF concentrations. We explored the value of an ultrasensitive single-molecule array (Simoa) serum NfL (sNfL) assay in MS.

METHODS: 

sNfL levels were measured in healthy controls (HC, n=254) and two independent MS cohorts: (1) cross-sectional with paired serum and CSF samples (n=142); (2) longitudinal with repeated serum sampling (n=246, median (IQR) follow-up 3.1 (2.0-4.0) years). We assessed their relation to concurrent clinical, imaging and treatment parameters and to future clinical outcomes.

RESULTS: 

sNfL levels were higher in both MS cohorts than in HC (p<0.001). We found a strong association between CSF NfL and sNfL (β=0.589, p<0.001). Patients with either brain or spinal (43.4 (25.2-65.3) pg/ml) or both brain and spinal gadolinium enhancing lesions (62.5 (42.7-71.4) pg/ml) had higher sNfL than those without (29.6 (20.9-41.8) pg/ml; β=1.461, p=0.005 and β=1.902, p=0.002 respectively). sNfL was independently associated with EDSS assessments (β=1.105, p<0.001) and presence of relapses (β=1.430, p<0.001). sNfL levels were lower under disease modifying treatment (β=0.818, p=0.003). Patients with sNfL levels above the 80th , 90th , 95th , 97.5th and 99th HC based percentiles had higher risk of relapses (97.5th percentile: IRR=1.94, 95%CI=1.21-3.10, p=0.006) and EDSS worsening (97.5th percentile: OR=2.41, 95%CI=1.07-5.42, p=0.034).

INTERPRETATION: 

These results support the value of sNfL as a sensitive and clinically meaningful blood biomarker to monitor tissue damage and the effects of therapies in MS.

sNfL: serum neurofilament light chain; CI: confidence interval; F: female; M: male; CIS: clinically isolated syndrome; RRMS: relapsing-remitting multiple sclerosis; PPMS: primary progressive multiple sclerosis; SPMS: secondary progressive multiple sclerosis; EDSS: Expanded Disability Status Scale; DMT: disease modifying treatment. The number of samples for each variable is indicated within brackets (e.g. number of samples collected in patients being under treatment at time of sampling = 557, number of samples collected in patients being untreated at time of sampling = 162). Information on age, gender, EDSS, disease course, recent relapses, and DMT treatment was available for 719 (100%) sampling time points. No data were available for preceding EDSS scores at 53 (7.4%) sampling time points

• NfL can be reliably measured in serum using the Simoa technology, even at very low concentrations (down to a few pg/ml)
• not observe a difference in sNfL between genders
• The tight positive association between CSF and sNfL levels, highlights that serum levels closely reflect NfL release within the CNS as already indicated by previous studies
• Increased sNfL levels reflect ongoing neuronal damage irrespective of the underlying pathogenic mechanism in MS.
• They  found gradually increased sNfL levels in patients with higher brain T2 and GE lesion counts. A similar significant association was found between sNfL and presence of spinal GE lesions and was most pronounced when GE lesions were present in both brain and spinal cord.
• In addition to age, both presence of a recent relapse and disability as measured by the EDSS were positively and independently associated with sNfL
• sNfL levels were significantly lower in DMT treated as compared to untreated patients, independently of all other variables. In CIS/RRMS patients the decrease in sNfL levels correlated inversely with longer time since start of DMTs independent of recent relapses. Notably, treatment effects on CSF NfL levels have already been shown for fingolimod, natalizumab and rituximab in MS patients
• Patients with sNfL levels above different HC based percentiles had considerably higher risk of having experienced a recent relapse or EDSS worsening.

ESPAÑOL 

Existe una gran necesidad de biomarcadores solubles y cuantitativos que podrían proporcionar una indicación temprana de neurodegeneración y respuesta a terapias en la EM.

Las proteínas del neurofilamento se han establecido como uno de los biomarcadores fluidos corporales más confiables para la neurodegeneración en esclerosis múltiple. Una característica clave es que los neurofilamentos son específicos para neuronas y axones. La pérdida axonal está presente en las etapas tempranas de la enfermedad y probablemente representa el sustrato patológico de la discapacidad permanente en la EM. Los neurofilamentos (NFS) son las proteínas de andamiaje estructural de las neuronas, axones y dendritas y están compuestas de subunidades ligeras (NfL), de cadena media y pesada (NfH), de α-internexina y de periferina dentro del sistema nervioso periférico. Debido a su abundancia y especificidad para las neuronas, Nfs son marcadores de lesión neuronal.

Las revisiones recientes de la literatura demostraron consistentemente que los niveles elevados de neurofilamento son un signo de mal pronóstico asi como de mayor inflamación, más lesiones que realzan con gadolinio (Gd +), mayor volumen de lesión T2 y mayores tasas de atrofia cerebral y recaída.

Cabe destacar que los niveles de NfL del LCR también han demostrado ser un marcador de la respuesta al tratamiento en esta enfermedad. Sin embargo, las punciones lumbares son procedimientos relativamente invasivos, limitando el valor del NfL del LCR en la configuración rutina clínica diaria.

El siguiente estudio tenía varios objetivos:

• Para obtener una estimación piloto de la distribución de concentraciones de sNfL en controles sanos (HC) e investigar la influencia potencial de la edad y el género.
• Comparar los niveles  de sNfL y LCR NfL en pacientes con EM
• Para investigar la asociación entre sNfL y el número de lesiones T2 y GD+  en el cerebro y la médula espinal
• Para investigar la asociación entre sNfL y características clínicas incluyendo la aparición de recaídas, el deterioro  de la discapacidad y el estado del tratamiento.
• Para evaluar si los niveles elevados de sNfL pueden predecir la actividad de la enfermedad y el deterioro de la discapacidad.

Ann Neurol. 2017 May 16. doi: 10.1002/ana.24954. [Epub ahead of print]

neurofilamento de cadena ligera  serico  : Un biomarcador del daño neuronal en esclerosis múltiple

Disanto G, Barro C, Benkert P, Naegelin Y, Schädelin S, Giardiello A, Zecca C, Blennow K, Zetterberg H, Leppert D, Kappos L, Gobbi C, Kuhle J; Swiss MS Cohort Study (SMSC) Group.

Abstract

OBJECTIVO: 

Las cadenas ligeras de Neurofilamento (NfL) son únicas para las células neuronales, se desprenden del LCR y son detectables a bajas concentraciones en la sangre periférica. Varias enfermedades que causan daño neuronal han dado lugar a elevadas concentraciones de LCR. Se exploró el valor de un ultrasensible única molécula matriz (Simoa) suero NfL (sNfL) en el ensayo MS.

METHODS: 

SNfL se midieron en controles sanos (HC, n = 254) y dos cohortes independientes de MS: (1) de corte transversal con muestras de suero y CSF emparejadas (n = 142); (2) longitudinal con muestreo sérico repetido (n = 246, seguimiento mediano (IQR) 3,1 (2,0-4,0) años). Evaluamos su relación con los parámetros clínicos, de imágenes y de tratamiento concurrentes y con los resultados clínicos futuros.

RESULTS: 

los niveles de SNfL fueron más altos en ambas cohortes de MS que en HC (p <0,001). Se encontró una fuerte asociación entre CSF NfL y sNfL (β = 0,589, p <0,001). Los pacientes con lesiones cerebrales o raquídeas (62.4 ± 42.7 ± 71.4) pg / ml) presentaron una concentración sNfL mayor que aquellos sin (29.6 ± 20.9-41.8) pg / Ml; β = 1,461, p = 0,005 y β = 1,902, p = 0,002, respectivamente). SNfL se asoció independientemente con las evaluaciones EDSS (β = 1.105, p <0.001) y la presencia de recaídas (β = 1.430, p <0.001). Los niveles sNfL fueron menores bajo el tratamiento modificador de la enfermedad (β = 0,818, p = 0,003). Los pacientes con niveles sNfL por encima de los percentiles basados en 80, 90, 95, 97, 5 y 99 tenían un mayor riesgo de recaídas (97,5 percentil: IRR = 1,94, IC 95% = 1,21-3,10, p = 0,006) y empeoramiento EDSS (97,5 Percentil: OR = 2,41, IC del 95% = 1,07 - 5,42, p = 0,034).

INTERPRETATION: 

Estos resultados apoyan el valor de sNfL como un biomarcador de sangre sensible y clínicamente significativo para monitorear el daño tisular y los efectos de las terapias en la EM.

• El NfL se puede medir de forma fiable en suero utilizando la tecnología Simoa, incluso a concentraciones muy bajas (hasta unos pocos pg / ml).
• No observa una diferencia en sNfL entre géneros. 
• La estrecha asociación positiva entre los niveles de LCR y sNfL, destaca que los niveles séricos reflejan estrechamente la liberación de NfL dentro del SNC como ya se indicó en estudios previos.
• Que el aumento de los niveles de sNfL reflejan daños neuronales en curso independientemente del mecanismo patógeno subyacente en la EM.
• Se encontro con mayor nivel el  sNfL en pacientes con mayor cerebro numero de lesiones en  T2 y GD+ . Una asociación significativa similar se encontró entre sNfL y la presencia de lesiones de la medula espinal   y fue más pronunciada cuando las lesiones GD+ estaban presentes en el cerebro y la médula espinal.
• Además de la edad, tanto la presencia de una recaída reciente y la discapacidad, medida por el EDSS se asociaron de forma positiva e independiente con sNfL. 
• SNfL niveles fueron significativamente más bajos en pacientes tratados con DMT  en comparación con los pacientes no tratados, independientemente de todas las demás variables. En los pacientes CIS / RRMS la disminución en los niveles de sNfL se correlacionó inversamente con el tiempo más largo desde el inicio de DMTs independiente de las recaídas recientes. Cabe destacar que los efectos del tratamiento sobre los niveles de NfL en el LCR ya han sido demostrados para el fingolimod, natalizumab y rituximab en pacientes con EM.
• Los pacientes con niveles de sNfL por encima de diferentes percentiles basados ​​en HC tenían un riesgo considerablemente mayor de haber experimentado una recaída reciente o empeoramiento de EDSS.