Biomarkers for Progressive Multifocal Leukoencephalopathy Risk Assessment and Disease Activity in Multiple Sclerosis

Abstract

Multippeliskleroosia (MS) voidaan hoitaa useilla eri taudin kulkua muuntavilla lääkkeillä, mutta taudin kliinisen ja patofysiologisen monimuotoisuuden vuoksi yksittäisen potilaan hoitovasteiden arviointi eri lääkeaineille on haastavaa. Kliinisesti luotettavia ja sensitiivisiä biomerkkiaineita kaivataan hoitovasteiden arviointiin. Nykytilanteessa MS-potilaita hoidetaan entistä tehokkaimmilla lääkkeillä, kuten natalizumabilla, mutta niiden pitkäaikainen käyttö lisää progressiivisen multifokaalisen leukoenkefelopatian (PML) riskiä. PML on keskushermoston fataali demyelinisoiva lyyttinen infektio, joka on seurausta neurotrooppisen JC-viruksen reaktivaatiosta. MSpotilaiden hoidon yksilöllisessä suunnittelussa on otettava huomioon PML:n riski, joka on kohonnut erityisesti natalizumab-hoidetuilla potilailla, mutta myös muiden tehokkaiden lääkeaineiden on osoitettu lisäävän riskiä tälle taudille. Tällä hetkellä kliinisessä käytössä ei ole vakiintunutta biomerkkiainetta, joka ennustaisi PML-taudin kehittymisen riskiä ja myöskään nykykäytäntöjen mukaan stratifikaatioparametrit eivät ole tarpeeksi sensitiivisiä tunnistamaan korkean riskin MS-potilaita natalizumab-hoidettujen joukosta. Väitöskirjan tavoitteena oli löytää biomerkkiaine, joka tunnistaisi PML:n riskin natalizumab-hoidetuilla potilailla.

Väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin liukoisen L-selektiinin ja JC-virus-mikro- RNA:iden (miRNA) ilmentymistä relapsoivaa-remittoivaa MS-tautia sairastavilta selvittääksemme niiden biomerkkiainepotentiaalia ennustaa PML-taudin riskiä. Tulokset osoittivat, että liukoinen L-selektiini korreloi positiivisesti JCPyV-vastaainetasojen kanssa ja erityisesti L-selektiinitasot olivat korkeammat niillä potilailla, jotka voitiin luokitella korkean riskin potilaiksi. Tulokset viittaavat siihen, että liukoista Lselektiiniä voitaisiin käyttää biomerkkiaineena PML-taudin kehittymisen riskin arvioinnissa. JCPyV miRNA tutkimuksessa havaittiin miRNA-J1-5p tasojen olevan matalammalla tasolla natalizumab-hoidetuilla MS-potilailla ja tasojen olevan yhteydessä JCPyVseropositiivisuuteen, joka mahdollisesti liittyy JC-viruksen reaktivaatioon. Tulokset osoittivat, että miRNA-J1-5p miRNA on uusi potentiaalinen biomerkkiaine JCPyV:n riskin arvioinnissa. Lisäksi JCPyV:lle seronegatiivisilta potilailta löytyi JCPyV-miRNA:ta, joka viittaa nykyisen JCPyV-vasta-aineiden ELISA- määritysmenetelmän johtavan osittain vääriin negatiivisiin tuloksiin.

Väitöskirjan toisena tavoitteena oli löytää taudin aktiivisuuden biomerkkiaineita, joiden avulla voitaisiin erotella aggressiivista ja benigniä tautimuotoa sairastavat potilaat käyttäen mittareina relapsien lukumäärää, neurologisen disabiliteetin kertymistä ja MRI:llä mitattua aktiivisuutta. Kohonneet seerumin CD26- ja CD30- tasot MS-taudissa viittasivat molekyyleillä olevan biomerkkiainepotentiaalia ja niiden assosioituvan inaktiiviseen ja stabiiliin taudinkulkuun. Lisäksi seerumin CD30-tasot olivat koholla immunomoduloivia lääkeaineita käyttävillä potilailla ja ne korreloituivat IL-10 tasojen kanssa, joka viittaa immunoregulatorisiin tehtäviin MS- taudissa. Taudin aktiivisuusmerkkiaineista tutkittiin myös kolmen kostimulaattorimolekyylin (DR3, DcR3 ja TL1A:n) ilmentymistä geenitasolla veren mononukleaarisista soluista MSpotilailla, jossa havaittiin TL1A:n olevan yhteydessä tulehdukselliseen aktiivisuuteen ja vammautumisen kertymiseen. Tutkimuksessa havaittiin lisäksi TL1A:n tasot olivat yhteydessä stabiiliin tautimuotoon ja assosioituvan immunomoduloivilla lääkkeillä hoidettavien potilaiden hyvään hoitovasteeseen. Tässä väitöskirjatyössä tehtyjen löydösten varmentaminen kliiniseen käyttöön edellyttää lisätutkimuksia, käyttäen suurempia aineistoja.

Currently several disease-modifying therapies (DMTs) are available for the treatment of MS, but due to clinical and pathophysiological complexities of this disease, the evaluation of its prognosis and therapeutic response is difficult. Moreover, reliable and sensitive biomarkers for use in clinical practice are still lacking. In spite of efficacy of new treatments, the long-term use of highly effective MS therapies such as natalizumab (NTZ) has been associated with the potential of developing progressive multifocal leukoencephalopathy (PML). PML is a fatal demyelinating lytic infection of the CNS caused by the reactivation of latent neurotropic virus called JC polyomavirus (JCPyV).

Currently, the risk of PML has become a major challenge in the treatment of MS, because in addition to NTZ, also other effective MS therapies were reported to carry the PML risk. Since there are no clearly established biomarkers available to predict the PML risk, and currently used risk stratification parameters are not sensitive enough to rule out the complete risk of PML, one of the main aim of this thesis was to find the biomarker to identify the PML risk in individual MS patient under NTZ therapy. In this thesis, soluble (s) L-selectin and JC virus miRNAs were analysed in relapsing-remitting MS (RRMS) patients to assess their biomarker potential in predicting the risk of PML. The results from the sL-selectin study showed a positive correlation between sLselectin and anti-JCPyV-antibody levels and most importantly sL-selectin level was found to be higher in those patients who were considered to have a high risk for PML compared to patients with low risk. Based on these data sL-selectin could be used for the assessment of PML risk in MS patients treated with NTZ. The JCPyV miRNA study detected reduced levels of 5p miRNA among NTZ-treated MS patients and an association with JCPyV seropositivity, suggesting a possible involvement of these miRNAs in support of JCPyV reactivation. Thus, these results suggested that miRNAJ1- 5p can be a potential new marker for the NTZ-associated PML risk assessment in MS patients. In addition, observation of the high level of miRNA prevalence also in JCPyV seronegative patients suggested that the ELISA test currently used for the detection of anti-JCPyV antibody may be less sensitive than miRNA detection to reveal earlier acquired JCPyV infection.

The other main aim of this thesis was to identify the biomarkers of MS disease activity and to distinguish between patients with benign or aggressive disease course based on the presence of clinical activity as measured by the number of relapses, neurological disability scores, and MRI disease activity. In the study of costimulatory molecules, increased levels of sCD26 and sCD30 in MS suggested the potential of these molecules as biomarkers consistent with relatively inactive or stable disease activity. Moreover, sCD30 molecule was considered as a marker of regulatory immune response due to its positive correlation with an anti-inflammatory cytokine IL-10, and increased levels of sCD30 in RRMS patients treated with DMTs compared with untreated patients. Gene expression study for DR3, DcR3 and TL1A in PBMC obtained from MS patients, displayed TL1A as a candidate biomarker for reflecting inflammatory activity in MS and predicting disability progression. Our findings further illustrated that TL1A may hold the ability to reflect ongoing stable disease course and as well as the marker of therapeutic response to immunomodulatory treatment in MS. However, additional studies including a larger sample size are needed to evaluate the clinical relevance of these findings.