Biomarkers in Multiple Sclerosis: Special emphasis on melatonin and adipokines

Abstract

MS-taudin biomerkkianeet: melatoniinin ja adiposytokiinien yhteys taudinkuvaan

Multippeliskleroosi (MS) on krooninen tulehduksellinen keskushermostoa rappeuttava sairaus, jonka esiintyvyys Suomessa on maailman korkeimpia. MS-tauti puhkeaa 20–40 vuoden iässä ja se onkin yleisin nuorten aikuisten vakava neurologinen sairaus, josta aiheutuu merkittäviä kuluja yhteiskunnalle. Suomessa MS-potilaita on noin 7000 ja uusia tapauksia todetaan vuosittain noin 250. Taudin syntymekanismeissa on monimuotoisuutta ja vaihtelua potilaiden välillä. Näiden syntymekanismien selvittäminen parantaisi yksilöllisen hoidon edellytyksiä. Immunologiset hoidot ovat kehittyneet nopeasti viime vuosina, ja nykyään käytössä on useita valmisteita, mutta näiden vaikutusmekanismit, teho ja turvallisuusprofiilit vaihtelevat suuresti potilaiden välillä. Immunologisen hoidon nopea kehitys edellyttäisi biomerkkiaineiden löytymistä, joita voitaisiin hyödyntää MS-potilaiden yksilöllisemmän hoidon suunnittelussa.

MS-taudin syytä ei toistaiseksi tunneta, mutta perintö- ja ympäristötekijöiden tiedetään vaikuttavan taudin puhkeamiseen. Sitä esiintyy enemmän pohjoisilla leveysasteilla, joka johtunee auringonvalon vähyydestä ja siitä johtuvasta D-vitamiinin vähäisestä saannista talvisaikaan. Uusi mielenkiintoinen tutkimuskohde MS-taudissa on pimeähormoni melatoniini, jota eritetään käpylisäkkeestä yöaikaan ja sillä on osoitettu olevan useita immunomodulatorisia vasteita, jotka saattavat osaltaan vaikuttaa MS-taudin kulkuun. Lisäksi lapsuuden ja nuoruuden ylipainolla on nähty olevan yhteys MS-taudin riskiin. Tähän mennessä melatoniinin, lihavuuden ja rasvakudoksesta tuotettavien adiposytokiinien yhteyttä MS-tautiin ei juurikaan ole tutkittu. Nämä tekijät saattavat olla yhteydessä MS-taudin kehittymiseen, taudin kulkuun ja toimintakyvyn huononemiseen. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selvittää melatoniinin signalointireitin geenien, tunnetuimpien adiposytokiinien ja joidenkin uudempien immuunimolekyylien yhteyttä MS-tautiin ja niiden soveltuvuutta biomerkkiaineiksi. Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi yhden nukleotidin polymorfismia tutkittiin melatoniinin signalointireitin geeneissä. Adipokiineistä tutkittiin adiponektiinin, adipsiinin, leptiinin ja resistiinin pitoisuuksia verestä. Lisäksi tutkittiin CD26 ja CD30 immuunimolekyylien tasojen yhteyttä eri MS- tautityyppeihin sekä magneettikuvantamisella (MK) havaittuihin MS-muutoksiin.

Melatoniinin signalointireitin geenien yhteyttä MS-tautityyppeihin selvittävä tutkimus osoitti tryptofaanihydroksylaasi 2 (TPH2) ja Melatoniinireseptori 1B (MTNR1B) olivat yhteydessä progressiiviseen tautityyppiin, joka saattaa olla yhteydessä toimintakyvyn huononemiseen ja neurodegeneratiivisten muutosten kertymiseen. Adiposytokiineistä adipsiinillä todettiin olevan potentiaalia ennustaa neurologisen toimintakyvyn huononemista aaltomaista MS-tautia sairastavilla. CD26 ja CD30 molekyylien suurentuneet tasot MS-taudin eri alatyypeissä liittyvät Th1 ja Th2-tyypin immunologiseen dysregulaatioon. Tiivistäen on todettavissa, että tutkimuksen keskeisimmät ja uusimmat havainnot liittyvät melatoniinin ja adipsiinin merkitykseen MS-taudissa, mutta saatujen tulosten varmentaminen edellyttää lisätutkimuksia suuremmilla potilaskohorteilla sekä pidempää seuranta-aikaa.

Over the last decade, several immune molecules have been studied extensively in multiple sclerosis (MS) to identify the biomarkers that could potentially predict the neurological disability, disease activity, prognosis and therapeutic responses. However, there is very little or sparse knowledge on the role of melatonin and adipokines in MS disease. These molecules are closely related with etiological factors like sunlight and obesity that may influence the risk of the disease. The studies in this thesis were conducted to investigate whether melatonin pathway genes, major adipocytokines and some exploratory immune molecules are useful as biological markers of multiple sclerosis (MS). For this purpose the single nucleotide polymorphisms (SNPs) of melatonin pathway genes, the blood levels of major adipocytokines such as adiponectin, adipsin, leptin and resistin and soluble costimulatory molecules CD26 and CD30 molecules were analyzed in different MS subtypes and their association assessed with clinical measures and the volumes of focal MS-related changes on magnetic resonance imaging (MRI). It was also evaluated whether diffusion tensor imaging (DTI) indices in the normal-appearing white matter (NAWM) and deep gray matter (NADGM) along with clinical parameters are useful in elucidating the pathogenesis of MS. The study included patients with different subtypes of MS, clinically isolated syndrome (CIS) and healthy controls that underwent neurological, MRI, and immunological examinations.

The analyses of melatonin pathway genes in MS subtypes showed an overrepresentation of T allele carriers of a functional polymorphism (G-703T, rs4570625) in the promoter region of tryptophan hydroxylase-2 (TPH2) gene in the progressive MS subtypes. The haplotype rs4570625–rs10506645TT of TPH2 gene was associated with the risk of severe disability in primary progressive MS (PPMS), while haplotype rs4570625–rs10506645TC appeared to be protective against disability in secondary progressive MS (SPMS). In the melatonin receptor 1B (MTNR1B) gene, the haplotype rs10830963–rs4753426GC was associated with the risk of SPMS, whereas another haplotype rs10830963–rs4753426GT showed an association with the risk of PPMS. Studies on adipocytokines showed that in patients with relapsing-remitting MS (RRMS), the levels of adipsin correlated with Expanded Disability Status Scale score (EDSS) and the volumes of T1-weighted and fluid attenuation inversion recovery (FLAIR) lesions as well as the changes of T1-weighted lesion volumes over the follow-up period. In the study on co-stimulatory molecules, the increased levels of costimulatory molecules sCD26 and sCD30 were found in MS and clinically isolated syndrome (CIS). In DTI study, the level of neurological disability in relapsing remitting MS (RRMS) correlated with thalamic fractional anisotrophy (FA) values, but no predictive potential was found. In conclusion, the association of polymorphisms in the TPH2 and MTNR1B genes with the progressive subtypes of MS suggests dysregulation in melatonin pathway that may be involved in the accumulation of neurological disability and underlying neurodegeneration. Adipsin seems to exert predictive potential as a biomarker of neurological disability in RRMS. Elevated levels of sCD26 and sCD30 in MS are consistent with the dysregulation of Th1- and Th2-type immune responses in MS.

The information obtained provides new evidence especially for the roles of melatonin and adipsin in MS, but further studies with larger patient series and longer follow-up periods are needed to validate these promising data.