Multiple skleroz hastalığında nükleer manyetik rezonans tabanlı metabolomik profilleme
Nuclear magnetic resonance-based metabolomic profiling in multiple sclerosis disease
Yazar: GÜLLÜ TARHAN
Danışman: PROF. DR. SAİME FÜSUN DOMAÇ ; PROF. DR. ŞAHABETTİN SELEK
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / İstanbul Erenköy Ruh ve Sinir Hastalıkları Eğitim ve Araştırma Hastanesi / Nöroloji Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2024
Konu: Nöroloji = Neurology

Özet:
Giriş ve Amaç

 Multiple Skleroz (MS) inflamasyon, miyelin kaybı ve akson hasarı ile ortaya çıkan otoimmün bir santral sinir sistemi (SSS) hastalığıdır. MS'in tanısı klinik olup, radyolojik ve laboratuvar bulgularla desteklenir. Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG)'nin yaygınlaşması, hastalığın tanısında yardımcı olmanın yanı sıra, klinik şikayetlerle uyumsuz olarak rastlantısal olarak saptanan değişikliklerin oluşturduğu kafa karışıklığını da beraberinde getirmiştir. Bu nedenlerden dolayı Radyolojik İzole Sendrom (RİS), kavramı ortaya çıkmıştır. RİS, klinik olarak MS belirtileri göstermeyen ancak MS şüphesi uyandıran anormalliklerle karakterize edilir. RİS, henüz MS olarak kabul edilmemekle birlikte, 3'te biri 5 yılda MS'e dönüştüğü için bu hastalarda klinik ve radyolojik takip önerilmektedir.
 Bu çalışmada, MS veya RİS ön tanısı ile izlenen ve henüz herhangi bir tedavi almamış hastalar ile sağlıklı  kontrollerin vücut sıvılarının metabolomik profillemesi yapılmıştır. Bu amaçla, hasta gruplarının metabolomik profilleri kendi içlerinde ve sağlıklı kontrollerle karşılaştırılarak, hastalığın erken tanısına katkı sağlanması hedeflenmiştir.

Yöntem

 Bu çalışmada, 63 hasta (30 RİS, 33 MS) ve 29 sağlıklı kontrolün vücut sıvıları kullanılmıştır. Hasta grubundan beyin-omurilik sıvısı (BOS), serum ve idrar örnekleri; sağlıklı gruptan kan ve idrar örnekleri toplanmıştır. Vücut sıvılarının metabolomik profilleri Nükleer Manyetik Rezonans spektroskopisi (NMRS) kullanılarak oluşturulmuştur. NMRS yoğunluk verileri, MetaboAnalyst R paketi kullanılarak otomatik ölçeklendirme ve log dönüşümü sonrası çok değişkenli istatistikler ile MS, RİS ve sağlıklı kontrollü kişilerin vücut sıvılarının yoğunlukları, yolak bozuklukları ve hastalık zenginleştirme analizleri uygulanarak karşılaştırılmıştır. 

Bulgular

 BOS analizinde, MS grubunda RİS grubuna göre laktat, kreatin fosfat ve pirüvat seviyelerinin; serumda S-sülfosistein ve agmatin seviyeleri  istatiksel olarak anlamlı yüksek bulunmuştur (p≤ 0.05). İdrar metabolitlerinin MS-RİS karşılaştırmasında ise MS grubunda artanlar: kreatin, sistin, 2-aminobutirat, askorbik asit; RİS grubunda artanlar: 3-hidroksibutirat, 2-oksobutirat, izolösin, guanidi-nosüksinat olarak saptanmıştır (p≤ 0.05). Tüm vücut sıvılarında yapılan Temel Bileşenler Analizi (PCA) ve Kısmi En Küçük Kareler Regresyon Analizi (PLS-DA), MS;RİS ve kontrol gruplarını yeterince ayıramamıştır. Ancak, grafiklerde hasta ve kontrol ayrımının daha net, MS ve RİS ayrımının ise daha belirsiz olduğu dikkat çekmiştir. RİS grubunun BOS sonuçları üzerinde yapılan Zenginleştirme Analizi (insan çalışmalarıyla toplanmış ~13,000 metabolit seti ile karşılaştırma), MS hastalığı ile yüksek derecede uyumlu olduğu bulunmuştur (Zenginleştirme oranı = 1.8). Serum ve idrar için birbiri ile ilişkisiz birkaç hastalık zenginleştirme oranı gözükse de (Zenginleştirme oranı >1.5) anlamlı ilişki kuracak bir hastalık korelasyonu bulunmamıştır.

Sonuç

  MS ve metabolik çalışmalar konusunda, bu çalışma ve literatür genellikle örtüşen sonuçlar ortaya koysa da, her bir vücut sıvısında öne çıkan metabolitlerde farklılıklar göstermektedir. Bu çalışma MS ve RİS hastalarında oksidatif stres mücadelesinde azalma, artmış protein yıkımı, amino asit ve enerji metabolizmasındaki değişiklikler ve hücresel sinyalizasyonun mekanizmalarında bozulmalar olduğunu göstermektedir. Burada elde edilen bulgular, başka bir ayrımı vurgulamaktadır. Metabolomik profil çıkarma yöntemlerinde tek bir biyobelirtecin öne çıkmasını beklemek yerine, hastanın genel sonuçlarının topluca değerlendirilerek kapsamlı bir analiz yapılmasının önemi ortaya çıkmaktadır. RİS hastalarının bulgularının MS ile tutarlı olması, NMRS tekniği ve metabolomik profillemenin, özellikle BOS için, MS tanı kriterlerinde yaygın olarak benimsenmesi ve kullanılması gerektiğini göstermektedir. Ayrıca, bu çalışma RİS hastalarının MS' in bir alt türü olduğuna dair laboratuvar kanıtları sunmaktadır.

Abstract:
Introduction and Aim

  Multiple Sclerosis (MS) is an autoimmune disease of the central nervous system (CNS) characterized by inflammation, myelin loss, and axonal damage. The diagnosis of MS is clinical and is supported by radiological and laboratory findings. The widespread use of Magnetic Resonance Imaging (MRI) has not only aided in the diagnosis of the disease but has also introduced confusion due to incidental findings that are inconsistent with clinical complaints. For these reasons, the concept of Radiologically Isolated Syndrome (RIS) has emerged. RIS is characterized by abnormalities suggestive of MS but without clinical symptoms. Although RIS is not yet considered MS, it is recommended that these patients undergo clinical and radiological follow-up, as one-third of them may progress to MS within five years.
 In this study, the metabolomic profiling of body fluids from patients monitored with a preliminary diagnosis of MS or RIS, who have not yet received any treatment, and healthy controls was conducted. The objective was to compare the metabolomic profiles of the patient groups both among themselves and with healthy controls, aiming to contribute to the early diagnosis of the disease.

Method

 In this study, body fluids from 63 patients (30 RIS, 33 MS) and 29 healthy controls were used. Cerebrospinal fluid (CSF), serum, and urine samples were collected from the patient group, while blood and urine samples were collected from the healthy group. The metabolomic profiles of the body fluids were generated using Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMRS). NMRS intensity data were analyzed using the MetaboAnalyst R package, with autoscaling and log transformation, followed by multivariate statistics. The intensity data of body fluids from individuals with MS, RIS, and healthy controls were compared, and pathway disturbances and disease enrichment analyses were conducted.

Results

 In the CSF analysis, levels of lactate, creatine phosphate, and pyruvate were found to be significantly higher in the MS group compared to the RIS group (p ≤ 0.05). In the serum, levels of S-sulfocysteine and agmatine were significantly elevated in the MS group (p ≤ 0.05). When comparing urine metabolites between the MS and RIS groups, creatine, cystine, 2-aminobutyrate, and ascorbic acid were found to be increased in the MS group, while 3-hydroxybutyrate, 2-oxobutyrate, isoleucine, and guanidinosuccinate were higher in the RIS group (p ≤ 0.05). Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS-DA) performed on all body fluids did not sufficiently separate the MS, RIS, and control groups. However, the separation between patient and control groups was more distinct, while the distinction between MS and RIS groups was less clear in the graphs. Enrichment Analysis performed on the CSF results of the RIS group (compared with ~13,000 metabolite sets from human studies) showed a high degree of compatibility with MS disease (Enrichment ratio = 1.8). Although several unrelated disease enrichment ratios were observed for serum and urine (Enrichment ratio > 1.5), no significant disease correlation could be established.

Conclusion

 Although this study and the literature generally present overlapping results in MS and metabolic studies, there are differences in the prominent metabolites in each body fluid. This study demonstrates that MS and RIS patients exhibit reduced oxidative stress response, increased protein degradation, changes in amino acid and energy metabolism, and disruptions in cellular signaling mechanisms. The findings underscore another distinction: instead of expecting a single biomarker to stand out in metabolomic profiling methods, it is crucial to conduct a comprehensive analysis by collectively evaluating the patient's overall results. The consistency of RIS patient findings with MS suggests that the NMRS technique and metabolomic profiling, especially for CSF, should be widely adopted and utilized in MS diagnostic criteria. Additionally, this study provides laboratory evidence that RIS patients might be a subtype of MS.