The pathogenic Role of plasma Gelsolin in sporadic Amyotrophic Lateral Sclerosis

Abstract

Background & Objective: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common incurable motor neuron disease with a poor prognosis. It progresses rapidly, and the pathology spreads sequentially. Typical pathological mechanisms include excitotoxicity, abnormal protein aggregation, excessive oxidative stress, and neuroinflammatory reactions, but there are currently no effective treatments for ALS. The diagnosis of ALS is mainly based on clinical criteria, but because the clinical features are heterogeneous, numerous efforts have been made to develop reliable diagnostic or prognostic biomarkers. Recent studies revealed the level of plasma Gelsolin (pGSN) changes in immune-inflammatory reactions, acute or chronic nervous system disorders, and neurodegenerative diseases. This study aimed to evaluate the discriminatory power of pGSN between ALS patients and healthy controls (HC) and their prognostic potential. In addition, the significance of pGSN was compared to the level of plasma Neurofilament light chain (pNfL). Also, we analyzed the correlation between the level of pGSN or pNfL and inflammatory cytokines in CSF. Methods: Blood and CSF samples of ALS patients (n = 125) and age-matched HC (n = 70) were collected from the ALS cohort of Hanyang University Hospital, and retrospective analysis was conducted. Clinical data of each subject, including demographic information, the Amyotrophic Lateral Sclerosis Functional Rating Scale-Revised (ALSFRS-R) score, the disease progression rate (∆FS), and the dates of tracheostomy and death, were collected through long-term follow-up. pGSN and pNfL were quantified by the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) method and the ultrasensitive single molecule assay (Simoa) technology, respectively. In addition, inflammatory cytokines from each subject were analyzed in CSF samples using a multiplex assay. We stratified ALS into rapid- and slow-progression subgroups based on the disease progression rate and the median values of pGSN and pNfL. Also, we correlated pGSN levels with several clinical parameters (ALSFRS-R, ∆FS), CSF inflammatory cytokines, and pNfL levels for correlative analysis. Results: pGSN levels were significantly elevated in ALS patients compared to HC (p = 0.0002), and ROC curve analysis revealed the ability to discriminate between ALS and HC (AUC = 0.658). In subgroup analysis, the ALS rapid group's pGSN level was statistically higher than HC (142.60 ng/ml ± 35.09 for HC; 157.56 ng/ml ± 35.28 for the slow group; 171.91 ng/ml ± 50.09 for the rapid group, p = 0.0053 for HC vs. rapid). In dichotomized subgroups based on the median level of pGSN, the high-pGSN group showed a positive correlation with ΔFS (r = 0.400, p = 0.001). Kaplan-Meier survival curves explain that the high-pGSN group had a worse prognosis (p = 0.044). CSF inflammatory cytokines had no correlation with the pGSN levels. Although the pGSN levels did not surpass pNfL in terms of diagnostic and prognostic value, there was a positive correlation between pGSN and pNfL (r = 0.248, p = 0.005). Conclusion: Our results suggested that elevated levels of pGSN had a value for discriminating between ALS patients and HC. Also, we found the prognostic performance of pGSN as it could predict the disease progression rate of ALS patients and survival time. However, considering the pNfL level as a currently available known biomarker for predicting the prognosis of ALS, the measurement of pGSN did not reach the significance of pNfL in this cross-sectional study. Nevertheless, the measurement of GSN in plasma has better cost-benefit effectiveness than neurofilament. So, whether another value exists can be found through longitudinal studies, and it will clarify the important pathogenic role of pGSN in ALS. |배경 및 목적: 근위축측삭경화증(ALS)은 운동신경계를 선택적으로 침범하며 급속히 진행 및 파급이 병리적으로 일어나는 신경계퇴행성질환 중 예후가 좋지 않은 희귀난치성질환이다. 대표적인 병리기전으로 흥분성 신경독성, 비정상적 단백 응집, 과도의 산화성-스트레스, 신경 염증성 반응 등이 제시되고 있으나 아직까지도 효과적인 치료법이 없는 상태이며 이 질환의 진단은 아직까지도 임상적 소견에 의해 이루어지고 임상 양상이 매우 비균질적이어서 신뢰할 수 있는 진단적 혹은 예후 예측 바이오마커의 개발이 시도되어 왔다. 이에 본 연구는 plasma Gelsolin(pGSN)의 농도가 면역-염증반응, 급성 혹은 만성 신경계 손상 및 신경계퇴행성질환에서 변화한다는 근거들에 착안하여 근위축측삭경화증(ALS)에서 정상인과의 차별점이 있는지와 예후예측에 도움이 되는지를 확인하고자 하였다. 본 연구의 신뢰성을 확인하기 위하여 현재까지 가장 잘 알려진 plasma Neurofilament light chain (pNfL)에 대한 비교 분석 및 척수액의 면역-염증매개 cytokine 등과의 상관성과 의미를 동시에 분석하였다. 방법: 한양대학교 병원 근위축측삭경화증 코호트에서 125명의 환자와 건강한 대조군 70명에서 보관된 혈액과 뇌척수액 샘플을 이용하여 후향적 분석을 시행하였다. 대상자는 ALS의 진행 경과를 평가할 수 있는 ALSFRS-R 점수가 시기적으로 모두 조사된 환자로 국한하여 진행 속도는 ∆FS를 구하였으며 환자의 장기적 추적을 통해 사망 혹은 환자의 primary end point를 분석하였다. pGSN과 pNfL의 농도는 혈장 샘플로부터 각각 ELISA와 Simoa를 이용해 측정하였고 염증성 사이토카인의 농도는 CSF 샘플로부터 측정하였다. 환자군은 질병 진행 속도, pGSN 농도의 중간값을 기준으로 각각 두 그룹으로 나누어 하위 그룹 분석을 진행하였다. pGSN 농도와 ALSFRS-R, ∆FS, 척수액의 면역-염증 매개 cytokine 농도, pNfL과의 상관성을 분석하였다. 결과: 본 연구에 모집된 집단에서, pGSN 농도는 대조군보다 ALS 환자에게서 유의미하게 높았고 (p = 0.0002), 대조군에 대한 분별력은 ROC 곡선을 통해 확인하였다 (AUC = 0.65). 하위 그룹 분석에서 rapid 그룹의 pGSN 농도는 HC보다 통계적으로 높았다 (HC의 경우 142.60 ng/ml ± 35.09, slow의 경우 157.55 ng/ml ± 35.28, rapid의 경우 171.91 ng/ml ± 50.09, HC vs. Rapid의 경우 p = 0.0053). pGSN의 중간값에 기초한 다른 하위그룹 분석에서는 high-pGSN 그룹이 ΔFS와 양의 상관관계를 보였다 (r = 0.400, p = 0.001). Kaplan-Meier survival curves를 통해 high-pGSN 그룹이 더 나쁜 예후를 보이는 것을 확인하였다 (p = 0.032). 염증성 사이토카인과 pGSN 수치 사이에는 유의미한 상관관계가 없었다. 이번 연구에서 Plasma GSN의 진단적 예후적 역할이 pNfL을 뛰어넘지는 못하였지만, pGSN과 pNfL과의 연관성을 분석한 결과 두 인자 사이의 유의미한 양의 상관 관계를 확인하였다 (r = 0.248, p = 0.005). 결론: 이번 연구를 통해 pGSN이 정상인과 구분할 수 있는 바이오마커로서 가치가 있음을 확인하였고 또한 pGSN이 ALS 환자의 질병 진행 속도를 예측할 수 있으며, 생존 기간의 예후 인자로 기능할 수 있음을 확인하였다. 그러나 현재까지 가장 신뢰성이 높다고 알려진 pNfL과 비교하였을 때 pGSN의 진단적 및 예후 예측에 대한 판별가치는 pNfL의 가치보다 낮았다. 그러나 혈장 샘플에서 pGSN을 측정하는 데 필요한 비용이 pNfL을 측정하는 데 필요한 비용보다 비용 효율적이고, 단면적인 연구를 넘어 종단적 연구를 진행한다면 다른 가치가 있을 지는 추후에 연구를 진행함으로써 Gelsolin의 ALS에서 중요한 병리기전 및 역할을 이해하는 데 도움이 되리라 생각된다.