Unraveling the pathophysiological mechanisms behind white matter lesions: a study on cerebrospinal fluid and blood markers in patients with cerebral small vessel disease

Abstract

A doença de pequenos vasos cerebrais (DPV) é um grupo heterogéneo de distúrbios resultante de danos na estrutura ou função da microcirculação cerebral (pequenas artérias, arteríolas, capilares, pequenas veias e vênulas), afetando o fornecimento de sangue ao tecido da substância branca e cinzenta profundas. Como consequência da DPV formam-se lesões localizadas em estruturas subcorticais (como as hiperintensidades da substância branca) que se manifestam habitualmente sob a forma de eventos vasculares cerebrais recorrentes e um compromisso progressivo da cognição, do humor e da marcha. Além de um percurso clínico variável (alguns indivíduos apresentam sintomas logo nas fases iniciais da doença, enquanto outros permanecem assintomáticos mesmo na presença de uma grande carga lesional), a DPV compreende formas esporádicas e familiares associadas a múltiplos defeitos genéticos, podendo também estar associada a vários fatores de risco (idade, hipertensão, tabagismo e enxaquecas). Devido à escassez de estudos patológicos, os mecanismos subjacentes à DPV encontram-se ainda pouco esclarecido.O objetivo deste projeto foi contribuir para a compreensão dos mecanismos da DPV e identificar marcadores bioquímicos associados a diferentes fenótipos clínicos. O estudo incluiu doentes esporádicos não idosos com DPV (n = 63), com e sem hipertensão, e um pequeno grupo com formas hereditárias (n = 12), submetidos a uma avaliação clínica completa, que incluiu estudo neuropsicológico e de neuroimagem. Nestes doentes avaliámos um amplo painel de biomarcadores no líquido cefalorraquidiano (LCR) e soro que refletem: disfunção da barreira hematoencefálica (BHE) (metaloproteínase da matriz 9 – MMP-9; inibidor tecidual de metaloproteínase – TIMP-1; folato – 5-MTHF), disfunção endotelial (molecula de adesão intercelular – ICAM-1; adenosina deaminase 2 – ADA2), neuroinflamação (YKL-40), deposição amilóide (peptídeo beta amilóide com 42 e 40 resíduos – Aβ42 e Aβ40), neurodegeneração cortical (proteína Tau total – t-Tau; e fosforilada – p-Tau) e subcortical (neurofilamento de cadeia ligeira – NFL), tendo os resultados sido comparados com um grupo de controlos neurológicos (n = 12). Os nossos resultados não mostraram sinais de neurodegeneração cortical nos doentes com DPV esporádica, como evidenciado pelos níveis normais de t-Tau e p-Tau. Foi observado contudo um aumento dos níveis de MMP-9 e Aβ42 no LCR, refletindo provavelmente um aumento da permeabilidade da BHE e disfunção endotelial. Encontrámos também uma forte associação entre os níveis de NFL no LCR e os vários marcadores de disfunção da BHE. Os doentes do género masculinos e os doentes com hipertensão revelaram níveis mais elevados de NFL, ICAM-1, TIMP-1 e YKL-40 no LCR relativamente a doentes femininos e não hipertensos, respetivamente, o que poderá ser explicado pela rigidez arterial e stresse endotelial associado a estas condições. Foram encontradas associações entre o volume das lesões da substância branca e níveis elevados de NFL, YKL-40, TIMP-1, t-Tau e ICAM-1 no LCR de doentes com DPV esporádica. Além disso, observou-se uma correlação negativa entre o funcionamento cognitivo e o aumento de NFL, YKL-40 e t-Tau no LCR, e também entre a velocidade de processamento e os níveis de t-Tau. Contudo, não encontrámos associação entre os marcadores no LCR e a função executiva. Os resultados obtidos no pequeno grupo de casos de formas familiares de DPV mostraram uma grande heterogeneidade, mas parecem apontar para diferentes vias fisiopatológicas entre diferentes causas genéticas.Os nossos resultados apoiam a hipótese de que o dano da BHE e a disfunção endotelial estarão na génese da neuroinflamação e da perda axonal subcortical na DPV. O esclarecimento adicional do potencial prognóstico destes marcadores no LCR e sangue na avaliação da progressão da doença será importante tanto para o seguimento dos doentes como para a identificação de novos alvos para intervenção.

Cerebral small vessel disease (SVD) refers to a group of conditions that results from damage to the structure or function of cerebral microcirculation (small arteries, arterioles, capillaries, small veins and venules), affecting blood supply and tissue of cerebral deep white and grey matter areas. Consequences of SVD are mainly lesions located in the subcortical structures (such as white matter hyperintensities) that represent an important cause of cognitive impairment, stroke, and also of other disabling symptoms such as gait disturbance and late-life depression. Apart from a highly variable clinical course (with some individuals being symptomatic at early stages while others have large radiological disease burdens and no apparent symptoms), SVD also encounters sporadic and familial forms with diverse underlying genetic defects and can be associated with several risk factors (age, hypertension, smoking and migraine). Owing to limited pathology studies, the underlying mechanism of SVD remains imprecise. The aim of this project was to gain a better understanding of the disease mechanisms in SVD and to identify biochemical markers associated with different clinical phenotypes and outcomes. We studied non-elderly sporadic SVD patients (n = 63), both with and without hypertension, as well as a small group with familial forms (n = 12), for whom a complete clinical evaluation, including imaging and neuropsychological/behavioral assessment was performed. A wide panel of cerebrospinal fluid (CSF)/blood markers assessing BBB disruption (matrix metalloproteinase 9 - MMP-9; tissue inhibitor of metalloproteinase 1 - TIMP-1; folate – 5-MTHF), endothelial dysfunction (intercellular adhesion molecule 1 - ICAM-1; adenosine deaminase 2 – ADA2), neuroinflammation (YKL-40), amyloid deposition (amyloid beta with 42 and 40 residues - Aβ42 and Aβ40), cortical (total and phosphorylated Tau protein - t-Tau and p-Tau) and subcortical (neurofilament light chain - NFL) neurodegeneration was assessed and compared to a small group of neurological controls (n = 12).Our results showed no noticeable signs of cortical neurodegeneration in sporadic SVD patients, as depicted by normal CSF t-Tau and p-Tau levels. An increased permeability of the BBB and endothelial dysfunction, reflected through an increase in both CSF MMP-9 and Aβ levels was found. Additionally, we found strong correlations between NFL and the several CSF biomarkers of BBB disruption. Both male and hypertensive patients showed increased NFL, ICAM-1, TIMP-1, YKL-40 in CSF compared to female and non-hypertensive patients, respectively, possibly explained by the related arterial stiffness and endothelial stress. An association between white matter lesions volume and increased levels of CSF NFL, YKL-40, TIMP-1, t-Tau and ICAM-1 in sporadic SVD patients was found. Moreover, a negative correlation between cognitive status and CSF NFL, YKL-40 and t-Tau was shown, as well as between speed of processing and t-Tau. However, no associations were found between CSF biomarkers and executive function. The results obtained in the small group of familial SVD cases showed a large heterogeneity between cases and seem to point towards different pathophysiological pathways between different genetic causes.These results support the notion that damage of the BBB and endothelial dysfunction are the damaging effects driving neuroinflammation and subcortical axonal loss in SVD. Further elucidation of the potential prognostic value of CSF/blood markers in assessing disease progression will be important both for patient management and for the identification of novel targets for intervention.