Functional and Structural Characterization of the Response to the Treatment of Diabetic Macular Edema with Intravitreal Anti-VEGF Therapy

Abstract

Diabetic Macular Edema (DME) is the most frequent cause of vision loss in patients with diabetic retinopathy (DR), resulting mainly from a failure of the blood-retinal barrier and consequent leakage to the retina, leading to macular thickness increase and visual acuity (VA) loss. Intravitreal anti-vascular endothelial growth factor (anti-VEGF) injections have proven efficacy in reducing macular thickness, but not always with functional improvement, requiring multiple injections and a tight follow-up to maintain its efficacy and avoid vision loss, representing a burden to both patients and clinicians. Clinical parameters and new diagnostic features obtained from imaging with optical coherence tomography (OCT) have proven to be useful not only for disease staging but also for the identification of biomarkers of disease prognosis and treatment response. However, the heterogeneity of inclusion criteria, the inadequacy of evaluation methods and the lack of standardization with respect to DME classification may explain the difficulty to establish a good correlation between each possible factor and the treatment response. Baseline VA is, until now, the only confirmed predictor of treatment outcome. Nevertheless, VA has a limited value in the characterization of patients’ functional vision state as it does not always reflect the difficulties on daily tasks, such as reading, cooking, driving or shopping. Therefore, there is a clear need to identify and validate additional functional methods to evaluate the impact of DME and its treatment on patients’ visual performance. The overall purpose of this thesis was to characterize DME treatment response to anti-VEGF therapy in a large and well identified group of DR patients undergoing the same treatment regimen. Several morphological and functional aspects were covered using the most recent techniques of OCT, mfERG and microperimetry, as well as customized computer tools. Our main goal was to identify DME characteristics with predictive value of good or poor treatment response and to evaluate the effects of this therapy in visual function. This information may be used in the development of visual prognosis metrics and may open new perspectives for the management of DME treatment, having a potential impact on clinical practice. We started with a preliminary retrospective study in 51 naïve DME patients (Chapter 2), to investigate different OCT features that could have a predictive value for the visual response to anti-VEGF treatment. This study showed that OCT morphological DME patterns at baseline give important information regarding differences in good versus poor response to treatment, suggesting that the presence of cystoid spaces in the inner retina layers seems to be related with a poor functional response. A strong correlation between central retinal thickness (CRT) decrease and best corrected visual acuity (BCVA) improvement after treatment was also showed. A cut-off value of 20% of CRT decrease was identified as a robust discriminator between good or poor responders to anti-VEGF therapy. With the results of this preliminary work, we designed a prospective observational study (Chapter 3), including 71 naïve DME patients with indication for anti-VEGF treatment with ranibizumab that were submitted to the same treatment regimen (loading dose of 3 ranibizumab IVT + Pro Renata) and followed during 12 months. Several imaging techniques were performed on these patients, namely Spectral Domain OCT (SD-OCT) and Swept-Source OCT (SS-OCT). To explore potential biomarkers of anti-VEGF treatment response in DME, recently described morphological features, such as disorganization of retinal inner layers (DRIL) and integrity of the ellipsoid zone of the photoreceptors layer (EZ) and external limiting membrane, were evaluated on SD-OCT. Our results showed that presence of DRIL, and especially presence of damaged photoreceptors before treatment, are important indicators of a poor response to ranibizumab therapy, and hence, should be used as reliable prognostic factors for therapeutic decisions. In Chapter 4, SD-OCT was used to extract retina fluid information in a completely noninvasive way, using a customized and in-house software – OCT-Leakage. By mapping lower than normal reflectivity sites (LOR) on structural OCT B-scans, we were able to identify the location of DME fluid accumulation within retina layers and to analyze its behavior after anti-VEGF treatment. Accumulation of fluid in the outer plexiform and outer nuclear layers showed an important predictive value of treatment response, discriminating, at baseline, patients that improve BCVA. This parameter showed to be a better discriminator than DRIL or photoreceptors disruption assessed in chapter 3. Choroidal vasculature features were explored as possible discriminators of treatment response in DME patients (Chapter 5). Considering that DR is mainly a microvascular pathology and that choroid is a highly vascularized structure, we hypothesized that vessel density and blood flow could be altered in the course of the disease. Using Swept-Source OCT, a technology designed specifically to enhance choroidal visualization with higher resolution, it was possible to extract quantitative information about choroidal vessels density and volume. Our results suggested that patients with higher baseline values of central choroidal thickness, choroidal vessel density and volume, have a higher probability of improved BCVA after anti-VEGF treatment. Important differences between treatment response groups were also observed at the choroid level: poor responders increased choroidal vessels dilation after treatment, while good responders remained almost unchanged. Therefore, choroidal features can represent potential biomarkers of treatment response, and may contribute to the development of personalized care in DME patients. Finally, after dissecting different morphological aspects of DME undergoing anti-VEGF treatment, patients’ functional response was also explored using microperimetry and mfERG, apart from BCVA, with the purpose of obtaining a detailed characterization of this disease and its treatment impact in patients’ quality of vision (Chapter 6). The results showed that microperimetry and electrophysiology were able to detect visual response changes during the course of the treatment with higher sensitivity than BCVA. When treatment regimen changed from monthly injections to a Pro Re Nata scheme, macular luminous sensitivity and mfERG implicit time were affected while BCVA remained unchanged, supporting patients’ dissatisfaction frequently reported about their vision performance, despite 20/20 of visual acuity. These results are particularly important as they highlight the need to find new functional methods to evaluate how different DME treatment strategies affect patients’ ability to function in real life. In conclusion, this work showed that OCT is an important tool not only for DME diagnosis but also to obtain important biomarkers of the disease, namely ellipsoid zone (EZ) and DRIL integrity, accumulation of fluid in the outer retinal layers and choroidal vasculature changes. This information has a crucial impact in DME treatment management, contributing for an individualized care, reducing treatment burden and improving visual recovery. Differentiated functional methods, besides BCVA, showed to be useful in patients’ vision characterization and should be target of further studies to improve DME visual function understanding and to help monitoring patients undergoing anti-VEGF treatment. Avoiding visual loss, but specially leverage visual gain, should be the primary goal of any ophthalmic therapy.

O edema macular diabético (EMD) é a causa mais frequente de perda de visão nos doentes com retinopatia diabética (RD). Deve-se principalmente a uma perturbação no funcionamento da barreira hemato-retiniana interna e consequente extravasamento de fluídos para a retina, levando ao aumento da espessura macular e a uma perda de acuidade visual (AV). As injeções intravítreas de anti-fatores de crescimento vascular endotelial (anti-VEGF) têm uma eficácia comprovada na redução do fluido extracelular retiniano e consequente diminuição da espessura macular mas nem sempre são acompanhadas de uma melhoria funcional. Esta terapêutica exige múltiplas injeções e um acompanhamento rigoroso para manter a sua eficácia e evitar a perda de visão, o que representa um encargo económico e de tempo tanto para os doentes como para os médicos. Parâmetros morfológicos do EMD obtidos através de imagens de tomografia de coerência óptica (OCT) provaram ser úteis não apenas no diagnóstico e estadiamento da doença, mas também na identificação de biomarcadores de prognóstico e resposta ao tratamento. No entanto, a heterogeneidade dos critérios de inclusão dos diversos estudos, a inadequação dos métodos de avaliação e a falta de padronização em relação à classificação do EMD, estão na origem da dificuldade de estabelecer uma boa correlação entre cada fator possível e a resposta ao tratamento. A AV na baseline é, até agora, o único fator preditor da resposta ao tratamento do EMD confirmado na literatura. No entanto, a AV tem um valor limitado na caracterização do estado funcional da visão destes doentes pois nem sempre reflete as reais dificuldades nas tarefas diárias, como ler, cozinhar, conduzir ou fazer compras, o que demonstra uma clara necessidade de identificar e validar outros métodos funcionais para avaliar o impacto do EMD e do seu tratamento no desempenho visual dos doentes. Desta forma, o objetivo geral desta tese foi caracterizar de forma detalhada a resposta do EMD ao tratamento com anti-VEGF num grupo bem identificado de doentes com RD, submetidos ao mesmo regime de tratamento. Foram avaliados vários aspetos morfológicos e funcionais desta patologia utilizando técnicas recentes de OCT, mfERG e microperimetria, bem como ferramentas personalizadas não disponíveis na prática clinica atual, que permitiram extrair informação adicional das imagens retinianas. O objetivo principal do presente trabalho foi a identificação de características estruturais do EMD que possam ter um valor preditivo para uma resposta funcional boa ou má ao tratamento e avaliar e caracterizar os efeitos dessa terapia na função visual, permitindo obter uma medida objetiva da recuperação funcional dos doentes com EMD. A informação recolhida poderá ser usada na construção de métricas e algoritmos para o prognóstico visual e poderá abrir novas perspetivas na gestão do tratamento do EMD, com potencial impacto na prática clínica. Foi inicialmente realizado um estudo preliminar retrospetivo em 51 doentes com EMD sem tratamentos prévios (capítulo 2), submetidos a tratamento intravítreo com ranibizumab com o objetivo de investigar diferentes parâmetros obtidos no OCT com potencial valor preditivo para a resposta visual ao tratamento com anti-VEGF. Os resultados deste estudo mostraram que a presença inicial de padrões morfológicos específicos de EMD fornece informações importantes sobre o tipo de resposta ao tratamento, sugerindo nomeadamente que a presença de espaços cistoides nas camadas internas da retina parece estar relacionada com uma fraca resposta funcional. Foi também demonstrada uma forte correlação entre a diminuição da espessura central da retina (CRT) e a melhoria da AV após o tratamento. Um valor de corte de 20% de redução da CRT foi identificado como um discriminador robusto entre bons e maus respondedores à terapia anti-VEGF. A partir dos resultados deste trabalho preliminar, foi realizado um estudo observacional prospetivo (capítulo 3). Foram incluídos 71 doentes com EMD sem tratamentos prévios e com indicação para tratamento intravítreo com ranibizumab. Todos os doentes foram seguidos durante 12 meses e submetidos ao mesmo regime de tratamento (dose de carga de 3 injeções intravítreas mensais de ranibizumab + retratamento em regime Pro Re Nata). Foram realizadas várias técnicas de imagem, incluindo Spectral-Domain OCT (SD-OCT) e Swept-Source OCT (SS-OCT), e avaliadas várias características morfológicas da retina recentemente descritas, a fim de explorar o seu valor como potenciais biomarcadores da resposta ao tratamento anti-VEGF no EMD, tais como: desorganização das camadas internas da retina (DRIL), integridade da zona elipsoide da camada de fotorreceptores (EZ) e integridade da membrana limitante externa. Verificou-se que a presença de DRIL, e principalmente a presença de disrupção na camada de fotorreceptores antes do tratamento, são indicadores importantes para uma má resposta funcional à terapia com ranibizumab e, portanto, devem ser usados como fatores de mau prognóstico nas decisões terapêuticas. No capítulo 4, utilizámos a técnica imagiológica de OCT para extrair, de forma completamente não invasiva, informação sobre a presença de fluido na retina, usando um software personalizado e desenvolvido internamente, o OCT-Leakage. Ao mapear locais de refletividade abaixo do normal (LOR) nos B-scan obtidos pelo OCT estrutural, foi possível identificar a acumulação de fluido causada pelo EMD e a sua localização nas várias camadas da retina, conseguindo analisar o seu comportamento antes e após o tratamento anti-VEGF. A acumulação de fluido (rácios de LOR) nas camadas plexiforme externa e nuclear externa mostrou constituir um importante valor preditivo para a resposta ao tratamento, discriminando, na baseline, pacientes que melhorariam a AV após o tratamento. Este parâmetro (rácios de LOR) mostrou-se melhor discriminador do que a presença de DRIL ou a disrupção dos fotorreceptores, avaliadas no capítulo 3. A vasculatura coroideia foi também explorada como um possível fator discriminador da resposta ao tratamento em pacientes com EMD (Capítulo 5). Considerando que a RD é principalmente uma doença microvascular e que a coróide é uma estrutura altamente vascularizada no olho, questionou-se se características vasculares desta estrutura, tais como a densidade dos vasos e o fluxo sanguíneo, poderiam estar alteradas no curso da doença e/ou tratamento. Utilizando imagens de Swept-Source OCT, uma tecnologia desenvolvida especificamente para melhorar a visualização da coroide com grande resolução, foi possível extrair informação quantitativa sobre a densidade e o volume dos vasos coroideus. Os resultados obtidos sugerem que doentes com valores basais mais altos de espessura central da coróide, e maior densidade e volume dos vasos coroideus, têm maior probabilidade de obter uma melhor AV após o tratamento anti-VEGF. Por outro lado, após o tratamento foram observadas diferenças importantes entre os diferentes grupos de resposta: observou-se um aumento da dilatação dos vasos coroideus nos doentes que obtiveram uma resposta funcional fraca, enquanto que nos doentes com uma boa resposta funcional o calibre dos vasos permaneceu quase inalterado. Tais resultados permitiram-nos concluir que parâmetros da vasculatura da coróide devem ser alvo de investigações futuras, podendo ser considerados potenciais biomarcadores de resposta ao tratamento e contribuir para o desenvolvimento de cuidados personalizados nos doentes com EMD. Finalmente, após a avaliação de diferentes aspetos morfológicos do EMD, antes de após o tratamento com anti-VEGF, a resposta funcional dos doentes foi também ela explorada de forma detalhada. Para além de avaliar a variação da AV foram ainda aplicadas técnicas diferenciadas, tais como a microperimetria e o mfERG, tendo como objetivo obter uma caracterização pormenorizada da função visual nesta doença e perceber o impacto do tratamento na performance visual destes doentes (capítulo 6). Os resultados obtidos mostraram que a microperimetria e a eletrofisiologia permitem detetar alterações na resposta visual durante o curso do tratamento com maior sensibilidade do que a AV. Ao alterar o regime de tratamento com ranibizumab, de injeções mensais para um esquema Pro Re Nata, a sensibilidade luminosa macular avaliada através da microperimetria, e o tempo de latência das respostas do mfERG, revelaram estar afetados enquanto que a AV permaneceu inalterada. Estes resultados vão de encontro ao que regularmente se observa na prática clinica: a insatisfação frequentemente relatada pelos doentes sobre o desempenho da sua visão, apesar de uma acuidade visual de 20/20 avaliada na consulta de rotina. Tais achados são particularmente importantes, não só para o EMD mas para várias outras doenças oculares, pois destacam a necessidade crescente de encontrar novos métodos funcionais que avaliem o impacto de diferentes estratégias de tratamento na capacidade visual dos doentes e no desempenho das suas tarefas na vida quotidiana. Em conclusão, os conhecimentos obtidos durante este trabalho mostraram que o OCT é uma ferramenta importante não apenas para o diagnóstico do EMD mas também na obtenção de importantes biomarcadores da doença, nomeadamente o grau de integridade das camadas retinianas como os fotorreceptores (EZ) e as camadas internas (DRIL), a acumulação de fluido nas camadas externas da retina e as alterações visíveis ao nível do calibre dos vasos coroideus. Estes dados têm um impacto crucial na gestão do tratamento do EMD, contribuindo para cuidados individualizados que permitam a melhor opção terapêutica para cada doente, reduzam o numero de sessões de tratamento e a consequente necessidade de visitas e deslocações frequentes aos cuidados médicos e, principalmente, diminuindo a perda funcional e maximizando a recuperação visual nesta doença.