Hjärnskademarkörer - Vart är utvecklingen på väg?

Hjärnskademarkörer - Vart är utvecklingen på väg? Eric Thelin, MD., PhD. Postdoctoral Researcher Department of Clinical Neuroscience, Karolinska Institutet Department of Clinical Neurosciences, University of Cambridge

Jävsförhållanden Erhållit föreläsningsarvode från Roche angående införande av Skandinaviska riktlinjer vid mild och moderat hjärnskada Vid två tillfällen, ett 2013 och ett 2014 (totalt cirka 8.000 SEK). Då dessa delvis använder S100B kan man anse att det kan utgöra ett jävsförhållande. Eric Thelin October 10, 2016 2

Bakgrund Traumatisk hjärnskada (TBI) Tyst epidemi. Vanligaste dödsorsaken i världen upp till 44 års ålder. Jennet B. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1996 Apr; 60(4) Trolig frekvens: >600/100.000 invånare Inläggning: 235/100.000 (Europa), 33 miljarder Euro i kostnader. Dödligheten: 20/100.000 Frekvensen hög bland unga men ökar stadigt bland äldre. Yngre Bilolyckor, fall (alkohol) Äldre Fall i samma plan Eric Thelin http://www.autoinjurylawpalmbeach.com/ October 10, 2016 3 https://u.osu.edu/weillab/

Skadepanoramat vid TBI Traumat ger olika typer av skador på hjärnan beroende av intensiteten. Beroende på var skadan sitter ger det olika symtom Milda till mycket svåra. Från inga problem, till kroniska besvär till permanenta funktionsnedsättningar och död http://www.health.com/health/gallery/0,,20484672,00.html Eric Thelin http://www.pompeoinsurance.com/lifedisability.html October 10, 2016 4

Övervakning av de svårast sjuka De svårast skadade patienterna vårdas på neurointensivvårdsavdelningar Oftast nedsövda i respirator. Dessa patienter erhåller inopererad monitoreringsutrustning för att upptäcka eventuell försämring. Trots detta drabbas många patienter av syrebristskador eller blödningsprogress som leder till sämre livskvalitet efter utskrivning. Eric Thelin Intensive care monitor - (Shutterstock) October 10, 2016 5

Vad är en biomarkör? Biological marker (biomarker): A charachteristic that is objectively measured and evaluated as an indicator of normal biological processes, pathogenic processes, or pharmacologic responses to a therapeutic intervention. Biomarkers Definitions Working Group. Clin Pharmacol Ther 2001;69:89 95 Eric Thelin October 10, 2016 6

Vad ska man använda biomarkörer till vid hjärnskada? Differentiering och screening av mild TBI Undvika att göra en röntgen på akuten Predicera utfall Bistår i modeller om utfallsprediktion och resursprioritering Monitorering Övervaka medvetslösa patienter då dessa kan utveckla nya skador Bedöma behandlingseffektivitet Generellt svårt att bedöma om behandlingar fungerar på dessa patienter. Saknas mediciner med påvisbar klinisk effekt vid traumatisk hjärnskada. Eric Thelin October 10, 2016 7

Potentiella proteinbiomarkörer i centrala nervsystemet (CNS) Flera olika proteiner med ursprung i CNS Alla mer eller mindre hjärnspecifika. Alla med olika egenskaper och frisättningsmönster. Stor mängd studier krävs för att nå klinisk användning. Zetterberg et al. Nat. Rev. Neurol. 9, 201 210 (2013) Eric Thelin October 10, 2016 8

S100B 21 kda, astrocytprotein. Calciumberoende second messenger protein. Namnet - lösligt i 100% ammoniumsulfat Neurotrofiskt eller neurotoxiskt beror av koncentration Fano et al. 1995 Prog. Neurobiol. 46, 71-82. Mest studerad biomarkör vid TBI, använd i mer än 15 år. Ej hjärnspecifikt 1.44x mer S100B mrna i hjärnvävnad jämfört med fettväv. Finns även i melanocyter (malignt melanom), osteocyter, cardiomyocyter, myocyter etc. T ½ : 25 min in vivo (om ingen pågående skada). Mycket snabbare än andra markörer, kring 60 min vid TBI. Nylig skada relaterar till fynd Enkelt att hantera, hemolysokänslig, temperaturstabilt. Eric Thelin October 10, 2016 9

Kemisk analysmetod av S100B Analyseras med electrochemiluminescence assay, Cobas Roche Tidigare LIAISON XL, DiaSorin. S100αβ och S100ββ mäts Vanligaste monomererna i hjärnvävnad. Snabb (18 min) Tillgänglig 24/7 280 SEK (CT-skalle 1500-5000 SEK, beror på avtal och jourtid etc) Eric Thelin October 10, 2016 10

S100B (och övriga biomarkörer) frisätts troligen passivt från hjärna och likvor till blod men kan påverkas av olika faktorer Troligen sker en passiv frisättning från likvor till blod via arachnoidea villi. Goyal et al. J Neurotrauma. 2013 Jun 1;30(11):946-57 Via kemisk skada av blod-hjärn barriären kan man öka S100B nivåer i serum Kapural et al. Brain Research (2002) 940, 102 104. Idag har man sett att även det glymfatiska systemet spelar en roll för frisättningen av biomarkörer. Plog et al. Neuroscience, January 14, 2015 35(2):518 526 Eric Thelin October 10, 2016 11

Mild TBI Glagow Coma Scale (GCS), graderad skala, 3-15 3-8 = svår hjärnskada 9-13 = medelsvår hjärnskada 14-15 = mild hjärnskada Vanligaste skadan (90-95%) >16.000 akutbesök/år Kräver mycket resurser Komplicerade Saknar definierad läkare på akuten (Kirurg? Neurokirurg? Neurolog?) Knepig patient ; misshandel, etyl etc. Eric Thelin Jennet B et al. Lancet 1975 1:480-484, Unden, J., et al. (2013). BMC Med 11(1): 50. October 10, 2016 12

Handläggning av dessa patienter på akuten innan införande av S100B Med riskfaktorer, CTskalle + inläggning >12h oavsett GCS. Scandinavian CT guidelines ifrån 2000 - Ingebrigtsen et al J Trauma Thelin October 10, 2016 13

Guidelines för CT vid mild hjärnskada Bra, men ej 100% sensitivitet för detektion av skallskador Generellt dålig specificitet på att finna blödningar Stein et al. Annals of Emergency Medicine 2009 53;2 Eric Thelin October 10, 2016 14

Många kommer att göra en CT skalle i onödan Onödig strålning Onödig kostnad Onödig väntan Onödig resursanvändning Eric Thelin October 10, 2016 15

Hur farlig är röntgenstrålning egentligen? För ett barn som är 1 år, indikerar studier en risk för att utveckla en dödlig malignitet att vara 1:1500 jämfört med 1:5000 för ett 10 årigt barn Lägre risk för vuxna, dock ej helt försumbar. Risk kontra nytta! Eric Thelin Brenner et al 2007, NEJM 357;22. October 10, 2016 16

Specificitet för S100B att detektera hjärnskada på CT hos vuxna Sammanvägd specificitet 40% Liknar de olika CT riktlinjerna vid mild TBI. Vissa patienter kommer att göra en CT i onödan S100B falskt förhöjt Unden et al J Head Trauma Rehabil. 2010 Jul-Aug;25(4):228-40 Eric Thelin 10 oktober 2016 17

Sensitivitet för S100B att detektera hjärnskada på CT hos vuxna Sammanvägd sensitivitet 99% Liknande de radiologiska riktlinjerna. Mycket bra negativt prediktivt värde (NPV): Kring 99.5% Högre än Troponin-T vid hjärtinfarkt och D-Dimer vid Lungemboli. Eric Thelin Unden et al J Head Trauma Rehabil. 2010 Jul-Aug;25(4):228-40 10 oktober 2016 18

Nya guidelines Minimal skallskada GCS 14-15 Ingen medvetslöshet och/eller amnesi Minimal, lätt och medelsvår skallskada (ingen riskfaktorer) Lätt skallskada GCS 14-15 Medvetslöshet < 5 min och/eller amnesi Medelsvår skallskada GCS 9-13 Medtvetslöshet > 5 min eller Fokala neurologiska bortfall Riskfaktorer: Antikoagulantia - Trombyl OK! (Skillnad på SLL och SNC 2013) Blödningsrubbning Skallfraktur Kliniska tecken på skallbasfraktur Posttraumatiska kramper VP-Shunt Multitrauma Inläggning för observation Observera > 12 h DT >90 min efter TBI (normal) DT >90 min efter TBI (Rekommanderas) S100B < 0,10 mikrog/l Om inga riskfaktorer och < 6 h efter trauma, då kan DTskalle undvikas. Hemgång med information efter skallskada DT >90 min efter TBI (Obligatorisk) DT >90 min efter TBI normal Inläggning för observation Observera > 12 h Överväg ny DT Konsultera neurokirurg v.b. Trombyl? Waran? Undén et al. BMC Med. 2013 Feb 25;11:50 Eric Thelin October 10, 2016 19

Trombyl och waran ger för hög risk för blödningsprogress Således, dessa patienter måste göra en CT-skalle S100B för osäkert Eric Thelin Ernstbrunner et al. 2015 Brain Injury, Nov 18 DOI: 10.3109/02699052.2015.1087593 October 10, 2016 20

S100B för barn komplicerat på grund av högre värden hos friska S100B neurotrofiskt Högre värden i blod hos de växande. Detta lett till att man i nyligen uppdaterade riktlinjer för barn inte kunnat inkludera S100B. Astrand et al. BMC Med. 2016 Feb 18;14:3 S100B kan mätas kapillärt och i urin Stor fördel för de allra minsta barnen Dock mindre studerat i dessa kroppsvätskor. Astrand et al. Clinica Chimica Acta 2012, 12;23 24 Bouvier et al. Clin Biochem. 2011;44(10-11):927 9 Castellani et al. Clin Chem Lab Med 2008;46(9):1296 1299 Eric Thelin October 10, 2016 21

Förslag från Frankrike på ändrade referensvärden för S100B på de yngsta Bouvier et al. föreslår: 0-9 månader: 0.35 µg/l 10-24 månader: 0.23 µg/l >24 månader: 0.18 µg/l Den sämre specificiteten är ett problem Dock minskning av ca var 4-5:e CT. Eric Thelin Bouvier et al. Clin Chem. 2012 Jul;58(7):1116-22 October 10, 2016 22

Utfallsprediktion vid allvarliga hjärnskador S100B starkaste prediktorn för utfall. Bättre än ålder, pupillreaktion och GCS nivå Med S100B i prediktionsmodell kan utfallet beräknas med 35.8% noggranhet. Factor p-value pseudo R 2 log S100B AUC first 48 hours <0.0001 0.119 log S100B Peak level first 48h <0.0001 0.109 Age <0.0001 0.102 Pupil responsiveness <0.0001 0.079 EDH on CT scan 0.0008 0.044 Progression of hematoma on CT 0.0012 0.037 Hypodense lesion on CT scan 0.0016 0.039 GCS at admission 0.0062 0.023 SDH on CT scan 0.0126 0.021 Midline shift on CT scan 0.0305 0.017 Hypotension at SoA 0.0532 NS trsah on CT scan 0.055 NS Contusion on CT scan 0.087 NS Gender 0.427 NS Multitrauma 0.525 NS Hypoxia at SoA 0.880 NS Eric Thelin October 10, 2016 23 Thelin et al. Journal of Neurotrauma 2013 Apr 1;30(7):519-28.

Tidiga S100B värden dålig hjärnspecificitet Ryggskador och bukskador (samt hjärnskador) oberoende korrelerade till höga nivåer S100B. Specificiteten så pass låg som 14% (!) om guidelines skall följas. Provet i snitt taget 42 minuter efter skada Som sagt, patienter med multitrauma definitivt högre S100B om det tas tidigt. Eric Thelin Thelin et al. 2015 Eur J Trauma Emerg Surg October 10, 2016 24

S100B kan användas för att detektera sekundära skador hos medvetslösa patienter På NIVA tas provet var 12:e timme. Sekundära ökningar korrelerar till utvecklingen av allvarliga komplikationer. Eric Thelin Thelin et al Neurocritical Care 2014 Apr;20(2):217-29 October 10, 2016 25

Sekundära ökningar har visat sig kunna styra behandlingen Raabe såg att om patienternas S100B nivåer ökade med 0.5µg/L: Indikerade svår blödning eller infarkt. I 21% av fallen var det S100B som styrde handläggningen av patienten. Raabe et al. Neurol Res. 2004 Jun;26(4):440-5 Vi har sett att det räcker med en ökning på 0.05µg/L för att det skall vara känsligt nog för att detektera en sekundär skada. Thelin et al. Neurocrit Care. 2014 Apr;20(2):217-29 Eric Thelin October 10, 2016 26

Kinetisk modellering av S100B efter hjärnskada Genom att använda n=154 pat skapade vi en modell för S100B frisättning. Om en patient devierar från denna kurva är det troligen en ny skada som kan kräva åtgärd. Eric Thelin Ercole et al. BMC Neurol. 2016 Jun 17;16:93. October 10, 2016 27

S100B värden i blod är kopplade till konnektivitet mellan centra i hjärnan Genom att undersöka patienter med funktionell magnetkamera (fmri) kunde man se hur default mode networks var påverkade på akut hjärnskadade patienter. Nivåer av S100B i blod kunde ge en indikation på hur påverkade dessa områden var. Eric Thelin Thompson et al. NeuroImage Clinical 2016 October 10, 2016 28

S100B har börjat användas som mått på effekt vid behandlingsstudier Genom att ha med hjärnskademarkörer vid läkemedelsstudier kan dessa användas som surrogatmått på behandlingseffekt. I denna studie med erythropoetin vid TBI sågs lägre S100B nivåer i den behandlade gruppen. Teoretiskt mindre hjärnparenkym som påverkats negativt. Eric Thelin Li et al. Clin Neurol Neurosurg. 2016 Sep 3;150:80-83 October 10, 2016 29

S100B kan inte användas för att screena vid ischemisk stroke dock prediktera strokevolym. Låg initialt efter stroke Men senare är nivåerna korrelerade till strokevolym. Vit Malign mediainfarkt Grå Icke-malign infarkt Troligen behövs perfusion i vävnaden för att frisätta S100B till blodet. Ej säkert att använda på akuten för att screena mot ischemisk stroke. Dassan et al. Cerebrovasc Dis. 2009;27(3):295-302. Foerch et al. Stroke. 2004; 35: 2160-2164 Eric Thelin October 10, 2016 30

Andra proteinbiomarkörer Eric Thelin October 10, 2016 31

Neuronspecifikt Enolas (NSE) Glykolys-enzym i neuron, 46 kda. Näst mest suderade biomarkören. Framförallt markör för neuro-endokrina tumörer Ej hjärnspecifikt Finns i all nervvävnad samt i erytrocyter Mycket känsligt för hemolys i provet! Analyserades tidigare med Chemiluminescent immuno assay, Liaison XL System, Diasorin TM Idag möjligt att köra den på Cobas (?) T ½ : 20 till 30 timmar. Eric Thelin Wikimedia Commons October 10, 2016 32

NSE är ökat i blod vid olika typer av hjärnskador Ökat i TBI och stroke T ½ : 24 h Wunderlich et al. Stroke 1999; 30: 1190 1195 I mild TBI, gränsvärde 14.7 µg/l; Specificitet: 77% för blödning på CT Sensitivitet: 56% för blödning på CT Wolf et al. 2013 J Neurosurg. 2013 Jun;118(6):1298-303 Infört i Amerikanska riktlinjer vid hjärlungräddning: serumnivåer över 330 µg/l 1-3 dagar efter hjärtstillestånd är en stark prediktor för dåligt utfall. Einav et al. J Am Coll Cardiol. 2012;60(4):304-311 Pris = 280 SEK, samma som S100B. Eric Thelin October 10, 2016 33

S100B bättre än NSE på att predicera utfall S100B NSE S100B och NSE Utfallsprediktion över tid visar bättre förmåga för S100B NSE enbart möjlighet att särskilja död medan S100B kan se skillnad på olika funktionsutfall. Thelin et al. Crit Care. 2016 Sep 8;20:285 Eric Thelin October 10, 2016 34

och NSE är dessutom mer influerat av extrakraniell skada än S100B Medan S100B bara är påverkat de första timmarna efter trauma så fortsätter NSE vara påverkat de första dygnen. Med halveringstiden att göra? S100B NSE dessutom väl korrelerat till S100B (r=0.673) Trots olika cellulära ursprung NSE adderar ingenting i utfallsmodeller tillsammans med S100B NSE Thelin et al. Crit Care. 2016 Sep 8;20:285 Eric Thelin October 10, 2016 35

Glial fibrillary acidic protein, GFAP Cytoskelettprotein, intermediärfilament, finns framförallt i mogna astrocyter (precis som S100B). Används vanligen i immunohistokemi. Betydligt mer hjärnspecifikt än S100B Näst mest hjärnspecifika proteinet, 374.81x vanligare än i fettväv (slaget enbart av OPALIN, oligodendrocytic myelin paranodal and inner loop protein ). Sjostedt et al. PLoS One. 2015 Jun 15;10(6) Saknas bra assays, Går ej att beställa provet kliniskt idag. Studierna har använt kommersiella ELISAs T ½ : Oklart, 12-16 h, troligen <48h Eric Thelin October 10, 2016 36

GFAP mer specifik för hjärnskada än S100B, hos patienter med multitrauma GFAP bättre specificitet vid mild TBI än S100B vid extrakraniella skador (55% vs 5%). Eric Thelin October 10, 2016 37 Papa et al. J Neurotrauma. 2014 Nov 15; 31(22)

och samma sak gäller för barn Där såg man också att GFAP var bättre än S100B för att detektera intrakraniella blödningar. Även om specificiteten för att hitta blödning var snarlik (36% GFAP och 26% S100B). Saknas bra ålderskorrelation för GFAP Eric Thelin Papa et al. J Neurotrauma. 2016 Jan 1;33(1):58-64. October 10, 2016 38

S100B och GFAP har snarlik kapacitet att predicera utfall vid svårare TBI I utfallsmodeller så har S100B och GFAP snarlik förmåga att predicera utfall. Längre frisättning vid svår TBI, halveringstiden? Pelinka et al. J Neurotrauma. 2004 Nov;21(11):1553-61 GFAP kan till och med addera extra utfallsprediktion tillsammans med S100B. Vos et al. Neurology. 2010 Nov 16;75(20) GFAP Eric Thelin October 10, 2016 39

GFAP över tid vid mild TBI har betydligt längre frisättning än S100B. Även Mild TBI har längre frisättning av GFAP Betydligt bättre än UCH-L1 på att detektera skada. Eric Thelin October 10, 2016 40 Papa et al. JAMA Neurol. 2016;73(5):551-560

Egenskaper GFAP jämfört med S100B Nackdelar Inte lika väl studerad Åldersskillnader? Kinetikstudier? Längre halveringstid Svårare att ha som monitoreringsmarkör Ej lika tillgänglig för klinisk analys Fördelar Mycket mer hjärnspecifik Både teoretiskt samt i studier Troligen bättre för gränsvärdes-approach vid mild TBI VS Eric Thelin October 10, 2016 41

Neurofilament-Light (NF-L) Neuronalt cytoskelett-protein I axon, dendriter och viss även I neuron. Används vid MS-diagnostik i CSF Surrogate endpoint för att se att behandlingen fungerar CSF-värden har funnits förhöjda i boxare som blivit knockade vs o-knockade Neselius et al. 2012 PloS One 7:e33606 T ½ : Troligen en dryg vecka, oklart. CSF-NF-L kan köras på KS October 10, 2016 Eric Thelin 42 Gunnarsson et al. Ann Neurol 2011;69:83 89

Uppvisar en annan kinetisk profil med stigande värden i serum vid TBI På grund av den långa halveringstiden ses en ackumulering av NF-L den första veckan efter trauma. Klarar enskilt av att diskriminera mellan bra och dåligt utfall. Men är sämre än S100B för utfallsprediktion. Eric Thelin Al Nimer et al. PLoS One. 2015 Jul 2;10(7):e0132177 October 10, 2016 43

NF-L ger däremot adderad oberoende information vid utfallsberäkningar Vi såg att NFL adderade signifikant till våra utfallsmodeller vid traumatisk hjärnskada Utan biomarkörer = 0.25 pseduo-r2 Med S100B = 0.33 pseudo-r2 Med S100B + NFL = 0.35 pseudo-r2 Av hur patienterna mår (Glasgow outcome score) efter 6 månader. Vi kunde inte se att NFL nivåerna var korrelarade till mer omfattande diffus axonal skada (DAI). Eric Thelin October 10, 2016 44

Ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1 (UCH-L1) Ubiquitin-protein, ser till att felveckade protein tas bort Just detta är neuronspecifikt. T ½ : 11 timmar i patienter med TBI Brophy et al. J Neurotrauma 2012; 28:861-870 Initialt väldigt lovande, förhöjt i både stroke och TBI Liu et al. Eur J Neurosci. 2010 February; 31(4) Går ej att beställa på labb Kommersiella ELISA Eric Thelin October 10, 2016 45

Eric Thelin Papa et al. J Trauma Acute Care Surg. 2012 May;72(5):1335-44 October 10, 2016 46 Papa et al. JAMA Neurol. 2016;73(5):551-560 Vid mild TBI är specificiteten låg för UCH-L1 Däremot inte lika bra som S100B eller GFAP Fler studier behövs Har visat sig vara förhöjt hos pat utan hjärnskada. Mindre hjärnspecifik än GFAP

Eric Thelin http://chronictraumaticencephalopathy.com/ October 10, 2016 47 Shahim et al. JAMA Neurol. 2014 Mar 13. Tau Ett protein som är ökad vid mildare hjärnskador som ger besvär över tid. Microtubuli stabiliserande protein i axoner. Protein som framförallt är anrikat vid Chronic Traumatic Encephalopathy (CTE) Få studier i människa vid TBI Bättre än S100B och NSE för att se hur allvarligt skadade (dagar avstängda) hockeyspelare i SHL var.

Amyloid Beta den klassiska biomarkören vid Alzheimers Lite annorlunda temporalt förlopp, dock förhöjt vid hjärnskada i blod. Samt sänkt i likvor (CSF) Möjlig markör för diffus axonal skada? Golden standard för detta inom traumatiska djurmodeller. Mondello et al. Sci Rep. 2014; 4: 6446 Eric Thelin October 10, 2016 48

Tau och amyloid kan även mätas i andra modaliteter Kopplad till diffus skada genom att mätas i mikrodialysat. Verkar som om höga tau samt låga amyloid nivåer är kopplat till allvarligare skada. Genom att söka sig nära organet man är intresserad av fås ett mer specifikt svar. Eric Thelin Magnoni et al. Brain. 2012 Apr;135(Pt 4):1268-80. October 10, 2016 49

Sökandet efter den perfekta biomarkören Intraparenchymal: Extracellular fluid Cerebrospinal fluid Venous Jugular Arterial Microdialys CSF Blod från hjärnan Blod perifiert Eric Thelin October 10, 2016 50

Nya, enkla screeningverktyg gör det möjligt att söka bredare Med hjälp av Human Protein Atlas kommer vi att söka efter nya biomarkörer för hjärnskada bland de teoretiskt mest hjärnspecifika proteinerna. Thelin et al. Behav Brain Res. 2016 Aug 31 Eric Thelin October 10, 2016 51

Krävs däremot välbeprövade assays för att kunna ge pålitliga resultat i slutändan Protein Arrays, Luminex-kit och ELISAs har en större CV (coefficient of variation), inter/intra-sampling variability och oftast högre LLoQ (Lowest level of quantification, funktionell sensitivitet ) än de kemlabstester som används. ANTIKROPPEN ÄR VIKTIG! Eric Thelin Smit et al. Int J Biol Markers. 2005 Jan-Mar;20(1):34-42. October 10, 2016 52

Sammanfattning S100B: Golden standard, mest studerad. Nackdel är dess relativt låga hjärnspecificitet, Cave: Multitrauma! NSE: Ger troligen lite tillsammans med S100B Cave: Hemolys! GFAP: Mest hjärnspecifik, lovande vid mild TBI Cave: Oklar halveringstid i serum NF-L: Adderar ytterligare tillsammans med S100B Cave: Troligen lång halveringstid serum Nya biomarkörer skall alltid testas med redan befintliga Viktigt att koppla biomarkörnivå -> skadegrad -> utfall! Eric Thelin October 10, 2016 53

Tack! Frågor? eric.thelin@ki.se et417@cam.ac.uk Eric Thelin October 10, 2016 54