Reduction of inflammation and increase in neurological repair mechanisms revealed by cerebrospinal fluid proteomics in multiple sclerosis patients after natalizumab treatment

Abstract

Multippel sklerose (MScl) er ein inflammatorisk sjukdom i sentralnervesystemet. I starten av sjukdomsløpet vil skaden på sentralnervesystemet bli reversert, men ettersom sjukdommen utviklar seg vil skadane bli meir alvorlege og til slutt permanente. Difor er det særs viktig å diagnostisere tidleg i sjukdomsløpet og sørge for riktig behandling. Ein standardisert protoll for å diagnostisere har blitt utvikla for å kunne så tidleg så mogleg setje rett diagnose. Biomarkørar som for eksempel oligoklonale band er ein viktig del av diagnostiseringa i dag, men med fleire biomarkørar kunne man også for eksempel observere om ein pasient responderte på behandling eller ikkje. I dag er det ei rekke med behandlingar tilgjengeleg, slik som interferon behandlingar som er anti-inflammatorisk og ein såkalla første-linje sjukdomsmodifiserande behandling. Dersom pasientar ikkje responderer på interferoner, finst der andre-linje behandlingar slik som natalizumab. Natalizumab er et monoklonalt antistoff som stopper lymfocyttar assosiert med inflammasjon frå å krysse blod-hjerne barrieren og reduserer tilbakefall og uførhetsstatus hos MScl pasienter. Ved å studere korleis cerebrospinalvæske (CSF) proteomet endrar seg i pasientar behandla med natalizumab kan belyse kva for prosessar som er endra av denne behandlinga, og på same tid avsløre potensielle biomarkørar for MScl. Ved å bruke tandem mass tag (TMT) merking for å kvantifisere CSF proteomet etterfulgt av massespektrometrisk analyse, vart 2406 proteiner kvantifisert, som etter det vi kan finne er det høgste talet kvantifiserte proteiner frå CSF proteomikk eksperiment i publisert litteratur. Ved å bruke Reactome og STRING (GOBP) nettverk analysar, fleire mekanismar var funne påverka etter behandling, inkludert ein verifikasjon av den allereie dokumenterte inflammatoriske nedgangen, og en ny mekanisme påverka av behandling har blitt foreslått, en nevrologisk reparasjonsmekanisme. Ved å samanlikne TMT dataene generert i denne oppgåva med eksisterande CSF proteomikk datasett, blei sjukdomspåverka mekaismer samanlikna med mekanismar påverka av natalizumab ved hjelp av STRING analyse og GOBP funksjonell klassifisering. Dette resulterte i protein som tilsynelatande er påverka av MScl, men ikkje av natalizumab. Desse proteina kan representere prosessar som påverkar sjukdommen til å fortsette, og har blitt foreslått som potensielle biomarkørar. Tjuetre protein blei analysert som ein del av ein verifikasjonsstudie ved bruk av parallell reaksjonsmåling, og fire av desse var funne til å vise en signifikant endring i mengde etter behandling. Til slutt blei ni protein foreslått som potensielle biomarkører for framtidige verifikasjonsstudier.

Multiple Sclerosis (MScl) is an inflammatory demyelinating disease of the central nervous system. In the early years of the disease, the damage is healed after a demyelinating episode, but as it progresses, the damage becomes more severe and eventually permanent. Therefore, early diagnosis and correct treatment is crucial. A standardized protocol for diagnosis has been created as a tool towards correct and early diagnosis. Biomarkers such as oligoclonal bands are an important part of the diagnostic process, but if there were more biomarkers for MScl one could for example monitor how a patient is responding to a treatment. Today, a number of treatments are available, such as interferons which is an anti-inflammatory first-line disease modifying treatment for Multiple Sclerosis patients. For patients not responding to interferons, there are second-line treatment such as natalizumab. Natalizumab is a monoclonal antibody that stop lymphocytes associated with the inflammatory demyelination from crossing the blood-brain barrier and greatly reduces the relapse and disability rate in MScl patients. Studying how the cerebrospinal fluid (CSF) proteome changes in patients treated with Natalizumab may shed light on which processes are changed by this treatment, and at the same time reveal potential biomarkers of MScl. Using tandem mass tag (TMT) labeling in quantifying the CSF proteome, followed by mass spectrometry analyses, 2406 proteins were quantified which as far as we have found is the highest number of quantified proteins from a CSF proteomics experiment in the published literature. Reactome and STRING (GOBP) pathway analysis revealed several pathways to be affected after treatment, including a verification of the previously verified inflammatory inhibitory effects of Natalizumab. A novel mechanism affected by treatment has been proposed, neurological repair. By comparing the TMT data generated in this thesis against existing CSF proteomics datasets on MScl, disease affected pathways were compared to pathways affected by the Natalizumab treatment using STRING analysis and GOBP functional annotation. Among these findings were proteins that appeared to be affected by the disease, but not by Natalizumab. These proteins could represent processes that continue to drive the disease forward even during the treatment and some of these were suggested as potential biomarkers. Twenty-three peptides were analyzed for verification using parallel reaction monitoring, and four of these were found to be significantly changed in abundance after treatment. Lastly, nine proteins were suggested as potential biomarkers for future verification studies.