Escalas clínicas, neuroimagem e neurofisiologia ocular como biomarcadores de progressão do período pré-atáxico na ataxia espinocerebelar tipo 3/doença de Machado-Joseph (SCA3/MJD)

Abstract

Base teórica A ataxia espinocerebelar do tipo 3, também chamada de Doença de Machado-Joseph (SCA3/MJD), é uma doença neurodegenerativa da classe das poliglutaminopatias caracterizada por ataxia de marcha e outros distúrbios neurológicos. Até o momento, nenhuma terapia preventiva ou modificadora da doença está disponível, mas ensaios clínicos são esperados para um futuro próximo. Existem fortes sugestões de que sua implementação precoce, até mesmo em fases pré-clínicas da doença, venha a ser mais efetiva. As escalas clínicas validadas até o momento para a fase atáxica da doença apresentam tamanhos de efeito pequenos, adicionando complexidade ao desenho de ensaios clínicos devido ao grande tamanho de amostra necessário para uma doença rara. Além disso, não há biomarcadores validados para a fase pré-clínica. Nesse contexto, estudos longitudinais de biomarcadores substitutos nas fases pré-clínica e clínica da SCA3/MJD se tornam necessários. Alguns possíveis candidatos com evidências prévias e que serão aqui estudados são o movimento ocular medido quantitativamente por vídeo-oculografia e a neuroimagem, incluindo volumetrias encefálicas, área seccional de medula cervical e estudos de substância branca com Diffusion Tensor Imaging (DTI). Objetivo Determinar a progressão longitudinal, a sensibilidade à mudança e a responsividade dos parâmetros do movimento ocular medidos por vídeo-oculografia ー ganho do reflexo vestíbulo-ocular (VOR), ganho do acompanhamento ocular vertical, velocidade de fase lenta dos nistagmos central e evocado pela mirada e sequência principal de sacadas verticais voluntárias e reflexas ー e dos parâmetros de ressonância nuclear magnética (RNM) estrutural ー área da medula cervical, volumetrias e DTI ー, comparados às escalas clínicas Scale for the Assessment and Rating of Ataxia (SARA), Neurological Examination Scale for Spinocerebellar Ataxias (NESSCA), International Cooperative Rating Scale (ICARS), Inventory of Non-Ataxia Signs (INAS), SCA Functional Index (SCAFI) e Composite Cerebellar Functional Score (CCFS), buscando sua validação como biomarcadores para os períodos pré-clínico e clínico da SCA3/MJD. Métodos O estudo caracterizou-se por ser longitudinal prospectivo unicêntrico, com desenho de história natural. Foram incluídos indivíduos atáxicos com diagnóstico molecular confirmado de SCA3/MJD acompanhados no ambulatório de Neurogenética do Hospital de Clínicas de Porto Alegre; e indivíduos saudáveis em risco de 50% de terem herdado a mutação. Os últimos tiveram seus genótipos determinados de maneira duplo-cega e foram divididos em dois subgrupos: portadores pré-atáxicos e controles. Cada sujeito foi avaliado em três momentos ─ baseline e em tempos medianos (IIQ) de 13 (0) e 27 (7) meses ─ com aplicação das escalas clínicas SARA, NESSCA, ICARS, INAS, CCFS e SCAFI, e análise do movimento ocular por vídeo-oculografia (EyeSeeCam, Interacoustics). A RNM aconteceu na primeira e na terceira visitas nos grupos pré-ataxico e controle. Nas visitas 2 e 3, todos os sujeitos completaram a Impressão Global de Mudança do Paciente (PGI-C). Diferenças estatísticas entre os grupos controle e pré-atáxico foram avaliadas no Baseline. Para a análise longitudinal, duas estratégias foram desenhadas: em tempo de estudo e em tempo de progressão da doença (tempo previsto para o início da ataxia nos pré-atáxicos e duração da doença nos atáxicos). A análise estatística para as duas abordagens foi realizada por modelos mistos incluindo efeitos aleatórios para slope e intercepto de cada sujeito, ajustados no software R 4.1.1. Tamanhos de efeito foram calculados usando o pacote emmeans. A responsividade foi determinada por curvas ROC usando os grupos estável e pior de acordo com o PGI-C como critério externo. Para o grupo dos pré-atáxicos, a taxa de conversão para a ataxia durante o acompanhamento longitudinal foi utilizada como desfecho para cálculo de tamanho amostral. O nível de significância estatística foi de 5%. Correção para múltiplas comparações foi realizada para as ressonâncias com Bonferroni. Resultados Um total de 95 sujeitos foram recrutados para participar do estudo ─ 35 indivíduos atáxicos, 38 indivíduos pré-atáxicos e 22 controles relacionados. Várias alterações de movimento ocular e neuroimagem estão presentes já na fase pré-clínica da doença. Entre os achados de vídeo-oculografia, estão a redução do ganho do VOR; a alteração de sequência principal das sacadas verticais voluntárias e reflexas; e o aumento da velocidade de fase lenta do nistagmo evocado pela mirada. Para neuroimagem, há diminuição de anisotropia fracionada no pedúnculo cerebelar inferior direito e no lemnisco medial direito; aumento de difusividade média nos pedúnculos cerebelares médios e inferior esquerdo e no lemnisco medial direito; aumento de difusividade radial nos lemniscos mediais e no pedúnculo cerebelar inferior direito; e redução da área da medula espinhal cervical em nível de C1. No acompanhamento longitudinal, as seguintes variáveis apresentaram progressão significativa nos portadores pré-atáxicos: NESSCA e ganho do acompanhamento ocular vertical em tempo de estudo naqueles sujeitos próximos ao início da doença; e NESSCA, INAScount, ganho do VOR, anisotropia fracionada de lemniscos mediais e pedúnculo cerebelar inferior direito, difusividade média de pedúnculo cerebelar médio esquerdo, e difusividade radial do pedúnculo cerebelar inferior direito em tempo predito para o início da ataxia. Nessa fase da história natural, os maiores tamanhos de efeito foram para os parâmetros de DTI. Para os indivíduos atáxicos, todas as escalas clínicas apresentaram progressão durante tempo de estudo e duração da doença, com maior sensibilidade à mudança e responsividade que os parâmetros do movimento ocular. Achados de neuroimagem nos indivíduos atáxicos não foram descritos no presente estudo. Oito portadores pré-atáxicos converteram para ataxia durante o follow-up. Considerando um ensaio clínico com 80% de poder, 3 anos de seguimento e nível de significância 5%, para detectar uma redução de 50% na taxa de conversão para a ataxia, um total de 57 sujeitos pré-atáxicos que estivessem dentro de 4 anos previstos para início da doença em cada braço do estudo seriam necessários. Conclusão Escalas clínicas, parâmetros do movimento ocular e medidas de DTI apresentaram progressão confirmada já na fase pré-atáxica da doença. No entanto, essa progressão é lenta, com tamanhos de efeito pequenos e, muitas vezes, não detectada em tempo de estudo. Entre as estratégias possíveis para diminuir o tamanho de amostra em futuros ensaios clínicos, estão o recrutamento preferencial de indivíduos pré-atáxicos próximos ao início dos sintomas, e o desenho do estudo para análise estatística que leve em consideração a fase em que cada indivíduo se encontra, seja em anos preditos para o início da doença nos indivíduos pré-atáxicos ou anos de duração de doença nos atáxicos.

Background Spinocerebellar ataxia type 3, also called Machado-Joseph Disease (SCA3/MJD), is a neurodegenerative disease classified as a polyglutaminopathy and characterized by gait ataxia and other neurological disturbances. No preventive or disease-modifying therapy is available to date, however clinical trials are expected in the near future. There are data suggesting that early implementation, even in preclinical disease stages, could be more effective. The validated clinical scales for the ataxic stage present with small effect sizes, making clinical trials less feasible due to the large sample sizes needed for a rare disease. Furthermore, there are no validated biomarkers for the preclinical stage. In this context, longitudinal studies to explore surrogate biomarkers in the preclinical and clinical stages of SCA3/MJD are needed. Some possible candidates with previous evidence that were studied in the present report are eye movements measured quantitatively by video-oculography, and neuroimaging, including brain volumetry, cervical spinal cord sectional area and white matter studies with Diffusion Tensor Imaging (DTI). Objective To determine the longitudinal progression, the sensitivity to change and the responsiveness of oculomotor parameters measured by video-oculography ー VOR gain, vertical pursuit gain, slow-phase velocity of central and gaze-evoked nystagmus, main sequence of volitional and reflexive vertical saccades ー and of structural MRI parameters ー cervical spinal cord area, volumetry and DTI ー, compared to the clinical scales Scale for the Assessment and Rating of Ataxia (SARA), Neurological Examination Scale for Spinocerebellar Ataxias (NESSCA), International Cooperative Rating Scale (ICARS), Inventory of Non-Ataxia Signs (INAS), SCA Functional Index (SCAFI) and Composite Cerebellar Functional Score (CCFS), aiming their validation as biomarkers for the preclinical and clinical stages of SCA3/MJD. Methods The BIGPRO study is a single-center prospective longitudinal study, with natural history design. Ataxic individuals with confirmed molecular diagnosis of SCA3/MJD followed-up at the Neurogenetics Outpatient Clinic of Hospital de Clínicas de Porto Alegre, Brazil, and individuals at 50% risk of inheriting the mutation were included. The latter had their genotypes determined in a double-blind manner and were divided into two subgroups: pre-ataxic carriers and controls. Each subject was assessed three times ─ at baseline and at median (IQR) 13 (0) and 27 (7) months ─ with neurological examination (clinical scales SARA, NESSCA, ICARS, INAS, CCFS and SCAFI) and eye movement measurement with video-oculography (EyeSeeCam, Interacoustics). MRI was performed at baseline and at final visit in pre-ataxic carriers and controls. At visits 2 and 3, all subjects completed the Patient Global Impression of Change (PGI-C). Statistical differences between the pre-ataxic group and controls were assessed at Baseline. For the longitudinal analysis, two strategies were designed: in study duration and in disease progression time (with predicted time to onset for pre-ataxic and disease duration for ataxic carriers). Statistical analysis was performed using mixed models for both strategies, including random effects for intercept and slope for each subject, adjusted in R software 4.1.1. Effect sizes were calculated using emmeans package. Responsiveness was determined by ROC curves against groups worse or stable according to PGI-C as external criteria. For the pre-ataxic group, the conversion rate to ataxia during longitudinal follow-up was used as outcome to calculate sample size. Statistical significance level was considered 5%. Bonferroni correction was performed for MRI analysis. Results A total of 95 subjects were recruited to participate in the study ─ 35 ataxic individuals, 38 pre-ataxic individuals and 22 related controls. Several oculomotor and neuroimaging abnormalities are already present in the preclinical disease stage. As for video-oculography parameters, there was reduced VOR gain; altered main sequence of volitional and reflexive vertical saccades; and increased slow-phase velocity of gaze-evoked nystagmus. For MRI, there was reduced fractional anisotropy in the right inferior cerebellar peduncle and in the right medial lemniscus; increased mean diffusivity in the bilateral middle and right inferior cerebellar peduncles and in the right medial lemniscus; increased radial diffusivity in the medial lemniscus and in the right inferior cerebellar peduncle; and reduced cervical spinal cord area at C1 level. In the longitudinal evaluation, the following variables significantly progressed in the pre-ataxic carriers: NESSCA and vertical pursuit gain in study duration in those near disease onset; and NESSCA, INAScount, VOR gain, fractional anisotropy in the medial lemniscus and in the right inferior cerebellar peduncle, mean diffusivity in the left middle cerebellar peduncle and radial diffusivity in the right inferior cerebellar peduncle in predicted time to ataxia onset. In this natural history stage, the larger effect sizes were those of the DTI parameters. For the ataxic subjects, all clinical scales progressed over study duration and over disease duration, with more sensitivity to change and responsiveness than the oculomotor parameters. Neuroimaging findings were not described for the ataxic group in the present report. Eight pre-ataxic carriers converted to ataxia during follow-up. Considering a clinical trial with 80% power, 3-year follow-up duration and 5% significance level, in order to detect a 50% reduction in conversion rate to ataxia, a total of 57 pre-ataxic subjects within 4 years of predicted disease onset calculated at birth would be needed in each study arm. Conclusion Clinical scales, oculomotor parameters and DTI measurements progressed already in the pre-ataxic disease stage. Nevertheless, this progression is slow, with small effect sizes and, sometimes, not even detected in study duration time. Within the possible strategies to reduce the required sample size for future clinical trials, are to prioritize the recruitment of pre-ataxic carriers near predicted time to ataxia onset and/or to design a study with statistical analysis that takes into consideration the individual disease stage, in years predicted to ataxia onset in pre-ataxic carriers or in years of disease duration for ataxic carriers.