Creating the basis of a new design for therapeutic interventions in Secondary Progressive Multiple Sclerosis using 1H Magnetic Resonance Spectroscopy in human brain.

Secondary Progressive Multiple Sclerosis (SPMS) is the greatest therapeutic challenge facing the multiple sclerosis community today. The develop of a new effective therapy for this kind of patients is still needed, as well as the understanding of the mechanisms involved in disease development. In this study I aimed to provide a better description of the metabolic alterations present in SPMS patients’ and to create the basis of a new design for a personalized therapeutic intervention. First of all I created a new method of 1H Magnetic Resonance Spectroscopy Imaging (MRSI) data analysis in order to provide a detailed overview of the metabolic changes in the frontal, parietal and occipital part of patients’ brain. Data were acquired on a 3T scanner: 160 patients enrolled in the MS-SMART clinical trial (Multiple Sclerosis - Secondary Progressive Multi-Arm Randomisation Trial) underwent to a MRSI protocol. All the metabolites detectable with this technique (N-acetyl aspartate, Glutamate, Myo-inositol, Choline, Creatine) were evaluated both in normal appearing white matter (NAWM) and normal appearing grey matter (NAGM) of patients focusing on the spatial distribution of alterations. Then a comparison with the values detected in a sample of healthy controls has been performed. A significant difference of concentrations was detected in different brain tissues of patients: Glx resulted higher in NAGM; NAA, Cho and Cr resulted higher in NAWM; mIns appeared as equally distributed between tissues. Moreover, a metabolic gradient was detected and all the metabolites presented an higher concentration in the occipital part of the brain than in the frontal and the parietal areas. However, the comparison between patients and healthy subjects defined just the concentrations of Glx and Cr in NAWM as significantly altered, and confirmed the presence of the metabolic gradient even in controls. Therefore I overlapped the values obtained by the two samples. The results enhanced the presence of different groups of patients with metabolic concentrations either close to normal or biochemically altered in different parts of the brain. Consequently this suggested that SPMS doesn’t act in the same way in everyone, but it presents a different main mechanism of action in different subjects. In order to make the identification of this potential target pathway easier, with the second part of the analysis I found a method to describe in detail the alterations present in each patient. With the conjunction of graphs and analytical models, I was able to perfectly explain the heterogeneous situation of the MS-SMART population. For each subject, it was possible to observe which metabolites have been influenced by SPMS and how much NAWM and NAGM have been damaged. Consequently, the construction of this kind of models appeared as very useful for the design of the most effective personalized therapy, avoiding inconclusive attempts and reducing the experience of side effects on patients.

La Sclerosi Multipla Secondariamente Progressiva (SPMS) si presenta attualmente come una sfida terapeutica da risolvere. Lo sviluppo di nuove terapie efficaci per questo tipo di pazienti è tuttora necessario, e i meccanismi coinvolti nell’evoluzione patologica sono ancora da chiarire. L’obiettivo primario di questo studio è stato quello di fornire una migliore descrizione delle alterazioni metaboliche presenti nei pazienti SPMS e di creare le basi per la progettazione di un intervento terapeutico personalizzato. Per prima cosa è stato creato un nuovo metodo di analisi di dati di Spettroscopia in vivo (MRSI) per ottenere una panoramica dettagliata delle alterazioni metaboliche presenti nell’area frontale, parietale e occipitale del cervello dei pazienti. I dati sono stati acquisiti su uno scanner 3 Tesla: 160 pazienti arruolati nel trial clinico chiamato MS-SMART (Multiple Sclerosis - Secondary Progressive Multi-Arm Randomisation Trial) sono stati sottoposti a un protocollo di acquisizione MRSI. Tutti i metaboliti rilevabili con questa tecnica (N-acetil aspartato, Glutamato, Myo-inositiolo, Colina, Creatina) sono stati valutati nella normal appearing white matter (NAWM) e nella normal appearing grey matter (NAGM) dei pazienti, ponendo l’attenzione sulla distribuzione spaziale delle alterazioni. In seguito è stato eseguito un confronto con i valori provenienti da un campione di controlli sani. Una significativa differenza di concentrazioni è stata osservata nei diversi tipi di tessuto dei pazienti: il Glutamato è risultato maggiormente concentrato nella NAGM; NAA, Colina e Creatina hanno mostrato una concentrazione superiore nella NAWM; il Myo-inositolo si è presentato come distribuito equamente tra i tessuti. Inoltre, è stato possibile osservare un gradiente metabolico, poichè la concentrazione di tutti i metaboliti è risultata più alta nell’area occipitale cerebrale rispetto alle aree frontali e parietali. Tuttavia, il confronto tra pazienti e soggetti non patologici è riuscito a confermare come significativamente alterate solo le concentrazioni del Glutamato e della Creatina nella NAWM, e la presenza di un gradiente metabolico è stata evidenziata anche nei controlli. Per questo motivo, ho deciso di eseguire una sovrapposizione dei valori provenienti dai due campioni. I risultati hanno evidenziato la possibilità di dividere i pazienti in diversi gruppi a seconda delle loro concentrazioni metaboliche, poichè queste in diverse aree cerebrali possono risultare o alterate o molto simili a quelle rilevate nei soggetti sani. Ciò suggerisce che i metaboliti non sono necessariamente alterati in tutti allo stesso modo e che il meccanismo di azione della Sclerosi Multipla Secondariamente Progressiva presenta un pathway preferenziale in ogni singolo paziente. Per riuscire a meglio identificare questo pathway e renderlo di conseguenza un target terapeutico, nella seconda parte della mia analisi ho creato un metodo per descrivere nel dettaglio le alterazioni presenti in ogni singolo paziente. Congiungendo grafici e modelli analitici è stato possibile provvedere alla descrizione dell’eterogenea situazione presente nella popolazione clinica dell’MS-SMART. Per ogni soggetto è stato possibile osservare quali metaboliti sono stati influenzati dalla patologia e quanto la NAWM e la NAGM sono state danneggiate. Di conseguenza, la costruzione di questo tipo di modelli è risultata molto utile per la progettazione della più efficace terapia personalizzata, con l’obiettivo di evitare tentativi inconcludenti e di ridurre il manifestarsi di effetti collaterali nei pazienti.