Peripheral Nervous System Involvement in Amyotrophic Lateral Sclerosis: from diagnosis to disease understanding and development of novel biomarkers

La diagnosi della Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) è principalmente basata sulla valutazione clinica e può essere talvolta problematica soprattutto quando le manifestazioni cliniche sono sovrapponibili a quelle di malattie neurologiche che possono mimare la SLA. L’assenza di test diagnostici specifici limitano la possibilità di formulare la diagnosi in fase precoce di malattia. La definizione della prognosi dei malati di SLA è limitata dall’eterogeneità fenotipica della malattia e dalla sua intrinseca variabilità inter-individuale. Alla luce di tali considerazioni, eventuali biomarcatori potrebbero essere utili nel guidare decisioni diagnostiche, terapeutiche e di valutazione prognostica. Recenti evidenze di letteratura hanno individuato i neurofilamenti a catena leggera e pesante (NfL e pNfH) come i due più promettenti biomarcatori per la SLA. Nella prima parte del nostro studio, abbiamo valutato la concentrazione sierica dei pNfH in una numerosa cohorte di pazienti affetti da SLA (n=219). I nostri risultati evidenziano che in analisi multivariata i pNfH sono risultati fattori indipendenti nel predizione della sopravvivenza dei pazienti. Inoltre, la concentrazione dei pNfH è risultata eterogenea nella popolazione SLA; i valori più elevati sono stati riscontrati nei pazienti con prevalente interessamento del I neurone di moto e concomitante elevata velocità di progressione di malattia. In seguito, abbiamo effettuato un’analisi di espressione genica e sequenziale analisi di pathways su 8 nervi motori ottenuti da pazienti SLA e 7 da pazienti con neuropatia motoria considerati come controlli. Da tale analisi abbiamo indentificato UCHL1 come una proteina potenzialmente promettente come biomarcatore per la SLA. Abbiamo analizzato i valori plasmatici di tale proteina esplorandone le potenzialità diagnostiche e prognostiche, in parallelo abbiamo misurato anche i valori plasmatici di NfL, GFAP e tTAU in coorte di pazienti SLA (n=143) e di controllo. Nel nostro studio UCHL1 non si è confermato un promettente biomarcatore per la diagnosti di SLA, tuttavia è risultato essere un fattore determinante per la definizione prognostica dei pazienti stratificando ulteriormente la prognosi dei pazienti SLA con bassi valori plasmatici di NfL. Dalle nostre analisi si conferma che NfL come i migliori biomarcatori diagnostici sia per discriminare i pazienti SLA dai controlli sani (HC) e da pazienti affetti da altre malattie neurodegenerative (DEG). Tuttavia, la performance diagnostica degli NfL nel distinguere le SLA dalle patologie SLA mimic è sensibilmente ridotta con una sensibilità del 78%. Come osservato per i pNfH, anche i livelli di NfL sono più elevati in pazienti con prevalente interessamento del I neurone di moto e concomitante elevata velocità di progressione di malattia. I livelli plasmatici di GFAP riflettono i diversi gradi di interessamento cognitivo nei pazienti affetti da SLA, infatti pazienti SLA con concomitante demenza fronto-temporale o interessamento cognitivo presentavano più elevati valori di GFAP rispetto a pazienti SLA con selettivo interessamento motorio. Alla luce di questi dati GFAP potrebbe essere un biomarcatore utile per tracciare il declino cognitivo dei pazienti con SLA.

The mainstay of Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) diagnosis is the clinical evaluation, and it can be challenging when its first manifestations overlap with those of ALS mimic disorders (ALSmd). The lack of specific diagnostic test prevents an early diagnosis. The definition of prognosis in ALS is hampered by the heterogeneity of its clinical features, with variability in survival being the most salient feature. Therefore, wet biomarkers are needed to aid clinical decision, track disease progression, and better define disease trajectories. Recent advances highlighted neurofilaments as the most promising biomarkers for ALS. In the first part of our results, we assessed serum phosphorylated neurofilament heavy chain (pNfH) in a large ALS cohort (n=219). pNfH was an independent predictor of survival for ALS and its concentration was heterogenous across the ALS phenotypes, patients with fast disease progression and a predominant upper motor neuron burden showed the highest serum concentration. Subsequently, we performed gene expression and pathways analyses, on 8 motor nerve biopsies of patients with ALS and compared with 7 motor neuropathies as controls, identifying Ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase isozyme L1 (UCHL1) as a potential candidate biomarker for ALS. Therefore, we tested UCHL1 in an independent large ALS and control cohorts to assess its diagnostic and prognostic performances. At the same time, we also tested serum Neurofilament light chain (NfL) and Glial fibrillary acidic protein (GFAP). In our analysis, UCHL1 resulted not promising as diagnostic biomarkers, conversely, it was an independent prognostic factor, proving itself helpful in the stratification of survival for patients with lower NfL levels. NfL consistently reached the best diagnostic performance for ALS showing almost optimal performance in discriminating ALS from healthy controls and other neurodegenerative diseases. Conversely, the diagnostic yield in distinguishing ALS from ALSmd was lower with specificity decreasing to 78.0%. As similarly observed for the pNfH, NfL concentrations were heterogenous across the ALS phenotypes and higher concentrations were detected in patients with a fast disease progression and a predominant upper motor neuron burden. Serum GFAP, a known marker of astrogliosis, differs among cognitive phenotypes, namely ALS with concomitant cognitive impairment or FTD had higher levels compared with ALS with normal cognition. Therefore, GFAP might be instrumental in tracking the occurrence of cognitive decline in ALS.