UNRAVELLING THE PHENOTYPIC SPECTRUM OF INDIVIDUALS WITH DUCHENNE MUSCULAR DYSTROPHY

ABSTRACT (ITA) La distrofia muscolare di Duchenne (DMD) è una malattia neuromuscolare legata al cromosoma X caratterizzata dal progressive deterioramento delle funzioni motorie, cardiache e respiratorie. Con un'incidenza di 1 su 5000 nati vivi, è tra le condizioni degenerative più comuni nei bambini. Nonostante i progressi nella comprensione dei meccanismi molecolari e lo sviluppo di diversi approcci terapeutici, al momento non esiste una cura efficace per la malattia. Il percorso verso il disegno dei trials clinici e lo sviluppo di nuovi farmaci è ostacolato da diverse problematiche. In primo luogo, un’incompleta comprensione delle ragioni biologiche alla base della variabilità clinica osservata nei pazienti. In secondo luogo, una conoscenza limitata dei biomarcatori necessari per cogliere i cambiamenti entro un intervallo di tempo specifico, che di solito è ristretto negli studi farmacologici. In terzo luogo, il solo parziale riconoscimento della presenza di sottopopolazioni il cui decorso di malattia potrebbe discostarsi da quanto atteso. In questo progetto di dottorato, abbiamo mirato a espandere e confutare le conoscenze attuali sulla storia naturale della DMD. Abbiamo dimostrato per la prima volta che i pazienti con una duplicazione dell'esone 2, la più comune duplicazione out-of-frame osservata nei pazienti affetti, presentano come gruppo un decorso di malattia più lieve, con alcuni individui capaci di camminare fino a 10 anni oltre l'età prevista per la perdita della deambulazione, ma anche con pazienti che mostrano un decorso di malattia più tipico e grave. Attraverso l'avvio di uno studio prospettico longitudinale, miriamo a caratterizzare completamente questa sottocategoria di pazienti e identificare i meccanismi molecolari che contribuiscono alla modulazione del fenotipo. Questo richiede un approccio a più fasi che include l'analisi dei punti di rottura del DNA (DNA breakpoints), la definizione dei trascritti mRNA e la quantificazione dell'espressione proteica. Lo studio, che ha coinvolto ad oggi 24 pazienti, è in corso. Per poter affinare la definizione della gravità della malattia nei pazienti più giovani, abbiamo anche condotto uno studio per fornire dati quantitativi per la valutazione della prognosi a lungo termine basata sulla funzione motoria raggiunta al picco (ovvero intorno ai 7 anni). Questo tipo di informazioni non era disponibile in letteratura. Abbiamo dimostrato che sia la North Star Ambulatory assessment che il tempo richiesto per alzarsi da terra misurati all'età in cui ci si aspetta il picco di funzionalità motoria sono associate all'età alla perdita della deambulazione. Infine, abbiamo indagato la relazione tra il progressivo deterioramento della funzione respiratoria misurata dalla capacità vitale forzata (FVC) e l'insorgenza di anomalie nello scambio di gas durante il sonno (O2 e CO2). Non solo i nostri risultati chiariscono la correlazione tra i valori di FVC e il rischio di ipoventilazione notturna, ma abbiamo scoperto che, contrariamente a quanto si crede attualmente, fino a un quinto dei pazienti potrebbe mostrare una progressione più rapida e non lineare della funzione respiratoria. Queste informazioni saranno utili sia per la cura dei pazienti che per la progettazione di futuri studi clinici.

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is an X-linked neuromuscular disorder characterized by the progressive deterioration of gross motor, cardiac and respiratory function. With an incidence of 1:5000 live male births, it is among the most common degenerative conditions in children. Despite advancements in the understanding of molecular mechanisms and the development of several different therapeutic approaches, at present there is no effective cure for the disease. The path towards clinical trial readiness and development of drugs is hampered by different flaws. First, an incomplete understanding of the biological reasons underlying the clinical variability observed in patients. Second, a limited knowledge of the biomarkers required to capture changes within a specific time frame, which is usually narrow in interventional trials. Third, the inadequate acknowledgement of the existence of subpopulations whose disease trajectory might deviate from the expected. In this PhD project, we aimed to expand and challenge the current knowledge regarding the natural history of DMD. We demonstrated for the first time that patients harboring a duplication of exon 2, the most common out-of-frame duplication in DMD, collectively present with a milder disease course, with some individuals being able to walk 10 years beyond the expected age at loss of ambulation but also with patients displaying a severe disease course. By the initiation of prospective, longitudinal study we aim to fully characterize this sub-cohort of patients and identify the molecular mechanisms contributing to phenotype modulation. This requires a multi-step approach that includes analysis of DNA breakpoints, definition of mRNA transcripts and quantification of protein expression. The study, which has included 24 patients, is ongoing. In order to be able to refine the definition of disease severity in younger patients, we also performed a study to provide a quantitative framework for the designation of long-term prognosis based on the maximum-achieved motor function. Such data was not available in the literature. We found that both the North Star ambulatory assessment and the timed rise from the floor measured at the age of expected peak of motor function were associated with the age at loss of ambulation. Lastly, we investigated the relationship between the progressive deterioration of respiratory function measured by forced vital capacity (FVC) and the onset of abnormal nocturnal gas exchanges. Not only we provided data that clarify the correlation between FVC values and the risk of hypoventilation, but we found that, in contrast to what is currently believed, up to a fifth of patients may in fact display a more rapid, and nonlinear progression of respiratory function. This information will be useful both for the care of patients and for the design of clinical trials.