Onderzoek naar de relatie tussen genen en ernst van de ziekte, last van de ziekte en effectiviteit van medicatie bij Nederlandse patiënten met Multiple Sclerose

Multiple sclerose (MS)
MS is een chronische ziekte die het centrale zenuwstelsel aantast en wordt
veroorzaakt door een interactie tussen genetische en omgevingsfactoren. In MS,
ontstekingen en neurodegeneratieve processen veroorzaken schade aan de
zenuwcellen (ook neuronen genoemd), waardoor uiteindelijk leidt tot verlies van
de vetlaag (myeline) om het zenuwuitlopers die nodig is voor snelle elektrische
geleiding. Het verlies aan myeline heeft gevolgen voor het functioneren van de
zenuwcellen en kan leiden tot een verscheidenheid aan neurologisch symptomen.

Bij de meeste patiënten met MS worden in het begin vooral periodes van zware
neurologische terugval (ook relapses of schubs genoemd) meegemaakt, gevolgd
door tijden waarbij de symptomen geheel of gedeeltelijk verdwijnen. Dit is de
relapsing-remitting vorm van MS (RRMS). Zonder het gebruik van medicatie,
zullen na 15 jaar meer dan 50% van de patiënten met RRMS overgaan op een
progressieve achteruitgang die gepaard gaat met permanente handicaps (Rovira et
al., 2013). Het is daarom van belang om in een vroeg stadium te komen tot de
juiste behandelmethode.

Op dit moment zijn er dertien medicijnen (disease-modifying treatments, DMTs in
het kort) goedgekeurd voor de behandeling van RRMS, namelijk: interferon-beta
(vijf producten), glatiramer acetaat (twee producten), natalizumab, fingolimod,
dimethyl fumaraat, teriflunomide, alemtuzumab en daclizumab. Effectieve MS
behandeling leid tot vermindering van de ernst van de ziekte en minder schubs.
Ondanks dat de hoeveelheid aan goedgekeurde medicijnen toeneemt, blijft het
onduidelijk hoe de patiënt zal reageren op een medicijn, wat de keuze voor het
type behandeling lastig maakt (Freedman and Abdoli, 2015; Serana et al., 2014).
Het lijkt erop dat de genetische heterogeniteit bijdraagt aan de pathogenese,
en dus ook de ziekte progressie (bijvoorbeeld het aantal relapses en de
snelheid van achteruitgang) (Baranzini et al., 2002; Freedman and Abdoli, 2015).

Farmacogenetica en gepersonaliseerde zorg
Recente ontwikkelingen in het veld van de zogenaamde "omics" data (genomics,
transcriptomics, proteomics and metabolomics) zijn een veelbelovende strategie
voor het voorspellen van de effectiviteit (en dus werkzaamheid) van een
medicijn. De data verzameld via "omics" aanpakken kan daarvoor bijdragen aan
het personaliseren van de zorg (Bhargava and Calabresi, 2016; Comabella and
Vandenbroeck, 2011; Farias and Santos, 2015). Farmacogenetica studies bekijken
of genetische variaties, in de vorm van single nucleotide polymorphisms (SNPs)
de effectiviteit van medicijnen aantasten. Voor IFN-* bijvoorbeeld, een van de
meest voorkomende eerstelijns behandelingen bij MS, heeft geen effect bij
30-50% van de mensen met MS (Kulakova et al., 2012). Specifieke SNPs hebben dus
een voorspellende waarde voor de effectiviteit van IFN-* behandeling (Hoffmann
et al., 2008; Kulakova et al., 2012; Wergeland et al., 2005). Het is voor
farmacogentische studies van uiterst belang om een goed gedefinieerd fenotype
vast te stellen (Mahurkar et al., 2014). Hiervoor zijn verschillende
vragenlijsten beschikbaar die belangrijke klinische parameters vast kunnen
stellen, bijvoorbeeld om te komen tot de Multiple Sclerosis Severity Score
(MSSS), een maat van ernst van de ziekte, en de Multiple Sclerosis Quality of
Life-54 (MSQOL-54), een maat voor de last van de ziekte (Roxburgh et al., 2005;
Zettl et al., 2014).

Moleculaire MS landschap
Big *omics* data voor complexe ziektes worden over het algemeen geanalyseerd
met behulp van bioinformatica methodes, wat leidt tot zogenaamde 'moleculaire
netwerken'. Wij hebben een innovatieve methode ontwikkeld om de moleculaire
processen betrokken bij een complexe ziekte in kaart te brengen door het
'bouwen' van een moleculair landschap. Het bouwen van een moleculair landschap
omvat allereerst het gebruik van bioinformatica methodes ter analyse van
genoom-wijde associatie studies (GWASs) en genoom-wijde expressie data
(bijvoorbeeld met behulp van programma's zoals Ingenuity (Qiagen, Redwood City,
US). Daarnaast wordt elke gen/eiwit in het landschap systematisch bekeken met
behulp van literatuur onderzoek over de (cel)fysiologie en pathologische
processes met betrekking tot de ziekte. Met behulp van deze methode hebben we
reeds verschillende moleculaire landschappen gebouwd voor complexe
neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson's, ALS, de ziekte van
Alzheimer en ook voor psychiatrische aandoeningen zoals ADHD, autisme en
obsessieve compulsieve stoornis; deze landschappen zijn gepubliceerd in hoog
aangeschreven medische tijdschriften (Klemann et al., 2016; Poelmans et al.,
2011a, 2011b, 2013; Vallès et al., 2014; van de Vondervoort et al., 2016).

Met behulp van onze methode hebben we een moleculair MS landschap opgesteld,
gebaseerd op genetische data van negen publiek toegankelijke GWAS data sets,
waarin totaal 11.500 MS patiënten en 21.000 gezonde controle personen bij
betrokken zijn geweest. Daarnaast hebben we genoom-wijde expressie data van
MS-patiënten en gegevens van MS cel- en diermodellen in het landschap verwerkt.
Het moleculaire MS landschap is voornamelijk gelokaliseerd in zenuwcellen en
reguleert een aantal onderscheidende biologische processes en signaalcascades
die bijdragen aan de uitgroei van de zenuwcellen en (re)myelinasatie. Een
aantal signaalcascades in het landschap zijn direct gelinkt aan bestaande
hypotheses over de oorzaak van MS: een verstoorde vitamine D regulatie en
signaling, proliferatie en differentiatie van zenuwcellen, en vrouwelijke
hormonen zoals progesterone en estradiol.

Genoom-wijde associatie studies (GWASs)
Afgelopen decennium zijn verschillende GWASs voor complexe genetische ziektes
uitgevoerd. Voor een GWAS worden typisch zo'n 500.000 SNPs - welke elk een van
twee varianten heeft - uitgevoerd om genomische variatie (ook genotype genoemd)
vast te stellen. Voor elke SNP wordt een p-value berekend dat aangeeft of een
variant of minder vaak voorkomt bij patiënten vergeleken met een groep gezonde
controle personen. Naast het uitvoeren van case-control GWASs worden ook vaak
'within case' GWASs uitgevoerd: de varianten van zo'n 500.000 SNPs worden
vastgesteld in een populatie van patiënten en gerelateerd aan een bepaald
aspect (fenotype) van de ziekte, zoals bijvoorbeeld ernst van de ziekte. Er
zijn recente methodes ontwikkeld om deze 'within case' GWASs te analyseren: de
gene set analysis en polygenic risk scoring.

Gene set analysis
Gene set analysis is een recent ontwikkelde methode voor het analyseren van
GWAS data. Met behulp van gene set analysis kan worden vastgesteld of een hele
set van gene behorende bij een moleculair proces of cascade, significant
gerelateerd is aan een ziekte of fenotype. Bijvoorbeeld, gene set analysis
heeft aangetoond dat genen in een moleculair landschap voor ADHD, dat wij
ontwikkeld en gepubliceerd hebben, significant betrokken is bij de
hyperactieve/impulsieve component van ziekte (Bralten et al., 2013).

Polygenic risk scoring (PRS) analysis
Een andere methode voor het analyseren van GWAS gegevens is de PRS analysis
(Euesden et al., 2015). In het kort: PRS analysis kan gebruikt worden om de
overlap tussen een genotype voor een bepaald fenotype, ook een 'trait' genoemd
zoals bijvoorbeeld de bloedlevels van vitamine D en het genotype van een andere
ziekte/fenotype. Voor deze studie zullen we PRS analyse gebruiken om te
bekijken of er genetische overlap is tussen een bepaald aantal 'traits' -
gebaseerd op beschikbare GWAS data - en de fenotypes behorende bij deze studie,
te weten ernst van de ziekte, last van de ziekte en werkzaamheid van de
medicatie. We gebruiken voor deze analysis uit de literatuur beschikbare GWAS
data sets voor vitamine D (Wang et al., 2010) en lipide/lipoprotein (Willer et
al. 2013, Ruth et al., 2016) levels. Wij hebben recentelijk PRS analysis
gebruikt en toonde daarmee de genetische overlap aan tussen bloedlevels van
lipiden zoals cholesterol en de ziekte van Parkinson (Klemann et al. 2017).
Samengenomen kan ons moleculaire MS landschap gebruikt worden om de relatie
tussen genetische achtergrond van MS patiënten en MS-gerelateerde fenotypes
bestuderen.

Het doel is om middels de resultaten van genoom-wijde associatie studies
(GWASs) van fenotypische, ziekte-gerelateerde gegevens van individuele MS
patitenten inzicht te verkrijgen in de genen die betrokken zijn bij de ernst
van de ziekte en last van de ziekte (primaire doelstelling) en effectiveit van
de ziekte (secundaire doelstelling).

Onderzoeksopzet: multi-center observationeel onderzoek, cohort ontwerp

Deelnemers: 600 patiënten met MS gerekruteerd bij zes MS centra

Duur: 24 maanden

Bloedverzameling en genotypering (GWAS) gegevens:
* bloedverzameling: eenmalig zal bloed worden verzameld in het ziekenhuis
direct na een routine neuroloogbezoek (MS patiënten bezoeken hun neuroloog
gemiddeld elke zes maanden, afhankelijk van de patiënt).
* de bloedstalen worden vervoerd en opgeslagen op - 80oC op de afdeling
Moleculaire Dierfysiologie van de Radboud Universiteit Nijmegen. Genotypering
(GWAS chip: Human CoreExome-24+ DNA Analysis BeadChip, Illumina, San Diego,
California) en *within-case* GWASs wordt uitgevoerd door Dr. Marijn Martens in
samenwerking met de afdeling Humane Genetica aan de Radboud Universitair
Medisch Centrum, Nijmegen.

Fenotypische gegevens:
* klinische data: voor de meeste patiënten zal een EDSS score beschikbaar zijn
via de behandelend neuroloog. Voor de patiënten waarvoor geen EDSS score
beschikbaar is, zal een bevoegde verpleegkundige de EDSS score telefonisch
afnemen.
* verdere fenotypische data wordt verzameld via 3 online vragenlijsten (MSIP,
MSQoL-54 en een patiëntformulier).

De patiënten worden gevraagd om drie online vragenlijsten in te vullen; verder
worden de patiënten gevraagd voor een eenmalige bloedafname. De bloedafname zal
plaatsvinden direct na een regulier bezoek aan de neuroloog, zodat de patiënten
geen extra reistijd kwijt zullen zijn aan deze studie. Een potentieel risico is
dat de patiënten geconfronteerd worden met (de ernst van) hun ziekte.