Cerebrospinal fluid neurofilament light chain as a biomarker in neuroaxonal damage: Comparing and analysing quantification with two analytical assays

Thumbnail Image

Files

gupea_2077_64164_1.pdf (967.51 KB)

Date

2020-04-29

Authors

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Abstract

Abstract Cerebrospinal fluid neurofilament light chain as a biomarker in neuroaxonal damage: Comparing and analysing quantification with two analytical assays Degree Project in Medicine, Jennifer Ask, 2019 Supervisor: Prof. Henrik Zetterberg, Institute of Neuroscience and Physiology, The Sahlgrenska Academy of Gothenburg. Co Supervisors: Dr. Amanda Heslegrave & PhD. Claire Leckey, UCL Institute of Neurology Department of Psychiatry and Neurochemistry, London, UK Introduction: Neurofilament light chain (NfL) is a potential biomarker in cerebrospinal fluid (CSF) and blood for neuroaxonal degeneration. Many studies have examined its concentration in various neurodegenerative diseases but its turnover in CSF has not been established. To prepare for stable isotope labelling kinetics (SILK) experiments, with which turnover can be examined, a Mass spectrometry-based quantification method for NfL would be needed. Aim: To confirm quantification of NfL concentration in CSF and serum using two different assays and as a substudy, to develop a targeted proteomic assay to detect NFL in CSF using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Methods: The study population contains 36 paired samples in CSF and serum collected from patients under investigation for neurodegenerative diseases, at Sahlgrenska University Hospital, Gothenburg. In Gothenburg, CSF NFL was measured using an in-house ELISA. In London, CSF and serum concentrations of NfL were analysed using the Single Molecular Array (Simoa) technique. In a sub study, pilot experiments to develop an LC-MS/MS-based method for NfL were performed. The assay was developed to detect tryptic peptides of NfL, which are likely to be detected and will be appropriate for Stable Isotope Labeling Kinetics (SILK) in future clinical UCL-SILK studies. Result: CSF NfL measured at UCL in London strongly correlated with CSF NfL previously measured in Gothenburg (Spearman Rho=0.86, p< .001). In addition, correlation between serum NfL and CSF NfL was highly significant (Spearman Rho =0.76, p < 0.001). Development of a method to detect NfL in CSF by LC-MS/MS was started and optimisation is on-going. Conclusions: In conclusion, this master thesis showed correlations in CSF concentrations of NFL detected by two different laboratories and using two different assays. Furthermore, quantifying NFL in serum and CSF as an indicator of potential biomarker for neuroaxonal damage gave similar results that were highly correlated. NfL in different populations will be a useful tool to develop targeted screening tools and monitor disease activity in the future. There are still unanswered questions concerning the turnover and function of the protein. However, potential development of a LC-MS/MS platform for using SILK as a tool for investigate the turnover in the protein NfL in vivo will be an important step forward for the field.

Description

Centrala nervsystemet är omsluten av en ryggmärgsvätska som produceras och cirkulerar i hjärnan. En biomarkör kan vara ett protein som skvallrar om ett medicinskt tillstånd, ex. vid nedbrytning av nervceller eller stegrande inflammation och kan då läcka ut i en högre eller lägre koncentration till ryggmärgsvätskan. Dessa biomarkörer kan användas när man ska diagnosticera eller identifiera patienter som har ett neurodegenerativt sjukdomstillstånd, vilket innebär att nervceller dör i hjärnan. Neurofilament light protein (NfL) är en komponent i de nervceller med fettskidor som sitter runt nervceller, vilket gör de snabba på att signalera impulser. Vid nedbrytning av nervceller sker läckage av NfL till ryggmärgsvätska och proteinet kan agera biomarkör. En nedbrytningsprocess kan ha orsakats av ett kraftigt slag mot huvudet, eller vid demenssjukdom. Det är möjligt att tappa ur ryggmärgsvätska och mäta koncentration av proteiner via ett litet ingrepp, så kallat lumbalpunktion. En liten mängd av proteinet läcker även till blodbanan och små spår av biomarkörer kan upptäckas här. Vi har fortfarande begränsad information om proteinet NfL, och letar fortsatt svar på hur proteinsyntesen och nedbrytning sker i människa. I den här studien har vi tittat på hur vi kan mäta koncentrationen av biomarkören; NfL. Vi använde 36 prover av ryggmärgsvätska och blod från patienter under utredning för neurodegenerativa sjukdomar. Dessa prover analyserades med två högkänsliga metoder som använder specifika antikroppar mot NfL; In-House ELISA samt en ytterligare känslig metod, Simoa. Vi mätte den absoluta koncentrationen NfL och tittade därefter på om det förekom någon korrelation mellan de uppmätta koncentrationerna i ryggmärgsvätska och blod. För att vi ska kunna mäta proteinet i patienter över hela världen och i olika laboratorier testas olika detektions-metoder för att få gränsvärden och förväntansfullt använda biomarkören i klinik. En del av studien var inriktad på ett pilotprojekt som innebär att bygga upp en ny detektionsmetod av NfL som bygger på masspektrometri. NfLs halveringstid och produktionshastighet är okänt, men med ett nytt forskningsprojekt där en isotop injiceras i en människa med ett neurodegenerativt tillstånd kan eventuellt frågan besvaras. Isotopen flaggar för proteiner som bildas på nytt och genom kontinuerlig provtagning och analys av flaggade proteiner jämfört med icke flaggade kan en produktionshastighet uppmätas. I den här studien kom vi fram till att båda metoderna för analys av NfL i ryggmärgsvätska korrelerade starkt och kunde identifiera låga koncentrationer NfL i proverna. Vårt arbete styrker även användningen av koncentration NfL i blod som korrelerar med koncentrationer i ryggmärgsvätska. Dock kommer förståelse för proteinet att öka i och med att nya studier är på framfart och har potential att förklara grundläggande egenskaper hos proteinet. Det blir därmed en skjuts framåt att potentiellt använda NfL i kliniken som biomarkör i en rad olika tillstånd, som t. ex screening av sjukdomsaktivitet eller hur effektivt ett läkemedel är mot en nervcellsnedbrytande sjukdom.

Keywords

Neurofilament light chain, Neuroaxonal diseases, Immunoassay, Liquid Chromatography-tandem Mass Spectrometry

Citation

URI

http://hdl.handle.net/2077/64164

ISBN

Articles

Department

Defence location

Collections

Examensarbete 30 Hp, Läkarprogrammet

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By