Byrden af udvidede perivaskulære rum, en ny markør for sygdom i små cerebrale kar, er meget arvelig

Indledning

Perivaskulære rum (PVS), også kaldet Virchow-Robin-rum, er normale fysiologiske strukturer fyldt med cerebrospinal MRI-signallignende væske og beklædt med pialceller, der omgiver væggen af arterier, arterioler, vener og venoler, når de trænger ind i hjerneparenkymet. PVS hører til det glymphatiske system og er involveret i affaldsopklaring, levering af energisubstrat og regulering af blodgennemstrømningen.1,2 Under visse omstændigheder, såsom stigende alder og cerebral small vessel disease (cSVD), kan PVS udvides (dilateret perivaskulært rum ) og blive påviselige på hjernens MRI.3-7 Mekanismerne bag denne dilatation, der muligvis afspejler reduceret glymphatisk clearance, er spekulative.1 dPVS blev vist at være stærkt korreleret med andre MRI-markører for cSVD, såsom white matter hyperintensity volume (WMHV), lacunære hjerneinfarkter (LIs) og cerebrale mikroblødninger.3-6,8 Vi har tidligere vist, at høje grader af dPVS i basale ganglier (BG) eller hvidt stof (WM) er forbundet med øget risiko for incidente demens, uafhængigt af andre MRI-markører for cSVD, hos ældre personer i samfundet.9

Determinanterne for dPVS er dårligt forstået. De vigtigste kendte risikofaktorer er alder og hypertension, idet sidstnævnte er stærkere forbundet med dPVS i BG. Identifikation af genetiske determinanter for dPVS kan give vigtige ledetråde om de underliggende molekylære mekanismer og om cSVD og demenssygdommes patofysiologi. Vi søgte at undersøge det genetiske bidrag til dPVS-byrden ved at måle deres arvelighed og fælles arvelighed med andre MRI-markører for cSVD i den befolkningsbaserede Three City (3C) Dijon Study.

Metoder

De data, der understøtter resultaterne af denne undersøgelse, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter efter rimelig anmodning.

Studiepopulation

3C-Dijon-undersøgelsen er en samfundsbaseret kohorteundersøgelse, der omfatter 4931 ikke-institutionaliserede deltagere i alderen ≥65 år, der tilfældigt blev udvalgt fra valglisterne i byen Dijon mellem 1999 og 2001.10 Deltagere i alderen <80 år og indskrevet mellem juni 1999 og september 2000 (n=2763) blev inviteret til at gennemgå en hjerne-MRI. Selv om 2285 deltagere (82,7 %) indvilligede i at deltage på grund af økonomiske begrænsninger, blev der kun foretaget MR-scanninger hos 1924 deltagere. Blandt disse havde 1683 også gennemgået genomisk genotypebestemmelse. Efter udelukkelse af personer med hjernetumorer (n=8), slagtilfælde (n=71) eller demens (n=7) ved baseline bestod den resterende stikprøve af 1597 deltagere. Visuel vurdering og kvantificering var tilgængelig hos 1559 deltagere for dPVS og 1562 deltagere for LI (35 personer med ikke-lacunære hjerneinfarkter blev udelukket); og 1495 deltagere havde automatiserede kvantitative WMHV-målinger. Undersøgelsesprotokollen blev godkendt af den etiske komité på universitetshospitalet i Kremlin-Bicêtre. Alle deltagere gav skriftligt informeret samtykke.

Genotyping

DNA-prøver af 3C-Dijon-deltagere blev genotypet med Illumina Human610Iquad BeadChips på Centre National de Génotypage, Evry, Frankrig.

Genotyping blev udført på 4263 deltagere, hvoraf 186 blev udelukket efter kvalitetskontrol (Metoder i online-only Data Supplement), hvilket efterlod i alt 4077 deltagere. De første 20 hovedkomponenter (PC’er) for 3C-Dijon-prøven blev genereret ved hjælp af EIGENSOFT og brugt til at korrigere for stratificering af befolkningsafstamning (Metoder i online-only Data Supplement). Genotyper blev imputeret til 1000 Genomes fase I version 3 referencepanelet (alle etniciteter) ved hjælp af MaCH 1.0 efter anvendelse af standard kvalitetskontrolprocedurer (Metoder i online-only Data Supplement). I alt 11 572 501 enkeltnukleotidpolymorfismer (SNP’er) var tilgængelige for analyse efter kvalitetskontrol.

MRI-erhvervelse

Rating af dPVS

dPVS blev vurderet af en erfaren læser (Y.-C.Z.) og kvantificeret på en semi-kvalitativ skala. De blev defineret som cerebrospinalvæske-lignende signallæsioner (hypointense på T1 og hyperintense på T2) af rund, ovoid eller lineær form med en maksimal diameter <3 mm, med glatte, afgrænsede konturer og placeret i områder, der forsynes af perforerende arterier. Læsioner, der opfyldte de samme kriterier bortset fra en diameter ≥3 mm, blev omhyggeligt undersøgt i de 3 planer (form, signalintensitet) for at skelne dem fra LI og hyperintensitet i hvid substans (WMH). Kun læsioner med en typisk vaskulær form og læsioner, der fulgte orienteringen af perforerende kar, blev betragtet som dPVS.3 I BG og WM, som er de steder med den højeste tæthed af dPVS, blev det skive, der indeholdt det største antal dPVS, anvendt til vurderingen.3

I BG blev dPVS vurderet ved hjælp af en 4-grads score: grad 1 for <5 dPVS, grad 2 for 5 til 10 dPVS, grad 3 for >10 dPVS, men stadig talrige, og grad 4 for utallige dPVS, der resulterede i en cribriform ændring i BG (figur). I WM blev dPVS også vurderet ved hjælp af en 4-grads score: grad 1 for <10 dPVS i den samlede WM, grad 2 for >10 dPVS i den samlede WM og <10 i den skive, der indeholder det største antal dPVS, grad 3 for 10 til 20 dPVS i den skive, der indeholder det største antal dPVS, og grad 4 for >20 dPVS i den skive, der indeholder det største antal dPVS (figur).3 I hippocampus og hjernestammen blev dPVS dikotomiseret som tilstedeværelse af ≥1 dPVS versus ingen dPVS. En global dPVS-belastningsvariabel blev konstrueret ved at summere dPVS-graderne i BG og WM og tilføje 1 point for tilstedeværelsen af ≥1 dPVS i hippocampus og 1 point for tilstedeværelsen af ≥1 dPVS i hjernestammen. På grund af det lille antal deltagere i de højeste kategorier blev disse kombineret (global score ≥8). Den globale variabel var normalt fordelt ved visuel inspektion (Metoder i online-only Data Supplement).

Andre MRI-målinger

Der blev anvendt en automatiseret og valideret procedure til at lokalisere og måle WMHV.11 Der blev defineret to undergrupper af WMH: periventrikulær WMH (pvWMH), når afstanden til det ventrikulære system var <10 mm, og ellers dyb WMH. LIs blev vurderet visuelt af den samme bedømmer (Y.-C.Z.) som dPVS og blev defineret som fokale læsioner med de samme signalkarakteristika som cerebrospinalvæske på alle sekvenser og med en diameter på 3 til 15 mm.3 De blev differentieret fra dPVS som beskrevet ovenfor. De grå substans-, WM- og cerebrospinalvæskevolumener blev estimeret ved hjælp af voxelbaseret morfometri; intrakraniel volumen (ICV) blev beregnet ved at summere disse 3 volumener.12

Statistisk analyse

Global dPVS-byrde blev analyseret som en kontinuerlig variabel, i betragtning af dens normale fordeling, mens dPVS-subtyper (WM og BG) blev undersøgt som dikotomiserede variabler (grad 3-4 versus grad 1-2). Da WMHV havde en skæv fordeling, brugte vi naturlige log-transformerede værdier (Ln), som i tidligere analyser.13,14 Fænotypisk korrelation mellem MRI-markører af cSVD blev beregnet baseret på Spearman-korrelation ved hjælp af SAS-software, version 9.3 (SAS Institute, Inc, Cary, NC).

For at estimere arvelighed for dPVS, WMHV og LI brugte vi genombred kompleks egenskabsanalyse (GCTA v1.26.0). Dette svarer til at estimere andelen af fænotypisk varians af MRI-markører for cSVD forklaret af alle fælles SNP’er, der er tilgængelige genomisk bredt, ved hjælp af en lineær blandet modelanalyse (Metoder i online-only Data Supplement).15 Vi vurderede derefter andelen af delt arvelighed mellem dPVS-byrde og WMHV ved hjælp af SNP-afledte genomiske relationer og genomisk relaterethed baseret begrænset maksimal sandsynlighed (bivariate GREML-metode).16 Ved hjælp af denne metode, der er implementeret i den genomdækkende komplekse egenskabsanalyse-software, kunne vi estimere den genetiske korrelation mellem dPVS-byrde og WMHV (samlet og efter hovedundertyper, Metoder i online-only Data Supplement). Estimering af genetisk korrelation med LI var ikke mulig (modeller konvergerede ikke eller gav afvigende værdier). Alle analyser for arvelighed og delt arvelighed blev udført på ubeslægtede individer, efter at der tilfældigt blev fjernet 1 individ af hvert par med estimeret beslægtethed >0,125 (genetisk beslægtethedsmatrix >0,125). Analyser af dPVS-byrde og WMHV blev justeret for ICV for at tage højde for forskelle i hovedstørrelse, alder, køn og 20 PC’er, som anbefalet af softwaren.15

Vi testede for association af en genetisk risikoscore, der kombinerer kendte uafhængige genetiske risikovarianter for WMHV (rs7214628, rs7894407, rs78857879, rs2984613 og rs11679640)14 med dPVS-byrde ved hjælp af lineær regression (dPVS globalt) eller logistisk regression (dPVS i WM og i BG), justeret for alder, køn, de første 4 PC’er og ICV. Den genetiske risikoscore blev konstrueret ved at opsummere antallet af WMHV-risikoalleler på tværs af alle uafhængige WMHV-risikoloci (r2<0,010 mellem SNP’er). Denne score var uvægtet, fordi den genomdækkende WMHV-associeringsundersøgelse, hvorfra risikoloci blev afledt, blev udført ved hjælp af z-score-baseret metaanalyse, som ikke giver noget effektestimat.

Resultater

Studiepopulation

Fænotypiske korrelationer

Der var begrænset men signifikant fænotypisk korrelation (ρ=0.23; P<0,0001) mellem dPVS i BG og dPVS i WM – de 2 vigtigste undertyper af dPVS. Fænotypiske korrelationer mellem dPVS og andre MRI-markører for cSVD er vist i tabel 2: alle markører viste en vis grad af korrelation ved P<0,01 (ρ varierede mellem 0,08 og 0,33). Den højeste fænotypiske korrelationskoefficient (ρ=0,33; P<0,0001) blev observeret mellem dPVS i BG og total WMHV eller pvWMHV. Korrelationen mellem dPVS (global) og LI var lavere, nemlig 0,18 (P<0,0001; tabel 2).

Heritabilitetsanalyse af dPVS og andre MRI-markører for cSVD

Den alders-, køns-, ICV- og 20 PC-justerede arvelighed for dPVS (global) blev anslået til 59 % (P=0.007) og var højest og signifikant i WM, anslået til 79% (P=0.042), sammenlignet med BG (Tabel 3). Heritabiliteten for tilstedeværelse af dPVS i hippocampus og hjernestammen var lav (<4%) og ikke-signifikant. I en sekundær analyse, hvor man tog det øverste kvartil af dPVS-tallet i hippocampus og hjernestammen i stedet for tilstedeværelse versus fravær, viste arveligheden for dPVS i hippocampus sig at være højere, men stadig ikke-signifikant (Tabel II i online-only Data Supplement). Sammenlignende blev den alders-, køns-, ICV- og 20 PC-justerede arvelighed for WMHV vurderet til 54 % (P = 0,010) og signifikant for pvWMHV og dyb WMHV, mens den alders-, køns- og 20 PC-justerede arvelighed for LI var lavere og ikke-signifikant (48 %; P = 0,278; Tabel 3). Bemærkelsesværdigt var arvelighedsestimater af dPVS og andre MRI-markører for cSVD væsentligt uændret efter justering for hypertension og diabetes mellitus – de 2 vigtigste kendte risikofaktorer for cSVD (Tabel III og IV i online-only Data Supplement).

Delt arvelighed af dPVS med andre MRI-markører for cSVD

Associering af kendte risikovarianter for WMHV med dPVS-burden

Vi fandt en nominelt signifikant association af en genetisk risikoscore, der kombinerer alle offentliggjorte uafhængige WMHV-risikovarianter med dPVS i BG (P=0.031), idet WMHV-risikoalleler samlet set var forbundet med øget risiko for høje dPVS-grader i BG (tabel 5). Det er bemærkelsesværdigt, at denne association ikke blev drevet af en enkelt risikovariant for WMHV (P>0,09 for individuelle SNP-dPVS-associationer; Tabel V i online-only Data Supplement).

Diskussion

I en stor befolkningsbaseret undersøgelse af >1500 slagtilfælde- og demensfrie ældre ubeslægtede personer fandt vi høje arvelighedsestimater, afledt af genomdækkende genotyper, for dPVS-byrde, i samme interval som arvelighedsestimater for WMHV, mens arveligheden af LI var lavere. En del af den estimerede arvelighed for dPVS og WMHV synes at være fælles. Vi fandt den højeste genetiske korrelation mellem dPVS i BG og WMHV, hvilket stemmer overens med den høje fænotypiske korrelation, der er observeret mellem WMHV og dPVS på dette sted. Vi fandt også en nominelt signifikant association mellem en genetisk risikoscore, der kombinerer kendte genetiske risikovarianter for WMHV og dPVS i BG.

Heritabilitet af dPVS er ikke tidligere blevet beskrevet, så vidt vi ved. For WMHV og LI er vores resultater i overensstemmelse med estimater fra familiebaserede undersøgelser, der viser moderat til høj arvelighed for WMH-belastning (49 %-80 %)17-21 og lavere arvelighed for LI (29 %).21 Det skal bemærkes, at arvelighedsestimater fra familiebaserede undersøgelser altid er større end SNP-afledte arvelighedsestimater, fordi de kun repræsenterer arveligheden i snæver betydning.22

Den stærkere genetiske korrelation af WMHV med dPVS-byrden i BG end i WM styrker hypotesen om i det mindste delvist forskellige processer, der ligger til grund for dPVS på disse 2 steder.9 Vi har tidligere beskrevet, at sværhedsgraden af dPVS i både i BG og WM ikke nødvendigvis er sammenfaldende. Blandt personer med grad 4 af dPVS i WM havde kun 23 % også grad 3 eller 4 i BG, og blandt personer med grad 4 af dPVS i BG havde 42 % også grad 3 eller 4 i WM.3 Vi og andre har også vist, at de vaskulære risikofaktorprofiler varierer afhængigt af dPVS-lokationen.3,23 Dette bekræftes yderligere af de nuværende resultater, der viser en stærkere fænotypisk korrelation og fælles genetisk variation mellem WMHV og dPVS i BG sammenlignet med dPVS i WM. Interessant nok var kun sværhedsgraden af dPVS i BG forbundet med en højere grad af kognitiv tilbagegang hos ældre personer i samfundet fra 3C-Dijon-undersøgelsen9 og med dårligere præstationer med hensyn til behandlingshastighed i en kohorte af patienter med cSVD eller i høj risiko for cSVD.24 Interleukin-6-niveauer var forbundet med højere sværhedsgrad af dPVS i BG, men ikke i WM.25 Der synes således at være konvergerende beviser for, at dPVS kan have i det mindste delvist forskellige underliggende risikofaktorer, herunder genetiske, og kliniske konsekvenser afhængigt af deres placering.

De mekanismer, der ligger til grund for PVS-dilatation, er spekulative. En af hypoteserne er en reduktion af produktionen af cerebrospinalvæske med aldring, hvilket fører til et fald i glymphatisk clearance og en akkumulering af toksiske proteiner.26-28 Parallelt hermed kan den arterievægsforstærkning, der opstår med aldring eller sygdom, føre til en reduktion af arteriel pulsatilitet, hvilket letter dilatation af PVS.28,29 Astrocytisk hypertrofi og tab af perivaskulær aquaporin-4-polarisering, der fører til dysregulering af astroglial vandtransport, samt dysfunktion af blod-hjernebarrieren kan også være involveret.30-33 De fleste hypotetiske patofysiologiske veje for dPVS er afledt af dyremodeller. Udforskning af de genetiske determinanter for dPVS ved hjælp af en uvildig genomdækkende tilgang kan give yderligere indsigt i de biologiske veje, der ligger til grund for dPVS hos mennesker, hvilket potentielt kan give yderligere beviser for en eller flere af de ovennævnte hypoteser eller foreslå nye, hidtil uventede mekanismer. De høje SNP-afledte arvelighedsestimater for dPVS-byrde tyder på, at søgning efter genetiske determinanter for dPVS faktisk kunne være en effektiv metode. Selv om den genetiske korrelation mellem WMHV og dPVS var relativt høj, synes en væsentlig del af det genetiske bidrag til dPVS-byrden ikke at blive delt med andre MRI-markører for cSVD, hvilket berettiger til at gøre en indsats for at afkode specifikt genetikken af dPVS-byrden. Det vil være vigtigt for fremtidige bestræbelser at øge antallet af deltagere og harmonisere dPVS-målinger på tværs af eksisterende undersøgelser34 samt at tage hensyn til forvirring og effektmodifikation ved miljømæssige risikofaktorer, især hypertension.

Styrkerne ved vores undersøgelse omfatter en stor stikprøvestørrelse i en befolkningsbaseret indstilling med omhyggelig vurdering af dPVS af den samme erfarne læser ved hjælp af MR-billeder fra hele hjernen med præcis vurdering af dPVS-formen på 3-dimensionelle millimetriske T1-billeder og differentiering fra WMH og LI ved hjælp af omhyggelig undersøgelse i de 3 planer og udforskning af T2- og protondensitetssekvenser. Der arbejdes på at udvikle en automatiseret og kvantitativ vurdering af dPVS-belastning, men den er endnu ikke tilgængelig til brug i stor skala. Der blev anvendt strenge kvalitetskontrolkriterier med streng fjernelse af beslægtede personer og justering for de 20 første PC’er. Da MRI-markører for sygdom i små kar er stærkt korreleret med alder,3,35 kan vi ikke udelukke resterende forvirring ved alder, selv om vores aldersinterval på MRI-tidspunktet var relativt begrænset og begrænset til ældre personer (65-80 år). Fremtidige undersøgelser på større prøver, der muliggør analyser stratificeret på smallere aldersintervaller og også omfatter yngre aldersgrupper, hvor cSVD-byrden kan være mere arvelig, kunne være af interesse. Der bør udvises forsigtighed ved fortolkningen af de absolutte værdier for arvelighed og delt arvelighed i betragtning af den relativt begrænsede stikprøvestørrelse, især for analyserne af den delte arvelighed, som ikke opnår statistisk signifikans, og som derfor bør betragtes som eksplorative. Sammenligning med fremtidige lignende analyser i uafhængige prøver vil være nødvendig for at opnå mere præcise estimater.

Konklusioner

Denne undersøgelse giver foreløbige beviser for et vigtigt genetisk bidrag til dPVS-byrden hos ældre personer i samfundet, hvilket tyder på, at søgning efter genetiske risikofaktorer for dPVS kan være en effektiv måde at udforske de biologiske mekanismer, der ligger til grund for dPVS, og at identificere personer med høj risiko for cSVD og dens konsekvenser. Der er også behov for yderligere undersøgelser for bedre at udforske den kliniske betydning og vigtigheden af dPVS, med mulige implikationer for forebyggelse af både cerebrovaskulær og neurodegenerativ sygdom.

Anerkendelser

Vi takker deltagerne i 3C-undersøgelsen, for deres vigtige bidrag.

Fodnoter