Introdução: A doença de Machado-Joseph (DMJ) ou ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3) é causada por uma expansão de trinucleotídeos CAG no gene ATXN3, que leva à degeneração de múltiplos sistemas neurológicos. Seu curso é invariavelmente progressivo, não havendo tratamento específico. Objetivos: Descrever novos biomarcadores, aspectos não motores e definir quais escalas clínicas devem ser utilizadas como desfechos principais nos futuros ensaios clínicos randomizados (ECR) para a DMJ/SCA3. Além de avaliar se o tratamento com carbonato de lítio é seguro e efetivo em reduzir a progressão desta condição. Métodos: Em estudo caso-controle avaliamos: 1) a relação dos sintomas depressivos na DMJ/SCA3, pelo inventário de Beck (BDI), com aspectos de gravidade clínica e molecular; 2) alterações no índice de massa corporal (IMC) e sua correlação com aspectos clínico-moleculares e de neuroimagem; e 3) o Sistema Insulina/ IGF-1 (IIS) e o potencial de seus componentes como biomarcadores. Fizemos uma revisão sistemática sobre os aspectos psicométricos das escalas clínicas de SCAs já descritas, para em seguida iniciarmos um ECR, duplo-cego, paralelo, placebo-controlado de fase 2/3. Para este estudo foram randomizados 62 pacientes com diagnóstico molecular prévio de DMJ/SCA3 com marcha independente e ≤ 10 anos de doença (1:1) para tratamento com carbonato de lítio (0.5-0.8mEq/L) ou placebo. Resultados: Os escores do BDI foram mais elevados na DMJ/SCA3 (p= 0.012) e correlacionaram-se significativamente apenas com as escalas SARA (R=0.359, p=0.01) e NESSCA (R=0.412, p=0.003). Os pacientes com DMJ/SCA3 (N=46) apresentaram IMC menor (24.4 ± 4.1) do que os indivíduos controle (N=42, 27.1± 4.5, p=0.01), havendo correlação inversa (R=−0.396, p=0.015) entre o IMC e o tamanho da sequencia repetitiva CAG (CAGn). Encontramos uma maior sensibilidade periférica à insulina (HOMA2-%S, p=0.003, corrigido pelo IMC) e níveis séricos mais elevados da proteína ligante do IGF-1, IGFBP-1 (p=0.001) na DMJ/SCA3. A IGFBP1 correlacionou-se diretamente à CAGn (R=0.452; p = 0.006) e a sensibilidade à insulina inversamente à idade de início dos sintomas (R=-0.444; P = 0.003). Concluímos, na revisão sistemática, que as escalas semi-quantitativas SARA e NESSCA, e as quantitativas SCAFI e CCFS seriam os melhores desfechos para um ECR. O uso de lítio foi seguro após 24 semanas de tratamento, não havendo diferenças no número total de eventos adversos entre os grupos lítio (50,3%) e placebo (49,7%, p=1.00). O grupo placebo apresentou maior progressão (que não foi significativa) nos escores NESSCA (0.35 pontos, 95% IC -1.0 a 1.7, p=0.222, desfecho primário de efetividade) e SARA (0.96 pontos, 95% IC -0.46 a 2.38, p=0.329), após 48 semanas de tratamento. A gravidade da ataxia de marcha (p=0.008), as provas funcionais quantitativas: PATA rate (p=0.002) e Click Test ND (p=0.023), e os escores compostos SCAFI (p=0.015) e CCFS (p=0.029) apresentaram menor progressão no grupo tratado com lítio durante as 48 semanas. Conclusão: Os resultados destes estudos ajudam no entendimento da depressão e alterações nutricionais da DMJ/SCA3 e apontam a IGFBP-1 como biomarcador e a sensibilidade periférica insulínica como modificador do fenótipo. Houve efetividade do tratamento com carbonato de lítio nos desfechos secundários do ECR, sendo necessária confirmação por ensaios clínicos multicêntricos. / Background: Machado-Joseph disease (MJD) or spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) is caused by a CAG repeat expansion at ATXN3 gene, leading to progressive degeneration of multiple neurological systems. MJD/SCA3 is an invariably progressive disorder, with no current treatment. Objectives: To describe new disease biomarkers, non-motor aspects and to define the clinical SCA scales to be utilized as main outcomes in future randomized controlled trials (RCT) on MJD/SCA3. And further assess safety and effectiveness of lithium carbonate in reducing the progression of this condition. Methods: We performed a case-control study to evaluate: 1) the relation of MJD/SCA3 depressive symptoms, through Beck depression Inventory (BDI), with other clinical and molecular findings; 2) the Body Mass Index (BMI) of MJD/SCA3 patients and the correlation with other clinical, molecular and neuroimaging findings; and 3) the Insulin/IGF-1 system (IIS) in MJD/SCA3 and the possible biomarker properties of its components. We further performed a systematic review on the psychometric properties of the described SCAs scales in order to initiate the double-blind, parallel, placebo-controlled phase 2/3 clinical trial. 62 independently ambulatory MJD/SCA3 patients with ≤ 10 years of disease duration were randomly assigned in the RCT (1:1) to lithium (0.5-0.8mEq/L) or placebo. Results: BDI scores were higher in MJD/SCA3 patients (p= 0.012), with significant correlations only with the scales SARA (R=0.359, p=0.01) and NESSCA (R=0.412, p=0.003). MJD/SCA3 patients (N=46) presented lower BMI (24.4 ± 4.1) than control individuals (N=42, 27.1± 4.5, p=0.01). BMI correlated inversely with the length of the expanded CAG repeat (CAGn). We found higher peripheral sensitivity to insulin (HOMA2-%S, p=0.003, corrected for BMI) and serum levels of the IGF-1 binding protein, IGFBP-1 (p=0.001) in MJD/SCA3. IGFBP-1 correlated with CAGn (R=0.452; p = 0.006) and insulin sensitivity with the age of disease onset (R=-0.444; P = 0.003). In the systematic review we concluded that the semiquantitative SCA scales SARA and NESSCA and the quantitative instruments SCAFI and CCFS would be the most appropriate outcomes for the RCT. After 24 weeks, there were no differences in the number of adverse events in lithium (50.3%) and placebo (40.7%) groups (p=1.00) in the RCT. The placebo group presented a non-significant faster progression on NESSCA (0.35 points, 95% CI -1.0 to 1.7, p=0.612, primary effectiveness outcome) and SARA (0.96 points, 95% CI -0.46 to 2.38, p=0.186), after 48 weeks of treatment. Gait ataxia severity (p=0.008), the quantitative performance tasks: PATA rate (p=0.002) and Click Test ND (p=0.023), and the composite scores SCAFI (p=0.015) and CCFS (p=0.029) presented a slower progression under lithium therapy in the overall 48 weeks period. Conclusion: These studies added to the understanding of depressive and nutritional manifestations of MJD/SCA3 and points IGFBP-1 as a biomarker and peripheral insulin sensitivity as a disease phenotype modifier. The effectiveness of lithium carbonate treatment shown in secondary outcomes of the RCT opened a perspective for an effective therapy for this untreatable disorder that must be confirmed by large multicentric clinical trials.

Introdução: A doença de Machado-Joseph (DMJ) ou ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3) é causada por uma expansão de trinucleotídeos CAG no gene ATXN3, que leva à degeneração de múltiplos sistemas neurológicos. Seu curso é invariavelmente progressivo, não havendo tratamento específico. Objetivos: Descrever novos biomarcadores, aspectos não motores e definir quais escalas clínicas devem ser utilizadas como desfechos principais nos futuros ensaios clínicos randomizados (ECR) para a DMJ/SCA3. Além de avaliar se o tratamento com carbonato de lítio é seguro e efetivo em reduzir a progressão desta condição. Métodos: Em estudo caso-controle avaliamos: 1) a relação dos sintomas depressivos na DMJ/SCA3, pelo inventário de Beck (BDI), com aspectos de gravidade clínica e molecular; 2) alterações no índice de massa corporal (IMC) e sua correlação com aspectos clínico-moleculares e de neuroimagem; e 3) o Sistema Insulina/ IGF-1 (IIS) e o potencial de seus componentes como biomarcadores. Fizemos uma revisão sistemática sobre os aspectos psicométricos das escalas clínicas de SCAs já descritas, para em seguida iniciarmos um ECR, duplo-cego, paralelo, placebo-controlado de fase 2/3. Para este estudo foram randomizados 62 pacientes com diagnóstico molecular prévio de DMJ/SCA3 com marcha independente e ≤ 10 anos de doença (1:1) para tratamento com carbonato de lítio (0.5-0.8mEq/L) ou placebo. Resultados: Os escores do BDI foram mais elevados na DMJ/SCA3 (p= 0.012) e correlacionaram-se significativamente apenas com as escalas SARA (R=0.359, p=0.01) e NESSCA (R=0.412, p=0.003). Os pacientes com DMJ/SCA3 (N=46) apresentaram IMC menor (24.4 ± 4.1) do que os indivíduos controle (N=42, 27.1± 4.5, p=0.01), havendo correlação inversa (R=−0.396, p=0.015) entre o IMC e o tamanho da sequencia repetitiva CAG (CAGn). Encontramos uma maior sensibilidade periférica à insulina (HOMA2-%S, p=0.003, corrigido pelo IMC) e níveis séricos mais elevados da proteína ligante do IGF-1, IGFBP-1 (p=0.001) na DMJ/SCA3. A IGFBP1 correlacionou-se diretamente à CAGn (R=0.452; p = 0.006) e a sensibilidade à insulina inversamente à idade de início dos sintomas (R=-0.444; P = 0.003). Concluímos, na revisão sistemática, que as escalas semi-quantitativas SARA e NESSCA, e as quantitativas SCAFI e CCFS seriam os melhores desfechos para um ECR. O uso de lítio foi seguro após 24 semanas de tratamento, não havendo diferenças no número total de eventos adversos entre os grupos lítio (50,3%) e placebo (49,7%, p=1.00). O grupo placebo apresentou maior progressão (que não foi significativa) nos escores NESSCA (0.35 pontos, 95% IC -1.0 a 1.7, p=0.222, desfecho primário de efetividade) e SARA (0.96 pontos, 95% IC -0.46 a 2.38, p=0.329), após 48 semanas de tratamento. A gravidade da ataxia de marcha (p=0.008), as provas funcionais quantitativas: PATA rate (p=0.002) e Click Test ND (p=0.023), e os escores compostos SCAFI (p=0.015) e CCFS (p=0.029) apresentaram menor progressão no grupo tratado com lítio durante as 48 semanas. Conclusão: Os resultados destes estudos ajudam no entendimento da depressão e alterações nutricionais da DMJ/SCA3 e apontam a IGFBP-1 como biomarcador e a sensibilidade periférica insulínica como modificador do fenótipo. Houve efetividade do tratamento com carbonato de lítio nos desfechos secundários do ECR, sendo necessária confirmação por ensaios clínicos multicêntricos. / Background: Machado-Joseph disease (MJD) or spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) is caused by a CAG repeat expansion at ATXN3 gene, leading to progressive degeneration of multiple neurological systems. MJD/SCA3 is an invariably progressive disorder, with no current treatment. Objectives: To describe new disease biomarkers, non-motor aspects and to define the clinical SCA scales to be utilized as main outcomes in future randomized controlled trials (RCT) on MJD/SCA3. And further assess safety and effectiveness of lithium carbonate in reducing the progression of this condition. Methods: We performed a case-control study to evaluate: 1) the relation of MJD/SCA3 depressive symptoms, through Beck depression Inventory (BDI), with other clinical and molecular findings; 2) the Body Mass Index (BMI) of MJD/SCA3 patients and the correlation with other clinical, molecular and neuroimaging findings; and 3) the Insulin/IGF-1 system (IIS) in MJD/SCA3 and the possible biomarker properties of its components. We further performed a systematic review on the psychometric properties of the described SCAs scales in order to initiate the double-blind, parallel, placebo-controlled phase 2/3 clinical trial. 62 independently ambulatory MJD/SCA3 patients with ≤ 10 years of disease duration were randomly assigned in the RCT (1:1) to lithium (0.5-0.8mEq/L) or placebo. Results: BDI scores were higher in MJD/SCA3 patients (p= 0.012), with significant correlations only with the scales SARA (R=0.359, p=0.01) and NESSCA (R=0.412, p=0.003). MJD/SCA3 patients (N=46) presented lower BMI (24.4 ± 4.1) than control individuals (N=42, 27.1± 4.5, p=0.01). BMI correlated inversely with the length of the expanded CAG repeat (CAGn). We found higher peripheral sensitivity to insulin (HOMA2-%S, p=0.003, corrected for BMI) and serum levels of the IGF-1 binding protein, IGFBP-1 (p=0.001) in MJD/SCA3. IGFBP-1 correlated with CAGn (R=0.452; p = 0.006) and insulin sensitivity with the age of disease onset (R=-0.444; P = 0.003). In the systematic review we concluded that the semiquantitative SCA scales SARA and NESSCA and the quantitative instruments SCAFI and CCFS would be the most appropriate outcomes for the RCT. After 24 weeks, there were no differences in the number of adverse events in lithium (50.3%) and placebo (40.7%) groups (p=1.00) in the RCT. The placebo group presented a non-significant faster progression on NESSCA (0.35 points, 95% CI -1.0 to 1.7, p=0.612, primary effectiveness outcome) and SARA (0.96 points, 95% CI -0.46 to 2.38, p=0.186), after 48 weeks of treatment. Gait ataxia severity (p=0.008), the quantitative performance tasks: PATA rate (p=0.002) and Click Test ND (p=0.023), and the composite scores SCAFI (p=0.015) and CCFS (p=0.029) presented a slower progression under lithium therapy in the overall 48 weeks period. Conclusion: These studies added to the understanding of depressive and nutritional manifestations of MJD/SCA3 and points IGFBP-1 as a biomarker and peripheral insulin sensitivity as a disease phenotype modifier. The effectiveness of lithium carbonate treatment shown in secondary outcomes of the RCT opened a perspective for an effective therapy for this untreatable disorder that must be confirmed by large multicentric clinical trials.

Orientador: Gabriela Castellano / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-15T22:34:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_MarciaSilvade_D.pdf: 17533323 bytes, checksum: 32a83eb4815b68f061baa91a4b0ab2e4 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Análise de textura em imagens digitais é um termo que se refere a um grupo de técnicas de processamento de imagens que objetivam a extração de descritores da imagem ou de regiões de interesse (ROIs) de forma a simplificar a caracterização das mesmas. A textura pode ser entendida como características intrínsecas da imagem (por exemplo: brilho, cor e distribuição de formas) que remetem à ideia de regularidade, rugosidade, suavidade, entre outras, por isso o nome 'textura'. Um tipo particular de análise de textura, bastante utilizado em imagens médicas, se baseia em medidas estatítsticas relativas à distribuição de níveis de cinza da imagem (matriz de coocorrência). Os descritores de textura, baseados na matriz de coocorrência, são conhecidos como descritores de Haralick. Este trabalho consistiu na aplicação de vídeo deste tipo de análise em imagens de Tomografia Computadorizada (TC) de vítimas de Acidente Vascular Cerebral Isquêmico e em imagens de Ressonância Magnetica (RM) de portadores de Epilepsia Mioclônica Juvenil, Doença de Machado-Joseph, Déficit Cognitivo Leve e Doença de Alzheimer, visando o desenvolvimento de uma ferramenta computacional que auxilie o neurologista na identificação de areas atingidas por estas doenças e que não sejam distinguíveis em uma análise visual. Neste trabalho foram selecionadas regiões de interesse (ROIs) e calculados os parâmetros de textura para cada grupo de imagens. Após o cálculo dos descritores de textura foi realizada uma análise estatística para verificar se havia diferenciação entre os vários tipos de tecidos. Os resultados obtidos mostraram que a análise de textura pode, de fato, ser utilizada para a extração de características discriminantes, tanto nas imagens de TC quanto nas imagens de RM para as cinco patologias analisadas / Abstract: Texture analysis in digital images is a term that refers to a group of image processing techniques that aim to extract descriptors of the image or regions of interest (ROIs) in order to simplify their characterization. Texture may be understood as intrinsic characteristics of the image (such as brightness, color and distribution of forms) that refer to the idea of regularity, roughness and smoothness, hence the name 'texture'. A particular type of texture analysis, widely used in medical imaging, is based on statistical measurements related to the image gray level distribution (coocurrence matrix). The texture descriptors based on the coocurrence matrix are known as Haralick descriptors. This work consisted on applying this type of analysis to computed tomography (CT) images of victims of Ischemic Stroke and magnetic resonance images (MRI) of patients with Juvenile Myoclonic Epilepsy, Machado-Joseph disease, mild cognitive impairment and Alzheimer's disease, in order to develop a computational tool to assist neurologists in the identification of areas affected by these diseases and which are not perceived in a visual analysis. In this work we selected regions of interest (ROIs) and calculated the texture parameters for each group of images. After the calculation of the texture descriptors, a statistical analysis was performed to determine whether there was differentiation between the various types of tissues. The results showed that texture analysis can indeed be used for the extraction of discriminant features in both the CT an the MR images for the five studied pathologies / Doutorado / Física / Doutora em Ciências

L’ataxie spinocérébelleuse de type 3, aussi connue en tant que la maladie de Machado-Joseph (MMJ), est une maladie qui se développe lorsqu’il y a une expansion des trinucléotides CAG dans la région codante du gène ATXN3. Ce dernier code pour la protéine ATXN3, une enzyme désubiquitinante avec des fonctions essentielles dans le maintien et la stabilisation de l’homéostasie protéique, la résistance au stress, la régulation de la transcription, la réparation de l’ADN, l’organisation du cytosquelette et la régulation de la myogenèse. Les principaux symptômes associés à cette maladie sont l’ataxie (le symptôme clé), une détérioration motrice progressive, la dystonie, la spasticité et la rigidité. Du fait de l’absence de thérapie spécifique et efficace pour traiter les individus atteints de la MMJ, l’approfondissement des connaissances liées à cette maladie est nécessaire. Le but de cette thèse est de comprendre davantage les mécanismes et voies de signalisations impliqués dans la pathologie de la MMJ. Pour atteindre cet objectif, à partir de notre modèle transgénique C. elegans MMJ, deux différents criblages ont été effectués : un criblage non biaisé de 3942 composés, et un criblage de modificateurs génétiques à base d’ARN interférent (ARNi) de 387 clones de facteurs de transcription. Le premier criblage nous a permis d’identifier cinq molécules prometteuses : l’alfacalcidol, le chenodiol, le cyclophosphamide, le fenbufen et le sulfaphenazole. Elles ont permis la restauration du défaut de la motilité, la protection contre la neurodégénérescence, et une augmentation de la durée de vie réduite chez les vers mutants. Trois parmi ces molécules, le chenodiol, le fenbufen et le sulfaphenazole ont démontré une nécessité de la présence de HLH-30/TFEB, un régulateur clé de l’autophagie et de la biogenèse lysosomale, pour leurs propriétés neuroprotectrices. Concernant le deuxième criblage, il nous a permis d’identifier un nouveau gène candidat impliqué dans la MMJ, fkh-2/FOXG1. L’inactivation de ce gène a entraîné une aggravation du défaut de la motilité, de la neurodégénérescence, et de la longévité réduite. À l’inverse, sa surexpression a restauré tous ces phénotypes, suggérant ainsi un rôle neuroprotecteur pour FKH-2/FOXG1 dans la MMJ. Le modèle C. elegans de MMJ et les criblages sont des outils puissants permettant un approfondissement des connaissances quant à la pathologie de la MMJ. Pour cette thèse, par l’identification des molécules neuroprotectrices et les facteurs de transcription HLH-30/TFEB et FKH-2/FOXG1, ayant des activités neuroprotectrices dans notre modèle lorsqu’ils sont surexprimés, il a été possible à mieux comprendre la pathologie de la MMJ, ainsi que les mécanismes et les voies de signalisation qui y sont impliqués. Ces découvertes sont prometteuses à investiguer dans des organismes modèles plus avancés, des applications précliniques et également, pour le développement de nouvelles interventions thérapeutiques pour la MMJ. / Spinocerebellar ataxia type 3, also known as Machado-Joseph disease (MJD), is a polyglutamine expansion disease arising from a trinucleotide CAG repeat expansion in the coding region of ATXN3. This gene encodes ATXN3 protein, a deubiquitinating enzyme, which is involved in protein homeostasis maintenance and stabilization, stress resistance, transcription regulation, DNA repair, cytoskeleton organisation and myogenesis regulation. The main symptoms associated with this disease are ataxia (the key symptom), progressive motor deterioration, dystonia, spasticity and stiffness. Due to our incomplete understanding of mechanisms and molecular pathways related to this disease, there are no therapies that successfully treat core MJD patients. Therefore, the identification of new candidate targets related to this disease is needed. The aim of this thesis is to gain insights into the pathways and mechanisms leading to MJD. In order to achieve this goal, we performed two different screens, a blind drug screen of 3942 compounds to identify protective small molecules, and a large-scale RNA interference (RNAi) screen of 387 transcription factor genes leading to identification of modifiers involved in our transgenic C. elegans MJD model. The first screen allowed us to identify five lead compounds restoring motility, protecting against neurodegeneration, and increasing the lifespan in mutant worms. These compounds were alfacalcidol, chenodiol, cyclophosphamide, fenbufen and sulfaphenazole. We then found that three of these compounds, chenodiol, fenbufen and sulfaphenazole required HLH-30/TFEB, a key transcriptional regulator of the autophagy and the lysosomal biogenesis, to complete their neuroprotective activities. The second screen brought us to identify a news hit gene candidate involved in MJD, fkh-2/FOXG1. We showed that inactivation of this gene enhanced the motility defect, neurodegeneration and reduced longevity in our MJD model. However, in opposite, its overexpression rescued all these phenotypes, suggesting a neuroprotective role for FKH-2/FOXG1 in MJD when overexpressed. C. elegans models for MJD and the screenings are promising tools to understand the mechanisms and pathways causing neurodegeneration, leading to MJD. In this study, we identified positively acting compounds that may be promising candidates for investigation in mammalian models of MJD and preclinical applications in the treatment of this disease. Also, we gained insights into the pathways of MJD and found that HLH-30/TFEB and FKH-2/FOXG1 are both implicated in MJD and have neuroprotective activities when they are overexpressed. These promising findings may aid the development of novel therapeutic interventions for MJD.