CARD O NEWS 4
December 2009 AT THE HEA RT OF INNOVATI ON
Cardiale biomarkers S a m e n vat t i n g : • Introductie • Troponines • Natriuretische peptiden • Wat brengt de toekomst? • Referenties
•Sleutelwoorden: biomarkers, diagnose, har taandoening, har tfalen, troponine, NT-proBNP
De auteur van deze vierde editie van CardioNews is Adrian Boswood. Hij is de Senior Lecturer Inwendige Ziekten op het Royal Veterinary College en hij is actief betrokken bij het klinisch onderzoek naar de mogelijkheden van cardiale biomarkers bij gezelschapsdieren. Vandaag de dag vormen de biomarkers een veelbelovende nieuwe methode voor de diagnose van hartaandoeningen bij hond en kat. In deze CardioNews deelt Adrian Boswood met ons zijn mening en ervaring over dit onderwerp.
Wat is een biomarker?
BIOMARKER A4
22/09/09
11:03
Page 1
A U TE U R :
Author
CEVA SANTé ANIMALE
Adrian Boswood � Adrian Boswood MA, VetMB, DVC, Dipl. ECVIM (Cardiology), MA, VetMB, MRCVS DVC, Department of Veterinary Clinical Dipl. ECVIM (Cardiology), Sciences, MRCVS The Royal Veterinary College, Hawkshead Lane, North Mymms, Hatfield, Hertfordshire, Adrian Boswood is the author AL9 7TA, U.K.
of the fourth edition of
CardioNews. He is a Senior Lecturer at the Royal Veterinary College and is actively
Een bruikbare maar vrij algemene definitie van een biomarker is ‘ een karakteristiek die objectief wordt gemeten en geëvalueerd als een indicator van normale biologische processen, pathogene processen of farmacologische reacties die het gevolg zijn van een therapeutische ingreep’.1
patiënten echter maar twee markers voldoende involved als in clinical research gevalideerd beschouwd om te worden toegepast de into the utility of in cardiac richtlijnen gebruikt in de medische biomarkers praktijk. Het betreft de in small animals. troponines als indicatoren voor een myocardinfarct³ en de natriuretische peptiden voor patiënten met aandoeningen van het linker ventrikel en hartfalen.4
Deze definitie kan een groot aantal meetbare factoren omvatten. Meer en meer wordt de definitie dan ook geherformuleerd in een meer beperkende zin. In dit geval spreekt men van markers van ziekte die gewoonlijk in het bloed worden bepaald en die niet worden gemeten als onderdeel van een routinematig biochemisch of hematologisch onderzoek. Er bestaan een groot aantal circulerende markers die kunnen variëren in het geval van een hartziekte². Momenteel worden er bij humane
Andere markers die men heeft beschreven als waardevol bij patiënten met hartfalen omvatten markers voor endotheliale dysfunctie, markers voor ontsteking en markers voor remodellering.² Hoewel velen hiervan tot op zeker hoogte werden onderzocht bij diergeneeskundige patiënten is het klinische belang nog niet duidelijk aangetoond en zijn ze momenteel dan ook enkel beschikbaar binnen het kader van onderzoek.
Biom
- Wh
“T h e w widely u surable which c about th disease, the prog disease guiding t have be be valuab tients wi Currentl types of troponin
Troponin kage” m released ment of greatest v the detec mia or i they ma veterinar latter con mon.
By contra neuroh
Troponines • De troponines I en T zijn intracellulaire proteïnes die, met de beschikbare analyses, niet in detecteerbare concentraties aanwezig zijn in het bloed van de meeste normale honden.5 Beschadiging van de myocardiale cellulaire integriteit veroorzaakt door ischemie, infarcten, ontsteking of degeneratieve aandoeningen, kan leiden tot een lekkage van troponine naar de extracellulaire ruimte en vervolgens naar het plasma waar het dan kan worden gededecteerd (figuur 1). De hartaandoeningen die resulteren in een uitgesproken gelijktijdige celdood zijn relatief zeldzaam bij honden en katten, hoewel ischemische hartaandoeningen bij dieren zijn vastgesteld.6 Er zijn vele artikelen verschenen waarin de troponine concentraties bij veterinaire patiënten werden geëvalueerd7-10 maar hun potentieel als prognostische markers blijkt niet zo groot te zijn vergeleken met de natriuretische peptiden.11
A
Figuur 1(A) In normale myocardiale cellen bevindt troponine zich in het cytosol (paarse cirkels) en is gebonden op regelmatige intervallen aan de actine-filamenten van de contractiele eiwitten (rode cirkels). Er is geen beduidende hoeveelheid troponine aanwezig in de extracellulaire ruimte.
B
Natriuretische peptiden • Atriale natriuretische peptiden (ANP) en natriuretische peptiden van het B-type (BNP) worden aangemaakt door het atriale en ventriculaire myocardium. De productie van ANP en BNP neemt toe bij uitrekken van het myocard en bij toenemende stress van de myocardwand. De concentraties nemen dus toe wanneer de druk tijdens de diastole (vullingsfase) toeneemt, een typisch kenmerk voor de ontwikkeling van congestief hartfalen. Aanvankelijk worden ze geproduceerd als grote pro-hormonen waarvan de C-terminal wordt afgesplitst om het actief peptide te vormen (figuur 2).12 De N-terminal fragmenten, vooral beschouwd als inactieve bijprodukten die ontstaan bij het de vorming van het C-terminal peptide, komen in dezelfde hoeveelheden vrij wat betekent dat het bepalen van de N-terminal peptiden nuttige informatie verschaft over de activiteit van het peptide systeem in het algemeen. Hoewel zowel de C-terminus als de N-terminus peptiden kunnen worden bepaald voor zowel ANP als BNP heeft het bepalen van de N-terminus voordelen: het heeft een langere halfwaardetijd, hierdoor zijn de plasmaconcentraties hoger en minder onderhevig aan schommelingen.
Figuur 1(B) Bij verlies van de integriteit van de myocardiale cellen ontstaat er een verlies van troponine van zowel het cytosol als de myofibrillaire eiwitten, naar de extracellulaire ruimte, en van daar naar het plasma.
N
Pro-hormoon
C
N-terminal fragment
C-terminal fragment
Inactief Stabiel Lange halfwaardetijd
Actief Instabiel Korte halfwaardetijd
Figuur 2 Schematische voorstelling van de productie van natriuretsiche peptiden. De C-terminal wordt gesplitst van het grotere prohormoon wat resulteert in het ontstaan van twee peptiden: het actieve C-terminal fragment en het residuele N-terminal fragment.
• Het onderzoek naar het gebruik van natriuretische peptiden staat in de diergeneeskunde nog in de kinderschoenen. De studies die, naar analogie van de geneeskunde, zijn uitgevoerd suggereren echter dat het bepalen van deze markers even veelbelovend kan zijn bij veterinaire patiënten. Er zijn veel verschillende typen van natriuretische peptiden die kunnen worden bepaald. De belangrijkste die werden bestudeerd bij dieren zijn BNP11,14, ANP15, ProANP, ProANP fragmenten16 en NT proBNP17-20. De concentraties van deze markers vertoonden allen een stijging bij toenemende ernst van het hartprobleem. In figuur 3 zijn de concentraties van NTproBNP bij honden met een hartaandoening en hartfalen vergeleken met deze van honden met respiratoire problemen (zie referentie 17 voor alle details). Bij hartproblemen ziet men verhoogde concentraties, deze stijgingen zijn zelfs nog meer uitgesproken bij honden die tekenen van hartfalen vertonen.
10000.00
Plasma NTproBNP concentratie pmol/L
• Een recent overzichtsartikel concludeerde dat, wat betreft humane patiënten, het bepalen van natriuretische peptiden (NP) in klinische omstandigheden gebruikt wordt als kwantitatieve biomarkers van hartfalen, als een accurate diagnostische test voor het aantonen van hartfalen, voor het bepalen van de risiconiveau’s, om artsen in staat stellen om het management van de patiënt te verbeteren en de totale behandelingskosten voor patiënten met acute dyspnee te reduceren en, als prognostische factor voor sterfte of herhospitalisatie van patiënten met hartfalen. Er werd zelfs gesteld dat, wanneer de behandeling afgesteld wordt op deze waarden een verbetering zou optreden in de morbiditeit en/of mortaliteit bij hartpatiënten.13 Het is niet verrassend dat, door de talrijke potentiële toepassingen, de ontwikkeling en introductie van deze compleet nieuwe manier van evalueren van hartpatiënten werd onthaald met zowel enthousiasme als scepticisme en weerstand.
8000.00
6000.00
*
4000.00
2000.00
*
0.00 Hartfalen
Hartaandoening
Respiratoir
Ziektecategorie
Figuur 3 NTproBNP concentraties bij honden in functie van de onderliggende ziekte. Patiënten met hartfalen hebben hogere concentraties dan deze met een hartaandoening die op hun beurt een hogere waarde hebben dan de honden met een respiratoir probleem. De horizontale streep vertegenwoordigt de mediane concentratie binnen de groep, de verticale lijnen geven de variatie aan in de metingen, de cirkel en de sterretjes stellen enkele uitzonderlijke metingen voor. (van Boswood et al, 200817)
• Een aantal studies vergeleken de relatieve waarde van deze markers bij de diagnose van hartfalen. Twee studies suggereerden dat NTproANP effectiever is dan BNP om honden met hartfalen te onderscheiden van de dieren zonder dit probleem11,14, terwijl een andere studie eerder de voorkeur gaf aan NTproBNP boven proANP fragmenten om dieren met een hartprobleem te onderscheiden van deze met een respiratoire aandoening.17 Hoewel de echte superioriteit van de ene test versus de andere niet is vastgesteld, gaat momenteel de aandacht bij zowel hond als kat vooral naar het evalueren van NTproBNP.17-20 Dit komt deels voort uit pragmatische redenen zoals beschikbaarheid en het gebruiksgemak van de test. Om waardevol te zijn voor de dierenarts, is één van de belangrijkste factoren de beschikbaarheid van de test21 en het meten van NTproBNP is momenteel algemeen beschikbaar via commerciële diagnostische laboratoria.
Hoe bepalen we de waarde van natriuretische peptiden? • Recent gepubliceerde studies over natriuretische peptiden zijn voornamelijk cross-sectional, er wordt bepaald of de test in staat is om het onderscheid te maken tussen de patiënten met en zonder een bepaalde aandoening. In deze publicaties worden de testen vaak beschreven in functie van de sensitiviteit, specificiteit en de globale ‘nauwkeurigheid’. Dit is een eenvoudige en bruikbare manier om de prestaties van deze testen te beschrijven, maar de data komen meestal echter voort uit relatief beperkte patiëntenpopulaties waaruit een aantal dieren met verschillende aandoeningen werden verwijderd. Wanneer we ons concentreren op NTproBNP zien we dat de studies die tot nu toe de diagnostische waarde hebben beschreven tegenstrijdige resultaten opleveren. Dit is waarschijnlijk het gevolg van het feit dat de studies op een aantal punten van elkaar verschillen en dat de in de studies gebruikte stalen op een andere manier werden behandeld. Find en others19 suggereerden dat 92% van de honden van de honden met hartfalen een NTproBNP concentratie hadden hoger dan 1,400 pmol/L. Oyama en others20 toonden aann dat 83% van de honden met hartaandoeningen concentraties hebben die boven 445 pmol/L liggen (sensitiviteit van 83% voor het aantonen van een hartaandoening) terwijl dit bij 90% van de normale honden niet werd teruggevonden (specificiteit van 90%). In de laatste studie werd een concentratie van 820 pmol/L voorgesteld als drempelwaarde waaronder het zeer onwaarschijnlijk was dat de patiënt hartfalen zal hebben. In een studie die we uitgevoerd hebben tot slot werd een lagere cut-off waarde gesuggereerd van 210 pmol/L, hoewel de meerderheid van de honden met hartfalen concentraties had boven 1000 pmol/L. Deze lagere cut-off waarde in onze studie was waarschijnlijk een weerspiegeling van een minder nauwkeurig behandelen van de stalen. Wanneer plasma en cellen binnen enkele uren worden gescheiden en ingevroren voor de analyse, worden er normaal gesproken hogere waarden vastgesteld omdat er dan minder afbraak van het eiwit heeft plaatsgevonden. In een meer recente studie (momenteel nog niet gepubliceerd) waarbij er op een zorgvuldigere manier werd omgegaan met de stalen werden waarden bekomen bij 20 normale, relatief oudere honden van een klein ras (gemiddelde leeftijd van 10 jaar). De gemiddelde concentratie binnen deze populatie bedroeg ongeveer 400 pmol/L (persoonlijke communicatie van W. Moonarmart) wat bevestigd dat de eerder cut-off waarde van 210 pmol/L te laag is.
• Momenteel zijn er minder publicaties met betrekking tot natriuretische peptiden bij katten maar de diagnostische mogelijkheden van diersoortspecifieke testen, bij een diersoort waarbij het kenmerkend moeilijk is om een definitieve diagnose van hartfalen te stellen, blijken uitstekend.18 • Een stijging van de plasmaconcentratie van NTproBNP is waarschijnlijk bij toenemende ernst van de hartaandoening, bijgevolg noemt men dit een ‘kwantitatieve’ (in tegenstelling tot een kwalitatieve) biomarker van hartfalen.13 Dit betekent dat stijgende concentraties geassocieerd worden met een toenemende waarschijnlijkheid op de aanwezigheid van een verder gevorderde hartziekte en dat de concentraties in de buurt van de vooropgestelde ‘cut-off’ waarden altijd degene zijn die het moeilijkst te interpreteren zijn. Figuur 4 illustreert een meer elegant beeld van een resultaat van een diagnostische test. Als de waarschijnlijkheid op een abnormaliteit, in dit geval de aanwezigheid van een hartprobleem, toeneemt bij stijgende concentratie van de marker dan is bij lage concentraties de kans op ziekte klein en is de kans groot dat de patiënt normaal is. Als de concentratie van de biomarker toeneemt neemt de waarschijnlijkheid dat de patiënt geen aandoening heeft af waar de kans dat de patiënt de aandoening heeft toeneemt.
Waarschijnlijkheid op normale situatie
Grijze zone
Waarschijnlijkheid op abnormale situatie
TOENEMENDE CONCENTRATIE VAN DE MARKER
Figuur 4 Schematische weergave van het effect van toenemende concentraties van de biomarker op de waarschijnlijkheid op de aanwezigheid van ziekte.
Als de concentratie van de biomarker toeneemt neemt de waarschijnlijkheid dat de patiënt geen aandoening heeft af waar de kans dat de patiënt de aandoening heeft toeneemt. Op een zeker punt zullen de waarden elkaar kruisen en dit is de concentratie waar de kans dat de patiënt normaal is even groot is als de kans dat hij de aandoening heeft. Voorbij dit punt, als de concentraties dus blijven stijgen, is de kans dat de patiënt een aandoening heeft groter dan dat hij normaal is en hoe hoger de numerieke waarde hoe groter de kans op de aandoening en hoe kleiner de kans dat hij normaal is. Het is dus nuttig om de waarden in de intermediaire zone, waar de kans op een normale
en een abnormale situatie ongeveer vergelijkbaar is, te interpreteren met een bepaalde zekerheid wat wil zeggen dat we ons niet ongemakkelijk moeten voelen met de grijze zone waar de resultaten geen definitief uitsluitsel kunnen geven of een patiënt al dan niet normaal is. Bij gebruik van NTproBNP bij de evaluatie van honden voor de aanwezigheid van significante hartproblemen zal deze grijze zone zich waarschijnlijk bevinden tussen 445 en 1000 pmol/L. Waarden die in deze zone vallen, mogen niet alleen maar dienen tesamen met andere gegevens geïnterpreteerd te worden, vooraleer een definitieve conclusie over een bepaald geval wordt getrokken.
Andere mogelijke toepassingen van natriuretische peptiden Zoals hierboven reeds vermeld, werd bij de meerderheid van de gepubliceerde studies over biomarkers bij veterinaire patiënten het potentieel als diagnostische marker geëvalueerd door middel van cross-sectional studies. Er is in verhouding weinig verschenen over het gebruik als prognostisch middel, de reactie op de behandeling of de rol in het nemen van een beslissing bij de behandeling. Bij humane patiënten zijn de prognostische mogelijkheden van de natriuretische peptiden en de troponine concentraties goed gekend.22 Er bestaan talrijke studies waar een daling van de markerconcentraties ten gevolge van therapie zijn beschreven. Tegenwoordig gaat de aandacht vooral
naar het potentieel van de concentraties aan natriuretische peptiden als hulpmiddel bij de te kiezen of de gekozen behandeling wat resulteert in betere uitkomsten voor de patiënten.23,24 Sommige veterinaire studies refereren naar het potentieel van biomarkers zoals troponine9 en natriuretische peptiden als indicatoren voor de prognose. Tot slot, de daling van de concentratie van natriuretische peptiden ten gevolge van het starten van een behandeling bij congestief hartfalen is ook aangetoond bij honden27 maar hun potentieel als monitoring hulpmiddel of als methode om de behandeling op af te stemmen is echter nog niet onderzocht.
Wat z a l d e t o e ko m s t b r e n g e n ? Het ontwikkelen en evalueren van biomarkers blijft zowel in de humane als de veterinaire geneeskunde een onderzoeksgebied met veel activiteit. We moeten het volle potentieel van de momenteel beschikbare markers nog ontdekken en het is zeer waarschijnlijk dat verschillende markers of combinaties van markers beschikbaar worden in de toekomst. De uitdaging waar de onderzoekers voor staan in dit vakgebied is het aantonen of deze markers al dan niet een waarde hebben in de dagelijkse klinische praktijk. Dit kan op verschillende manieren worden bereikt: de waarde zou kunnen worden bepaald door aan te tonen dat het onafhankelijke markers zijn voor diagnose en prognose die artsen exactere, meer toegangkelijke, praktischer, goedkoper en sneller informatie kunnen verschaffen dan de huidig beschikbare methoden. Om het scepticisme en de tegenkantingen, welke een natuurlijke reactie zijn bij artsen en dierenartsen wanneer er een nieuwe test beschikbaar komt, het hoofd te bieden moet men aantonen dat het niveau van de zorg dat dierenartsen kunnen aanbieden dankzij deze markers stijgt. Het meest overtuigend zou zijn dat men kan aantonen dat de uitkomst van de patiënten beter is wanneer de markerconcentraties gekend zijn. Dit vereist goed opgebouwde longitudinale studies waarbij de uitkomsten bij patiënten met veel voorkomende aandoeningen worden bepaald. Er is dus nog veel werk te verrichten!
REFERENTIES: 1. Biomarkers and surrogate endpoints : preferred definitions and conceptual framework. Clin Pharmacol Ther 2001; 69:89-95. 2. Braunwald E. Biomarkers in heart failure. N Engl J Med 2008;358:2148-2159. 3. Alpert JS, Thygesen K, Antman E, et al. Myocardial infarction redefined--a consensus document of The Joint European Society of Cardiology/American College of Cardiology Committee for the redefinition of myocardial infarction. J Am Coll Cardiol 2000;36:959-969. 4. Tang WH, Francis GS, Morrow DA, et al. National Academy of Clinical Biochemistry Laboratory Medicine practice guidelines: Clinical utilization of cardiac biomarker testing in heart failure. Circulation 2007;116:e99-109. 5. Sleeper MM, Clifford CA, Laster LL. Cardiac troponin I in the normal dog and cat. J Vet Intern Med 2001;15:501-503. 6. Falk T, Jonsson L. Ischaemic heart disease in the dog: a review of 65 cases. J Small Anim Pract 2000;41:97-103. 7. Herndon WE, Kittleson MD, Sanderson K, et al. Cardiac Troponin I in Feline Hypertrophic Cardiomyopathy. J Vet Intern Med 2002;16:558-564. 8. Connolly DJ, Cannata J, Boswood A, et al. Cardiac troponin I in cats with hypertrophic cardiomyopathy. J Feline Med Surg 2003;5:209-216. 9. Oyama MA, Sisson DD. Cardiac troponin-I concentration in dogs with cardiac disease. J Vet Intern Med 2004;18:831-839. 10. Spratt DP, Mellanby RJ, Drury N, et al. Cardiac troponin I: evaluation I of a biomarker for the diagnosis of heart disease in the dog. J Small Anim Pract 2005;46:139-145. 11. Prosek R, Sisson DD, Oyama MA, et al. Distinguishing cardiac and noncardiac dyspnea in 48 dogs using plasma atrial natriuretic factor, B-type natriuretic factor, endothelin, and cardiac troponin-I. J Vet Intern Med 2007;21:238-242. 12. Sisson DD. Neuroendocrine evaluation of cardiac disease. Vet Clin North Am Small Anim Pract 2004;34:1105-1126. 13. Maisel A, Mueller C, Adams K, Jr., et al. State of the art: using natriuretic peptide levels in clinical practice. Eur J Heart Fail 2008;10:824-839. 14. Haggstrom J, Hansson K, Kvart C, et al. Relationship between different natriuretic peptides and severity of naturally acquired mitral regurgitation in dogs with chronic myxomatous valve disease. Journal of Veterinary Cardiology 2000;2:7-16. 15. Vollmar AM, Reusch C, Kraft W, et al. Atrial natriuretic peptide concentration in dogs with congestive heart failure, chronic renal failure, and hyperadrenocorticism. Am J Vet Res 1991;52:1831-1834. 16. Boswood A, Attree S, Page K. Clinical validation of a proANP 31-67 fragment ELISA in the diagnosis of heart failure in the dog. J Small Anim Pract 2003;44:104-108. 17. Boswood A, Dukes-McEwan J, Loureiro J, et al. The diagnostic accuracy of different natriuretic peptides in the investigation of canine cardiac disease. J Small Anim Pract 2008;49:26-32. 18. Connolly DJ, Soares Magalhaes RJ, Syme HM, et al. Circulating natriuretic peptides in cats with heart disease. J Vet Intern Med 2008;22:96-105. 19. Fine DM, Declue AE, Reinero CR. Evaluation of circulating amino terminal-pro-B-type natriuretic peptide concentration in dogs with respiratory distress attributable to congestive heart failure or primary pulmonary disease. J Am Vet Med Assoc 2008;232:1674-1679. 20. Oyama MA, Fox PR, Rush JE, et al. Clinical utility of serum N-terminal pro-B-type natriuretic peptide concentration for identifying cardiac disease in dogs and assessing disease severity. J Am Vet Med Assoc 2008;232:1496-1503. 21. Morrow DA, de Lemos JA. Benchmarks for the assessment of novel cardiovascular biomarkers. Circulation 2007;115:949952. 22. Latini R, Masson S, Anand IS, et al. Prognostic value of very low plasma concentrations of troponin T in patients with stable chronic heart failure. Circulation 2007;116:1242-1249. 23. Jourdain P, Jondeau G, Funck F, et al. Plasma brain natriuretic peptide-guided therapy to improve outcome in heart failure: the STARS-BNP Multicenter Study. J Am Coll Cardiol 2007;49:1733-1739. 24. Troughton RW, Frampton CM, Yandle TG, et al. Treatment of heart failure guided by plasma aminoterminal brain natriuretic peptide (N-BNP) concentrations. The Lancet 2000;355:1126-1130. 25. Greco DS, Biller B, Van Liew CH. Measurement of plasma atrial natriuretic peptide as an indicator of prognosis in dogs with cardiac disease. Can Vet J 2003;44:293-297. 26. MacDonald KA, Kittleson MD, Munro C, et al. Brain natriuretic peptide concentration in dogs with heart disease and congestive heart failure. J Vet Intern Med 2003;17:172-177. 27. Haggstrom J, Hansson K, Hoglund K, et al. Comparison of short term effects of pimobendan and benazepril on pulmonary transit times and neuroendocrine profile in dogs with decompensated mitral regurgitation. In: European College of Veterinary Internal Medicine. Budapest: ECVIM; 2007. ihttp://www.idexx.com/animalhealth/laboratory/cardiopetprobnp/ (accessed 2nd January 2009)
CEVA SANTÉ ANIMALE N.V./B.V. Metrologielaan 6 - 1130 Brussel - Tel: 02 244 12 96 - Fax: 02 244 12 99 www.ceva.be -
[email protected] Tiendweg 8c - 2671 SB Naaldwijk - Tel: 0174-643930 - Fax: 0174-643924 www.ceva.nl -
[email protected]
