Hans-Christoph Aster

• The present cumulative dissertation summarizes three clinical studies, which examine subgroups of patients within the fibromyalgia syndrome (FMS). FMS entails chronic pain and associated symptoms, and its pathophysiology is incompletely understood (1). Previous studies show that there is a subgroup of patients with FMS with objective histological pathology of the small nerve fibers of the peripheral nervous system (PNS). Another subgroup of FMS patients does not show any signs of pathological changes of the small nerve fibers. The aim ofThe present cumulative dissertation summarizes three clinical studies, which examine subgroups of patients within the fibromyalgia syndrome (FMS). FMS entails chronic pain and associated symptoms, and its pathophysiology is incompletely understood (1). Previous studies show that there is a subgroup of patients with FMS with objective histological pathology of the small nerve fibers of the peripheral nervous system (PNS). Another subgroup of FMS patients does not show any signs of pathological changes of the small nerve fibers. The aim of this dissertation was to compare FMS patients with healthy controls, and these two FMS subgroups for differences in the central nervous system (CNS) in order to explore possible interactions between PNS and the CNS. Regarding the CNS, differences of FMS patients with healthy controls have already been found in studies with small sample sizes, but no subgroups have yet been identified. Another aim of this thesis was to test whether the subgroups show a different response to different classes of pain medication. The methods used in this thesis are structural and functional magnetic resonance imaging (MRI), magnetic resonance diffusion imaging and magnetic resonance spectroscopy. For the evaluation of clinical symptoms, we used standardized questionnaires. The subgroups with and without pathologies of the PNS were determined by skin biopsies of the right thigh and lower leg based on the intraepidermal nerve fiber density (IENFD) of the small nerve fibers. 1) In the first MRI study, 43 female patients with the diagnosis of FMS and 40 healthy control subjects, matched in age and body mass index, were examined with different MRI sequences. Cortical thickness was investigated by structural T1 imaging, white matter integrity by diffusion tensor imaging and functional connectivity within neuronal networks by functional resting state MRI. Compared to the controls, FMS patients had a lower cortical volume in bilateral frontotemporoparietal regions and the left insula, but a higher cortical volume in the left pericalcarine cortex. Compared to the subgroup without PNS pathology, the subgroup with PNS pathology had lower cortical volume in both pericalcarine cortices. Diffusion tensor imaging revealed an increased fractional anisotropy (FA) of FMS patients in corticospinal pathways such as the corona radiata, but also in regions of the limbic systems such as the fornix and cingulum. Subgroup comparison again revealed lower mean FA values of the posterior thalamic radiation and the posterior limb of the left internal capsule in the subgroup with PNS pathology. In the functional connectivity analysis FMS patients, compared to controls, showed a hypoconnectivity between the right median frontal gyrus and the posterior cerebellum and the right crus cerebellum, respectively. In the subgroup comparisons, the subgroup with PNS pathology showed a hyperconnectivity between both inferior frontal gyri, the right posterior parietal cortex and the right angular gyrus. In summary, these results show that differences in brain morphology and functional connectivity exist between FMS patients with and without PNS pathology. These differences were not associated with symptom duration or severity and, in some cases, have not yet been described in the context of FMS. The differences in brain morphology and connectivity between subgroups could also lead to a differential response to treatment with centrally acting drugs. Further imaging studies with FMS patients should take into account this heterogeneity of FMS patient cohorts. 2) Following the results from the first MRI study, drug therapies of FMS patients and their treatment response were compared between PNS subgroups. As there is no licensed drug for FMS in Europe, the German S3 guideline recommends amitriptyline, duloxetine and pregabalin for temporary use. In order to examine the current drug use in FMS patients in Germany on a cross-sectional basis, 156 patients with FMS were systematically interviewed. The drugs most frequently used to treat pain in FMS were non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) (28.9%), metamizole (15.4%) and amitriptyline (8.8%). Pain relief assessed by patients on a numerical rating scale from 0-10 averaged 2.2 points for NSAIDs, 2.0 for metamizole and 1.5 for amitriptyline. Drugs that were discontinued for lack of efficacy and not for side effects were acetaminophen (100%), flupirtine (91.7%), selective serotonin reuptake inhibitors (81.8%), NSAIDs (83.7%) and weak opioids (74.1%). Patients were divided into subgroups with and without PNS pathology as determined by skin biopsies. We found no differences in drug use and effect between the subgroups. Taken together, these results show that many FMS patients take medication that is not in accordance with the guidelines. The reduction of symptoms was best achieved with metamizole and NSAIDs. Further longitudinal studies on medication in FMS are necessary to obtain clearer treatment recommendations. 3) Derived from previous pharmacological and imaging studies (with smaller case numbers), there is a hypothesis in the FMS literature that hyperreactivity of the insular cortex may have an impact on FMS. The hyperreactivity seems to be due to an increased concentration of the excitatory neurotransmitter glutamate in the insular cortex of FMS patients. The hypothesis is supported by magnetic resonance spectroscopy studies with small number of cases, as well as results from pharmacological studies with glutamate-inhibiting medication. Studies from animal models have also shown that an artificially induced increase in glutamate in the insular cortex can lead to reduced skin innervation. Therefore, the aim of this study was to compare glutamate and GABA concentrations in the insular cortex of FMS patients with those of healthy controls using magnetic resonance imaging. There was no significant difference of both neurotransmitters between the groups. In addition, there was no correlation between the neurotransmitter concentrations and the severity of clinical symptoms. There were also no differences in neurotransmitter concentrations between the subgroups with and without PNS pathology. In conclusion, our study could not show any evidence of a correlation of glutamate and GABA concentrations with the symptoms of FMS or the pathogenesis of subgroups with PNS pathologies.…
• Die vorliegende kumulative Dissertation fasst drei klinische Studien zusammen, welche Unterschiede zwischen Patientinnen mit Fibromyalgiesyndrom (FMS) und gesunden Kontrollen, sowie Subgruppen des FMS untersuchen. Das FMS wird als chronisches Schmerzsyndrom mit Begleitsymptomen wie Depressionen, gastrointestinalen Symptomen oder Erschöpfung definiert. Die Pathophysiologie ist noch nicht vollständig geklärt (1). Frühere Studien zeigen, dass es eine Subgruppe von PatientInnen mit FMS gibt, welche objektive, histologische Pathologien der kleinenDie vorliegende kumulative Dissertation fasst drei klinische Studien zusammen, welche Unterschiede zwischen Patientinnen mit Fibromyalgiesyndrom (FMS) und gesunden Kontrollen, sowie Subgruppen des FMS untersuchen. Das FMS wird als chronisches Schmerzsyndrom mit Begleitsymptomen wie Depressionen, gastrointestinalen Symptomen oder Erschöpfung definiert. Die Pathophysiologie ist noch nicht vollständig geklärt (1). Frühere Studien zeigen, dass es eine Subgruppe von PatientInnen mit FMS gibt, welche objektive, histologische Pathologien der kleinen Nervenfasern des peripheren Nervensystems (PNS) aufweisen. Eine andere Subgruppe von FMS-Patienten zeigt keinerlei Anzeichen für pathologische Veränderungen dieser kleinen Nervenfasern. Ziel dieser Dissertation ist es, diese beiden Subgruppen auf Unterschiede im zentralen Nervensystem (ZNS) hin zu vergleichen, um mögliche Wechselwirkungen zwischen dem PNS und ZNS zu untersuchen. Hinsichtlich des ZNS wurden bereits Unterschiede zwischen FMS-Patienten und gesunden Kontrollpersonen in Studien mit kleineren Fallzahlen festgestellt, jedoch wurden noch keine Subgruppen identifiziert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, zu prüfen, ob die Subgruppen von FMS PatientInnen unterschiedlich auf verschiedene Arten von Schmerzmedikamenten ansprechen. Die in dieser Arbeit verwendeten Methoden sind die strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT), die Magnetresonanz-Diffusionsbildgebung und die Magnetresonanzspektroskopie. Für die Bewertung der klinischen Symptome wurden standardisierte Fragebögen verwendet. Die Subgruppen mit und ohne Pathologien des peripheren Nervensystems (PNS) wurden durch Hautbiopsien des rechten Ober- und Unterschenkels anhand der intraepidermalen Nervenfaserdichte der kleinen Nervenfasern bestimmt. 1) In der ersten MRT-Studie wurden 43 Patientinnen mit der Diagnose eines FMS und 40 gesunde Kontrollpersonen, die hinsichtlich Alter und Body-Mass-Index gematcht waren, mit verschiedenen Sequenzen der Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Das Volumen des Kortex wurde mittels struktureller T1-Bildgebung, die Integrität der weißen Substanz mittels Diffusionstensor-Bildgebung und die funktionelle Konnektivität innerhalb neuronaler Netzwerke mittels einer funktionellen Ruhezustands-MRT untersucht. Im Vergleich zu den Kontrollpersonen hatten FMS-Patientinnen ein geringeres Kortexvolumen der bilateralen frontotemporoparietalen Regionen und der linken Inselrinde, aber ein höheres Kortexvolumen im linken pericalcarinen Kortex. Im Vergleich zu der Untergruppe ohne PNS-Pathologien wies die Untergruppe mit PNS-Pathologien ein geringeres Kortexvolumen in beiden pericalcarinen Kortizes auf. Die Diffusions-Tensor-Bildgebung zeigte eine erhöhte fraktionelle Anisotropie (FA) der FMS PatientInnen in kortikospinalen Bahnen wie der Corona radiata, aber auch in Regionen des limbischen Systems wie dem Fornix und dem Cingulum. Ein Subgruppenvergleich ergab wiederum niedrigere mittlere FA-Werte in der Subgruppe mit PNS-Pathologien bezüglich der hinteren Thalamusausstrahlung und des hinteren Schenkels der linken Capsula interna. In der Analyse der funktionellen Konnektivität zeigten FMS-Patienten im Vergleich zu den Kontrollen eine Hypokonnektivität zwischen dem rechten medianen frontalen Gyrus und dem hinteren Kleinhirn bzw. dem rechten Kleinhirn. In den Subgruppenvergleichen zeigte die Subgruppe mit PNS-Pathologien eine Hyperkonnektivität zwischen beiden inferioren frontalen Gyri, dem rechten posterioren parietalen Kortex und dem rechten Gyrus angularis. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass zwischen FMS Patienten mit und ohne PNS-Pathologie Unterschiede in der Hirnmorphologie und funktionellen Konnektivität bestehen. Diese Unterschiede waren nicht mit der Dauer oder Ausprägung der Symptome assoziiert und sind teilweise noch nicht im Zusammenhang mit dem FMS beschrieben worden. Die Unterschiede in der Hirnmorphologie und Konnektivität zwischen den Subgruppen könnte auch zu einem unterschiedlichen Ansprechen auf die Behandlung mit zentral wirksamen Medikamenten führen. Weitere bildgebende Studien mit FMS-PatientInnen sollten diese Heterogenität von FMS-Patientenkohorten berücksichtigen. 2) Den Ergebnissen der ersten MRT-Studie folgend wurden die medikamentösen Therapien von FMS-PatientInnen und ihr Ansprechen auf die Behandlung zwischen den PNS-Subgruppen verglichen. Da es in Europa kein zugelassenes Medikament für das FMS gibt, empfiehlt die deutsche S3-Leitlinie Amitriptylin, Duloxetin und Pregabalin zur vorübergehenden Anwendung. Um den aktuellen Medikamenteneinsatz bei FMS-Patienten in Deutschland im Querschnitt zu untersuchen, wurden 156 PatientInnen mit FMS systematisch befragt. Die am häufigsten verwendeten Medikamente zur Schmerzbehandlung bei FMS waren nicht-steroidale Antirheumatika (NSAIDs) (28,9 %), Metamizol (15,4 %) und Amitriptylin (8,8 %). Die von den Patienten auf einer numerischen Bewertungsskala von 0-10 bewertete Schmerzlinderung betrug im Durchschnitt 2,2 Punkte für NSAIDs, 2,0 für Metamizol und 1,5 für Amitriptylin. Medikamente, die wegen mangelnder Wirksamkeit und nicht wegen Nebenwirkungen abgesetzt wurden, waren Paracetamol (100 %), Flupirtin (91,7 %), selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (81,8 %), NSAIDs (83,7 %) und schwache Opioide (74,1 %). Die Patienten wurden in Subgruppen mit und ohne PNS-Pathologien eingeteilt, welche, wie schon beschrieben, anhand von Hautbiopsien bestimmt wurden. Wir fanden keine Unterschiede zwischen den Subgruppen in Bezug auf die Medikamenteneinnahme und deren Wirkung. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass viele FMS-PatientInnen Medikamente einnehmen, die nicht mit den Leitlinien übereinstimmen. Die Reduzierung der Symptome wurde am besten mit Metamizol und NSAIDs erreicht. Weitere Längsschnittstudien zur Medikation bei FMS wären hilfreich, um breitere Behandlungsempfehlungen zu erhalten. 3) Abgeleitet aus den bisherigen pharmakologischen und bildgebenden Studien (mit kleineren Fallzahlen) besteht in der FMS Literatur die Hypothese, dass eine Hypersensitivität der Inselrinde einen Einfluss auf die FMS-Symptomatik haben könnte. Diese Hypersensitivität könnte durch eine erhöhte Konzentration des erregenden Neurotransmitters Glutamat in der Inselrinde von FMS Patienten bedingt sein. Diese Hypothese wird durch Magnetresonanzspektroskopie-Studien mit kleinen Fallzahlen, sowie Ergebnissen aus pharmakologischen Studien mit Glutamat-hemmender Medikation gestützt. Studien aus dem Tiermodell konnten außerdem zeigen, dass ein künstlich herbeigeführter Anstieg von Glutamat in der Inselrinde zu einer Reduktion der kleinen Nervenfasern im PNS führen kann. Ziel dieser Studie war es deshalb, mittels Magnetresonanztomographie die Glutamat- und GABA Konzentrationen der Inselrinde von FMS Patienten mit denen von gesunden Kontrollen zu vergleichen. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied beider Neurotransmitter zwischen den Gruppen. Es konnte ebenfalls kein Zusammenhang zwischen den Konzentrationen und der Ausprägung der klinischen Symptomatik bewiesen werden. Auch zwischen den Subgruppen mit und ohne PNS Pathologie zeigten sich keine Unterschiede in der Neurotransmitterkonzentration. Zusammenfassend konnte unsere Studie keinen Hinweis auf einen Zusammenhang der Glutamat- und GABA- Konzentrationen in der Inselrinde mit der Symptomatik des FMS oder der Entstehung von Subgruppen mit PNS Pathologien zeigen.…