Preoperative Stratification of Gait Outcome from Subthalamic Nucleus Stimulation

Abstract

Gangblockaden, sogenannte „feezing of gait“ (FOG) Episoden, gehören zu den an den stärksten beeinträchtigenden Symptomen der Parkinsonerkrankung. Insbesondere führen sie Stürzen, Verletzungen und Immobilität. Obwohl FOG meistens in früheren Krankheitsphasen auf dopaminerge Therapie gut anspricht, nimmt im Krankheitsverlauf der Therapieeffekt ab. Nur ein Teil der Patienten mit FOG erlebt eine Verbesserung des Freezings nach der Tiefen Hirnstimulation des Nucleus subthalamicus (STN-DBS). Andere Patienten zeigen hingegen weiterhin beeinträchtigendes FOG. Bislang fehlen präoperative Faktoren, die ein gutes Ansprechen des FOG nach STN-DBS vorhersagen könnten. Dies ist für optimale Therapieentscheidungen aber bedeutend. In dieser Studie explorierten wir klinische und kinematische Variablen, die einen positiven Effekt der STN-DBS auf FOG-Ansprechen anzeigen könnten. Dafür charakterisierten wir 18 Parkinsonpatienten vor und nach STN-DBS, 13 davon wiesen ein präoperatives FOG auf. Wir konzentrierten uns auf FOG, sowie dessen Zusammenhang zu den präoperativen klinischen und kinematischen Gangparametern. Präoperative Auswertungen erfolgten in den sogenannten dopaminergen Off- und On-Zuständen. Die erste postoperative Auswertung erfolgte acht Wochen nach der Operation in im dopaminergen Off mit ausgeschalteter und danach mit angeschalteter Stimulation. Eine erneute postoperative Auswertung nach sechs Monaten erfolgte im dopaminergen On und mit angeschalteter Stimulation, um das Outcome in der für die Patienten alltagsrelevanten Therapiekondition zu erfassen. Klinisch besserte sich FOG signifikant anhand des FOG Assessment Course (FOG-AC), mit Tiefer Hirnstimulation in der sechs Monaten Kontrolle im Vergleich zum präoperativen dopaminergen Off-Zustand. Diese Verbesserung zeigte eine positive Korrelation zum präoperativen Ansprechen des FOG-AC auf Levodopa, zum präoperativen Ansprechen des PIGD Subscore auf Levodopa und zum perioperativen Schweregrad des FOG im dopaminergen Off-Zustand. Von den kinematischen Gangparameter zeigte die präoperative Verbesserung der Schrittlänge sowie des Bewegungsumfang (range of motion) des Sprunggelenkes und der Knie nach Levodopa-Gabe eine positive Korrelation mit einer Verbesserung des FOG. Eine zusätzliche Regressionsanalyse zeigte, dass das postoperative FOG-Outcome durch präoperatives Levodopa Ansprechen de FOG-AC mit hoher Genauigkeit vorhergesagt wird. Die Ergebnisse aus unserer Studie müssen in größeren Folgestudien bestätigt werden. Unsere Studie liefert hierfür Kandidatenparameter, die für das Studiendesign und eine Daten-basierte statistische Fallzahlschätzung herangezogen werden können.

Freezing of gait (FOG) is one of the most debilitating symptoms in Parkinson's disease (PD), resulting in falls, injuries and immobility. Although FOG usually responds well to therapy in earlier stages of PD, as the disease progresses it becomes increasingly resistant to therapy. Only some patients show an improvement in FOG after deep brain stimulation of nucleus subthalamicus (STN-DBS), while remaining patients still suffer from FOG. STN-DBS is also shown to aggravate or even trigger FOG in some patients. There are no predictive factors to stratify FOG response to deep brain stimulation. In our study, we aimed to find clinical and kinematic variables that may affect FOG outcome. We characterized 18 PD patients, 13 of them with preoperative FOG, undergoing STN-DBS treatment, both preoperatively and postoperatively. As primary outcome we focused on FOG and its relation to certain clinical surrogates, as well as kinematic features. At the preoperative assessment we included examinations under both medication off and medication on condition. First postoperative evaluation was conducted eight weeks after operation in medication off condition, once with stimulation switched off, followed by stimulation switched on to evaluate its effect. We have reassessed the patients on the same measures six months after STN-DBS implantation on their best individual treatment (medication on/stimulation on condition) to evaluate the overall outcome of FOG. FOG, evaluated by the FOG Assessment Course (FOG-AC), improved significantly at six-month follow-up compared with the preoperative medication off condition. We observed a positive postoperative FOG outcome, when FOG-AC responded well to levodopa preoperatively. Furthermore, preoperative severity of FOG-AC in medication off condition and preoperative levodopa response of PIGD subscore were linked to a better FOG outcome. Among kinematic gait parameters, preoperative levodopa response of range of motion at ankle and at knee level as well as stride length pointed to a better outcome. A further regression model showed that preoperative levodopa response of FOG-AC predicted the postoperative FOG outcome. These findings need to be confirmed in further studies with a larger patient cohort, such as in a multicenter study. Our study delivers candidate parameters for this purpose, which can be used for the study design and a statistical data-based estimation of number of required cases.