Bone health in cerebral palsy and introduction of a novel therapy.

OBJECTIVE: To assess the bone health status of children with cerebral palsy and the therapeutic effect of denosumab in a subgroup of children with cerebral palsy and decreased bone mass.
METHODS: Children with cerebral palsy were evaluated according to their motor disability score (classification system gross motor functions III to V), bone density and bone turnover markers. Dual X-ray energy absorption was used to measure the lumbar spine, and total body, except the head. Thereafter a group of children with cerebral palsy and osteoporosis was treated with denosumab, a fully human monoclonal antibody. Bone turnover markers were measured before and three months after treatment.
RESULTS: Reduction in bone mineral density was observed, particularly in children with greater impairment evaluated by the motor score. Decreased bone turnover markers were found in a selected group of children three months after exposure to denosumab.
CONCLUSION: Bone loss was present in children with significant impairment of motor function, as well as decreased serum levels of bone resorption markers with new forms.

INTRODUCTION

Cerebral palsy (CP) is the most common form of chronic motor disability in children. Other causes of disability in children include prolonged immobilization, nutritional factors, pubertal status and chronic use of anticonvulsants. All these factors may be related to impairment of normal bone development in these children.( Low calcium intake is not uncommon in CP and may also contribute to poor mineralization of bone matrix.( Consequently, children with severe CP are at risk for developing low bone mineral density (BMD) and low-impact fractures. However such a scenario could only be maintained after bone densitometry (dual-energy X-ray absorptiometry − DXA) became available,( and the risk of fracture and low bone density in children is still not well defined when compared to adults.( After its introduction, DXA remains the gold standard technique for the assessment of BMD in adults. This two-dimension measurement is also named as areal BMD (aBMD), and is influenced by bone size. This is an important problem in pediatric bone assessment because of the large differences in body size across different ages. The interpretation of bone mineral measurements is far more complex in children than in adults, since children are continuously growing. The relation between fracture risk and BMD measurements has not been well established in children. However, fractures and reduced bone mass secondary to disuse have been reported in several different diseases in children, and CP has been one of the most prevalent conditions seen in this group.( Over the past 30 years, various studies have investigated BMD and fractures in children with CP and there is a considerable variation when assessed in the lumbar spine, distal femur or total body. According to International Society for Clinical Densitometry (ISCD) Pediatric Official Positions, children with chronic immobilization such as CP should have DXA scan to measure aBMD in spine and bone mineral content in total body.(

Pharmacological interventions have been used to ameliorate bone loss in children.( Antiresorptives (bisphosphonates) associated to nutritional supplementation, vitamin D, calcium and weight-bearing physical activity program are known to be effective to improve BMD in these children. The recently developed antiresorptive RANKL antagonist, denosumab, decreases fracture incidence by increasing BMD and degree of mineralization in postmenopausal women. A faster and more profound inhibition of bone turnover by denosumab, when compared to oral bisphosphonates, has been observed as well as increasing in BMD at all sites. Denosumab inhibits osteclast-mediated bone resorption but works through a different pathway than bisphosphonates. This unique mechanism of action let us to therapeutically target RANKL in patients with CP and low bone mass,( and to our knowledge this is the first report about children with CP treated with the RANKL antibody denosumab.

OBJECTIVE

To assess the bone health status of children with cerebral palsy and the therapeutic effect of denosumab in a subgroup of children with cerebral palsy and decreased bone mass.

METHODS

This study was carried at Hospital Abreu Sodré, São Paulo (SP), Brazil. This project was approved by the Ethics Committee in Research of the Associação de Assistência à Criança Deficiente under protocol number 120/2009. Our research group enrolled 183 children aged 5 to 14 years (mean age of 12 years). Children were classified according to the Gross Motor Functional Classification Scale (GMFCS). Severe CP was defined by a functional level of 4 or 5 on the GMFCS scale. Some children presenting moderate to severe CP, as per the GMFCS, were selected to receive denosumab. The initial evaluation included anthropometric measures and BMD assessment of the whole group. The BMD values of lumbar vertebrae (L1-L4) and total body, excluding the head, were determined by DXA (Lunar DPX - NT system, version 13.6, GE Healthcare). Since frequent motion artifact precluded reliable assessment of total body bone mass, we therefore relied on the Z-score of lumbar spine for evaluation. The children whose Z-score adjusted for age and sex was below -2.0 were classified as having low bone density for chronological age. The Z-score were provided by an appropriate software for pediatric patients.

C-terminal telopeptide of type 1 collagen (CTx) as a serum marker of bone resorption was measured, and the serum level of osteocalcin (OC) was determined to assess changes in bone formation. Both CTx and OC were measured by electrochemiluminescence (Roche Diagnostics). Parathyroid hormone (PTH), calcium, phosphorus, alkaline phosphatase and OH25 vitamin D were evaluated and, in all children, the values were within the normal range for age. The results were interpreted using reference data published by Orwoll et al. and Poomthavorn et al.( Written informed consent from both parents of each patient was obtained. Ten parents randomly chosen agreed to bring the children for additional evaluation and were selected to receive denusomab 10mg subcutaneous. The statistical analyses were performed using the Wilcoxon paired t-test and Spearman correlation test.

RESULTS

A total of 161 children took part in the initial evaluation and performed DXA scan. From those, 39 were excluded because we did not obtain the GMFCS. Hence, 122 children (58 female and 64 male) aged 4 to 19 years were studied. Demographic, anthropometric, BMD and GMFCS data are displayed on tables 1 and 2. The correlation between motor score and bone mass is depicted on figure 1. A strong correlation was observed between score of motor deficiencies and decreased bone mass (p<0.01). Figure 2 shows the decreased bone markers after denusomab, evaluated three months after the single injection. A significant change was observed on both markers after denosumab administration (p<0.01). The denusomab injection was well tolerated by all ten patients with no adverse events.

Table 1

Descriptive statistics of anthropometrics characteristics, measures of central tendency and dispersion for bone mineral density and gross motor functional classification in palsy cerebral children (n=161)

Variable	Mean (SD)	Min	Max
Age, years	12.3 (0.7)	4	19
Weight, kg	28.4 (3.5)	10	70
Height, cm	129.1 (19.7)	179	80
BMI, kg/m2	17.7	12.5	25
Mineral density, z-score	-1.7 (1.0)	-5.2	1.1
GMFCS	3.9 (0)	0	5

SD: standard deviation; BMI: body mass index; GMFCS: Gross Motor Functional Classification Scale; Min: minimum; Max: maximum.

Table 2

Descriptive statistics of anthropometrics characteristics, measures of central tendency and dispersion for bone mineral density, Gross Motor Functional Classification Scale, bone turnover markers and vitamin D, in palsy cerebral children before receiving denusomab (n=10)

Child	Sex	Age (years)	Weight (kg)	Height (cm)	BMD (g/cm2)	z-score (SD)	GMFCS	OC	CTx	Vitamin D(ng/mL)
1	M	13	32	150	0.491	-3.1	5	18	0.206	12
2	M	12	27	129	0.364	-4.1	4	119.7	0.667	22.6
3	M	6	15	102	0.355	-3.7	5	40.6	0.674	11.2
4	F	10	10	90	0.351	-4.2	5	24.4	0.609	26.7
5	M	17	42	155	0.821	-3.0	4	31.2	0.503	12.4
6	M	5	10	92	0.332	-3.9	5	15.9	0.342	26.4
7	M	10	23	127	0.431	-3.1	4	19.7	0.751	21.2
8	M	7	16	110	0.417	-3.0	4	-	0.362	25.6
9	F	16	35	129	0.680	-4.1	4	33.9	0.386	-
10	M	13	35	150	0.606	-2.6	4	10.8	0.518	-

BMD: bone mineral density; SD: standard deviation; OC: osteocalcin; CTx: C-terminal telopeptide of type 1 collagen: M: male; F: female; GMFCS: Gross Motor Functional Classification Scale.

Figure 1

Correlation between motor score and Z-score at lumbar spine

Figure 2

Bone turnover markers before and after denosumab injection: osteocalcin. Mean change from baseline in osteocalcin 3 months after denosumab injection. Bars show the 95% confidence interval p<0.05

DISCUSSION

Children with disabilities that limit mobility are at increased risk for osteoporosis. They often sustain fractures with minimal trauma that impair their function and quality of life. The growth in childhood and adolescence is critically important to produce healthy bone mass. Bone acquisition and remodeling are controlled by mechanical and metabolic factors. However, the acquisition of bone capital in patients with CP does not follow the normal pattern of the healthy population, because growth is slow in patients with CP and the BMD falls outside the normal range.

Medications approved for osteoporosis treatment include antiresorptive drugs, such as bisphosphonates, raloxifene, salmon calcitonin, RANKL antagonist, and one anabolic (bone-forming) drug, teriparatide − PTH 1-34.(

Despite the availability of many drugs and evidence demonstrating their efficacy to treat osteoporosis and reduce fracture risk in adults, only few drugs were used in children with very low bone density. Actually, there are very few studies in the literature evaluating pediatric osteoporosis treatment. Most studies available used bisphosphonates.

Our study is the first that evaluated the use of denosumab in children with CP. Our results showed a dramatic decrease (exception one case) in both CTx and OC serum concentration levels in the remainder children after three months of treatment with denosumab. Similar results were described by Semler et al., in a different pathological state.( These authors reported the first use of denosumab in children with osteogenesis imperfecta I-VI. Their results showed that therapy was well tolerated, and the laboratory parameters showed that the denosumab treatment reversed the condition and reduced bone resorption. Interestingly, Boyce et al. described the use of denosumab in fibrous dysplasia, a rare skeletal disorder in which normal bone and bone marrow are replaced by fibro-osseous tissue, leading to fractures, functional impairment, deformity and pain.(

In this case, a young boy with a severe form of the disease was treated with denosumab due to an expanding femoral lesion with overexpression of RANKL. After seven months of treatment, a marked reduction in pain and bone turnover was observed, as well as reduced tumor growth rate. However, denosumab was associated with clinically significant disturbances of mineral metabolism, simultaneously during treatment and after discontinuation. After therapy withdrawal, there was rapid and dramatic rebound of bone turnover makers with CTx exceeding pre-treatment levels and accompanied by severe hypercalcemia.

Our research has some limitations. We still do not have bone turnover makers data six months after denosumab injection; therefore, we cannot predict how fast bone turnover makers levels will recover or not, which may indicate that the suppression of bone resorption by this drug may be reversible. Further, we did not evaluate other bone mineralization parameters. We cannot predict any disturbance of mineral metabolism, such as secondary hyperparathyroidism and hypophosphatemia, during denosumab treatment and severe hypercalcemia on discontinuation. These adverse events were described by Boyce et al. when treating the boy with fibrous dysplasia. Finally, it should be mentioned that CP has several factors that influence BMD, rather than osteoclastogenesis.( Our results with denosumab should be confirmed in a larger series, taking into consideration the side effects described in adults, although in a minor scale, such as back and muscle pain.

CONCLUSION

We found strong correlation between significant motor impairment and reduced bone mass in cerebral palsy patients. The unique mechanism of action of denosumab and its easy administration may play a role in improving low bone mineral density secondary to cerebral palsy.

INTRODUÇÃO

A paralisia cerebral (PC) é a forma mais comum de incapacidade motora crônica em crianças. Outras causas de incapacidade em crianças incluem imobilização prolongada, fatores nutricionais, estado puberal e uso crônico de anticonvulsivantes. Todos esses fatores podem estar relacionados ao comprometimento do desenvolvimento ósseo normal nessas crianças.( A baixa ingestão de cálcio não é incomum na PC e também pode contribuir para uma mineralização inadequada da matriz óssea.( Consequentemente, as crianças com PC grave apresentam risco de ter baixa densidade mineral óssea (DMO) e fraturas por baixo impacto. No entanto, tal cenário só pôde ser traçado após o advento da densitometria óssea (densitometria por absorção de raios X de dupla energia − DEXA)( e, mesmo assim, o risco de fratura e de baixa densidade óssea em crianças ainda não está bem definido, em comparação aos adultos.( Desde sua introdução, a DEXA permanece a técnica padrão-ouro para avaliação da DMO em adultos. Essa medida bidimensional também é conhecida como DMO areal (DMOa) e é influenciada pelo tamanho do osso. Este é um problema importante na avaliação óssea pediátrica, devido às grandes diferenças do tamanho corporal em diferentes idades. A interpretação das medidas minerais ósseas é muito mais complexa em crianças do que em adultos, já que as crianças estão em constante crescimento. A relação entre o risco de fratura e as medidas de DMO ainda não foi bem estabelecida em crianças. No entanto, fraturas e redução da massa óssea secundária ao desuso têm sido relatadas em diversas doenças em crianças, e a PC é uma das doenças mais prevalentes nesse grupo.( Nos últimos 30 anos, vários estudos investigaram DMO e fraturas em crianças com PC, e há uma variação considerável quando se avaliam a coluna lombar, o fêmur distal ou o corpo inteiro. De acordo com o Posicionamento Oficial Pediátrico da International Society for Clinical Densitometry (ISCD), as crianças com imobilização crônica como, por exemplo, PC, devem ser submetidas à DEXA para medir a DMOa na coluna, assim como o conteúdo mineral ósseo no corpo inteiro.(

Intervenções farmacológicas são utilizadas para melhorar a perda óssea em crianças.( Drogas antirreabsortivas (bisfosfonatos) associadas a suplementos nutricionais, vitamina D, cálcio e programa de exercícios físicos com carga, são comprovadamente efetivos para melhorar a DMO nessas crianças. O denosumabe, um antireabsortivo antagonista do RANKL recentemente desenvolvido, diminui a incidência de fraturas, aumentando a DMO e o grau de mineralização em mulheres na pós-menopausa. O denosumabe comparado a bisfosfonatos orais, produz uma inibição mais rápida e profunda do turnover ósseo, além de um aumento da DMO em todos os sítios. O denosumabe inibe a reabsorção óssea mediada por osteoclastos, mas atua em uma via diferente da dos bisfosfonatos. Este mecanismo de ação única permite usar o RANKL como alvo terapêutico em pacientes com PC e baixa massa óssea( e, até onde sabemos, este é o primeiro relato de crianças com PC tratadas com o anticorpo denosumabe contra RANKL.

OBJETIVO

Avaliar o estado de saúde dos ossos em crianças com paralisia cerebral e o efeito terapêutico do denosumabe em um subgrupo de crianças com paralisia cerebral e redução da massa óssea.

MÉTODOS

Este estudo foi realizado no Hospital Abreu Sodré, São Paulo (SP), Brasil. Este projeto foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Associação de Assistência à Criança Deficiente, protocolo número 120/2009. Nosso grupo de pesquisa incluiu 183 crianças com idade entre 5 a 14 anos (média de 12 anos). As crianças foram classificadas de acordo com a escala Gross Motor Functional Classification Scale (GMFCS). PC grave foi definida como um nível funcional de 4 ou 5 na escala GMFCS. Algumas crianças com PC moderada a grave, conforme o GMFCS, foram selecionadas para receber denosumabe. A avaliação inicial incluiu medidas antropométricas e avaliação da DMO óssea de todo o grupo. Os valores de DMO das vértebras lombares (L1-L4) e do corpo inteiro, excluindo a cabeça, foram determinados por DEXA (sistema Lunar DPX - NT, versão 13.6, GE Healthcare). Como o artefato de movimento frequente impediu uma avaliação confiável da massa óssea corporal total, usamos o escore-Z da coluna lombar para fazer essa avaliação. As crianças cujo escore-Z ajustado para idade e sexo e ficou abaixo de -2,0 foram classificadas como tendo baixa densidade óssea para sua idade cronológica. Os escore-Z foram calculados por um software apropriado para pacientes pediátricos.

O telopeptídeo C-terminal do colágeno tipo 1 (CTx) foi medido como marcador sérico da reabsorção óssea, e o nível sérico de osteocalcina (OC) foi determinado para avaliar alterações na formação óssea. Tanto o CTx quanto a OC foram medidos por eletroquimioluminescência (Roche Diagnostics). Paratormônio (PTH), cálcio, fósforo, fosfatase alcalina, e 25-hidoxi vitamina D (25-OH vitamina D) foram testados e, em todas as crianças, estavam dentro da faixa de normalidade para a idade. Os resultados foram interpretados usando dados de referência publicados por Orwoll et al. e Poomthavorn et al.( Foi obtido o consentimento informado por escrito de ambos os pais de cada paciente. Dez pais escolhidos aleatoriamente concordaram em trazer os filhos para uma avaliação adicional e foram selecionados para receber 10mg de denosumabe subcutâneo. Foram realizadas análises estatísticas com teste t pareado de Wilcoxon e teste de correlação de Spearman.

RESULTADOS

O total de 161 crianças participaram da avaliação inicial e foram submetidas ao exame de DEXA. Dentre elas, 39 foram excluídas, pois não aplicamos o GMFCS. Assim, foram estudadas 122 crianças (58 meninas e 64 meninos) com idade entre 4 e 19 anos. Os dados demográficos, antropométricos, de DMO e GMFCS são apresentados nas tabelas 1 e 2. A correlação entre a escala motora e a massa óssea é ilustrada na figura 1. Observou-se uma forte correlação entre a escala de deficiência motora e diminuição da massa óssea (p<0,01). A figura 2 mostra uma redução nos marcadores ósseos após o uso de denosumabe, avaliada três meses após a injeção única. Houve uma alteração significativa em ambos os marcadores após a administração do denosumabe (p<0,01). A injeção de denosumabe foi bem tolerada por todos os dez pacientes sem nenhum evento adverso.

Tabela 1

Estatística descritiva das características antropométricas, medidas de tendência central e dispersão para densidade mineral óssea e classificação de funções motoras grossas para crianças com paralisia cerebral (n=161)

Variável	Média (DP)	Mín	Máx
Idade, anos	12,3 (0,7)	4	19
Peso, kg	28,4 (3,5)	10	70
Altura, cm	129,1 (19,7)	179	80
IMC, kg/m2	17,7	12,5	25
Densidade mineral óssea, escore-z	-1,7 (1,0)	-5,2	1,1
GMFCS	3,9 (0)	0	5

DP: desvio padrão; IMC: índice de massa corporal; GMFCS: Gross Motor Functional Classification Scale; Mín: mínimo; Máx: máximo.

Tabela 2

Estatística descritiva das características antropométricas, medidas de tendência central e dispersão para densidade mineral óssea e Gross Motor Functional Classification Scale, marcadores de turnover ósseo e vitamina D em crianças com paralisia cerebral antes de receber denosumabe (n=10)

Criança	Sexo	Idade (anos)	Peso (kg)	Altura (cm)	DMO (g/cm2)	Escore-Z (DP)	GMFCS	OC	CTx	Vitamina D(ng/mL)
1	M	13	32	150	0,491	-3,1	5	18	0,206	12
2	M	12	27	129	0,364	-4,1	4	119,7	0,667	22,6
3	M	6	15	102	0,355	-3,7	5	40,6	0,674	11,2
4	F	10	10	90	0,351	-4,2	5	24,4	0,609	26,7
5	M	17	42	155	0,821	-3,0	4	31,2	0,503	12,4
6	M	5	10	92	0,332	-3,9	5	15,9	0,342	26,4
7	M	10	23	127	0,431	-3,1	4	19,7	0,751	21,2
8	M	7	16	110	0,417	-3,0	4	-	0,362	25,6
9	F	16	35	129	0,680	-4,1	4	33,9	0,386	-
10	M	13	35	150	0,606	-2,6	4	10,8	0,518	-

DMO: densidade mineral óssea; DP: desvio padrão; OC: osteocalcina; CTx: telopeptídeo C-terminal do colágeno tipo 1; M: masculino; F: feminino; GMFCS: Gross Motor Functional Classification Scale.

Figura 1

Correlação entre o escore motor e o escore-Z na coluna lombar

Figura 2

Marcadores de turnover ósseo antes e depois da injeção de denosumabe: osteocalcina. Mudança média nos níveis de osteocalcina, desde a medida inicial até 3 meses após a injeção de denosumabe. As colunas mostram o intervalo de confiança de 95% p<0,05

DISCUSSÃO

As crianças com deficiências que limitam a mobilidade apresentam um maior risco de osteoporose. Normalmente sofrem fraturas ao menor trauma, o que prejudica tanto a função quanto a qualidade de vida. As fases da infância e adolescência são extremamente importantes na produção de massa óssea saudável. A aquisição e a remodelação ósseas são controladas por fatores mecânicos e metabólicos. No entanto, a aquisição de capital ósseo em pacientes com PC não segue o padrão normal da população saudável, pois o crescimento em pacientes com PC é mais lento, e a DMO fica fora do intervalo normal.

Os medicamentos aprovados para tratamento da osteoporose incluem drogas antirreabsortivas, como bisfosfonatos, raloxifeno, calcitonina de salmão, antagonista de RANKL e um anabolizante (formador de osso), teriparatida − PTH 1-34.(

Apesar de existirem muitas drogas disponíveis com eficácia demonstrada no tratamento da osteoporose e redução do risco de fraturas em adultos, poucos medicamentos foram utilizados em crianças com densidade óssea muito baixa. Na verdade, há muito poucos estudos na literatura abordando o tratamento da osteoporose pediátrica. A maior parte dos estudos utilizou bifosfonatos.

Nosso estudo é o primeiro a avaliar o uso do denosumabe em crianças com PC. Os resultados mostraram uma diminuição drástica (exceto em um caso) nos níveis de concentração sérica de CTx e OC nas demais crianças após três meses de tratamento com denosumabe. Resultados semelhantes foram descritos por Semler et al., em um estado patológico diferente.( Esses autores relataram o primeiro uso de denosumabe em crianças com osteogênese imperfecta I-VI. Os resultados mostraram que a terapia foi bem tolerada, e os parâmetros laboratoriais mostraram que o tratamento com denosumabe conseguiu reverter a situação e reduzir a reabsorção óssea. Curiosamente, Boyce et al., descreveram o uso do denosumabe na displasia fibrosa, uma doença esquelética rara em que o osso e a medula óssea normais são substituídos por tecido fibro-ósseo, levando ao aparecimento de fraturas, incapacidade funcional, deformidade e dor.(

Neste caso, um menino com uma forma grave da doença foi tratado com denosumabe para expansão da lesão femoral com superexpressão de RANKL. Depois de sete meses de tratamento, foi observada uma redução acentuada da dor e do turnover ósseo, bem como uma redução na taxa de crescimento do tumor. No entanto, o denosumabe foi associado a alterações clinicamente significativas do metabolismo mineral durante o tratamento e após a interrupção. Após a suspensão da terapia, houve recuperação rápida e drástica de marcadores de turnover ósseo com CTx, levando a valores superiores aos níveis pré-tratamento, acompanhada de hipercalcemia grave.

Nossa pesquisa teve algumas limitações. Ainda não temos os dados de marcadores de turnover ósseo de seis meses após a injeção de denosumabe e, por isso, não podemos prever com que velocidade os níveis de marcadores de turnover ósseo se recuperam ou não, o que indicaria que a supressão da reabsorção óssea promovida pelo medicamento pode ser reversível. Além disso, não avaliamos outros parâmetros de mineralização óssea. Não é possível prever transtornos do metabolismo mineral, como hiperparatireoidismo secundário e hipofosfatemia durante o tratamento com denosumabe, e hipercalcemia grave mediante a interrupção do medicamento. Esses efeitos adversos foram descritos por Boyce et al. quando trataram o menino com displasia fibrosa. Finalmente, é importante destacar que a PC envolve vários fatores que influenciam na DMO, além da osteoclastogênese.(Os resultados com denosumabe devem ser confirmados em uma casuística maior, considerando-se os efeitos colaterais descritos em adultos, embora em menor escala, como dor nas costas e dor muscular.

CONCLUSÃO

Houve uma forte correlação entre comprometimento motor importante e redução da massa óssea em pacientes com paralisia cerebral. O mecanismo de ação único do denosumabe e sua fácil administração podem desempenhar um papel importante na melhora da baixa densidade mineral óssea secundária à paralisia cerebral.