Integroiva genominen lähestymistapa vaikean varhaisen keuhkoahtaumataudin arvoituksen ratkaisemiseksi (SHERLOCk)

2. JOHDANTO JA PERUSTELUT

2.1 Krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus Krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus (COPD) on yleinen ehkäistävissä oleva ja hoidettavissa oleva sairaus, jota ei kuitenkaan paranneta. Sille on ominaista jatkuva ilmavirran rajoitus, joka on yleensä progressiivinen ja liittyy lisääntyneeseen krooniseen tulehdusvasteeseen hengitysteissä ja keuhkoissa haitallisille hiukkasille tai kaasuille [2]. Keuhkoahtaumatauti on yleisin sairastuvuuden aiheuttaja, ja sen arvioidaan olevan neljänneksi yleisin kuolinsyy maailmanlaajuisesti vuonna 2030 [3], ja se aiheuttaa sekä huomattavan että kasvavan taloudellisen ja sosiaalisen taakan [2]. Keuhkoahtaumataudin diagnoosi perustuu ilmavirran rajoitukseen (esim. pakotettu uloshengitystilavuus 1 sekunnissa (FEV1) ja pakotettu vitaalikapasiteetti). Ilmavirran rajoituksen aste itsessään ei kuitenkaan kuvaa riittävästi COPD:n monimutkaisuutta, koska potilaiden välillä on merkittävää heterogeenisyyttä kliinisen esityksen, fysiologian, kuvantamisen, hoitovasteen, keuhkojen toiminnan heikkenemisen ja eloonjäämisen suhteen. Tällä hetkellä ei ole olemassa selkeää vaihtoehtoa keuhkoahtaumataudin kuvaamiseen, mutta keuhkoahtaumatautien alaryhmien tunnistaminen kliinisten tekijöiden (fenotyyppien) perusteella, joita lopulta laajennetaan taustalla olevia patofysiologisia prosesseja heijastavilla biomarkkereilla, voi olla houkuttelevaa. Tämä voi johtaa parempaan näkemykseen COPD:n heterogeenisyydestä ja taustalla olevista mekanismeista.

2.2 Vaikean varhaisvaiheen keuhkoahtaumatautien fenotyyppi Useissa katsauksissa on ehdotettu, että mahdolliset fenotyypit voivat perustua kliinisiin ilmenemismuotoihin, fysiologisiin ilmenemismuotoihin, radiologiseen karakterisointiin, keuhkoahtaumatautien pahenemiseen, systeemiseen tulehdukseen ja samanaikaisiin sairauksiin [4-6]. Kliinisiä oireita ovat ikä, tupakointihistoria, sukupuoli, etnisyys, kehon koostumus, pahenemistaajuus ja hengenahdistus. Fysiologisia ilmenemismuotoja ovat muun muassa keuhkojen toiminta, keuhkojen toiminnan heikkeneminen ajan myötä (FEV1), keuhkojen tilavuus, hyperinflaatio, liiallinen liikuntakyky ja lihasten toiminta. Radiologiseen karakterisointiin kuuluu keuhkojen tietokonetomografia (CT) ja esimerkiksi hengitysteiden seinämän paksuus tai emfyseemapisteet. Potilasklusterit, joilla on samanlaiset ominaisuudet, voivat muodostaa fenotyypin, ja ne voivat perustua asiantuntijalausuntoon tai tilastollisiin tekniikoihin, kuten valvomattomaan klusterianalyysiin.

Erityisen kliinisesti merkityksellinen fenotyyppi on tupakoitsijoiden alaryhmä, joille kehittyy vakava COPD varhaisessa iässä ja joilla tupakointi on suhteellisen vähän. Vuonna 1998 Silverman et ai. määritteli tämän fenotyypin vakavalla ilmavirran esteellä (ts. Pakotettu uloshengitystilavuus 1 sekunnissa (FEV1) <40 % ennustettu) ja ikä ≤53 vuotta [1]. Tämä vakava varhain alkava keuhkoahtaumatauti muodostaa merkittävän osan COPD:n aiheuttamasta henkilökohtaisesta, yhteiskunnallisesta ja taloudellisesta kokonaistaakasta. Huolimatta tämän keuhkoahtaumatautipotilaiden ryhmän kliinisestä merkityksestä, tämä vaikean varhaisen keuhkoahtaumataudin määritelmä perustuu vain FEV1:een ja ikään. Siksi tästä ehkä vanhentuneesta määritelmästä puuttuu muita fenotyyppisiä parametreja, eli tupakointihistoria, keuhkojen toiminnan heikkenemisen kaltevuus, radiologinen karakterisointi, kuten emfyseema, ja muut mahdolliset tähän fenotyyppiin vaikuttavat tekijät. Tässä ehdotetussa tutkimuksessa arvioidaan SEO-COPD:n erilaisia ​​fenotyyppejä yhdistämällä se genotyyppiseen karakterisointiin.

2.3 Vaikean varhain alkavan keuhkoahtaumatautien genotyyppi Vaikka on laajalti hyväksyttyä, että tupakointi on keuhkoahtaumatautien pääasiallinen riskitekijä, vain 20–30 % tupakoijista saa lopulta taudin [1]. Pieni osa tupakoitsijoita kehittää vakavan keuhkoahtaumataudin varhaisessa iässä ja suhteellisen harvoin tupakointivuosina. Herää kysymys, miksi nämä potilaat ovat erityisen herkkiä tupakoinnin haittavaikutuksille. Tässä yhteydessä Silvermanin et al. ovat erityisen kiinnostavia, sillä ne osoittavat, että näiden vakavien varhaisen keuhkoahtaumatautipotilaiden tupakoivilla ensimmäisen asteen sukulaisilla oli merkittävästi alhaisempi FEV1 kuin saman ikäisillä ja tupakointitottumuksilla olevilla kontrolleilla, mikä viittaa siihen, että geneettisillä tekijöillä on rooli COPD:n kehittymisessä [1]. Jälkimmäinen on linjassa tapauskontrolli- ja kaksoistutkimusten tulosten kanssa, ja on arvioitu, että 40–60 % keuhkoahtaumatautien kehittymisriskistä on geneettisesti määrättyä [7,8]. Toistaiseksi tiedetään vain vähän alkuperästä ja taustalla olevista mekanismeista, jotka johtavat vakavan varhaisen keuhkoahtaumatautien kehittymiseen. Tässä ehdotetussa tutkimuksessa tutkimme näitä mekanismeja käyttämällä uusia mahdollisuuksia genotyypitykseen.

2.4 Uusia mahdollisuuksia genotyypin määrittämiseen GWAS-tutkimukset ovat tunnistaneet useita geneettisiä muunnelmia, jotka liittyvät alttiuteen kehittää COPD [9-11]. Vaikka nämä tutkimukset ovat tuottaneet tärkeitä uusia oivalluksia, niiden biologinen tulkinta on ollut rajallinen. Tähän mennessä tunnistettujen varianttien arvioidaan selittävän vain pienen osan (noin 8 %) keuhkoahtaumatautiin liittyvästä geneettisestä kokonaisriskistä [12]. On tärkeää ymmärtää, että tähän mennessä GWAS-tutkimuksissa käytetyt genotyyppialustat sisälsivät pääasiassa yleisiä SNP:itä, eli sellaisia, joiden alleelitaajuus (MAF) on >5%, kun taas harvinaiset variantit, joiden MAF on <5%, ovat olleet voimakkaasti aliedustettuina. Jälkimmäinen on tärkeä, koska harvinaiset muunnelmat ovat todennäköisesti mukana SEO-COPD:ssä. Yksi hyvin tunnettu esimerkki harvinaisesta geneettisestä variantista, joka on toiminnallisesti sukua SEO-COPD:lle, on ei-synonyymi SNP alueella, joka koodaa SERPINA1:tä, mikä aiheuttaa alfa-1-antitrypsiinin puutteen [13,14]. Vaikka alfa-1-antitrypsiinin puutos on tärkeä, sitä esiintyy vain pienellä prosenttiosuudella potilaista, mikä jättää suuren osan SEO-COPD:n periytyvyydestä selittämättä. Tämä ehdotettu tutkimus sisältää harvinaisia ​​muunnelmia, nyt toteuttamiskelpoinen lähestymistapa korkean suorituskyvyn koko genomin sekvensointitekniikoiden viimeaikaisten edistysten kanssa [15].

2.5 Vaikeat varhaisvaiheen keuhkoahtaumatautipotilaat lähetetään UMCG:hen Monet vaikeasta keuhkoahtaumatautia sairastavat potilaat lähetetään vuosittain Groningenin yliopistolliseen lääketieteelliseen keskukseen (UMCG) koko Alankomaista konsultaatioon keuhkonsiirrosta (LTX) tai bronkoskooppisesta keuhkojen tilavuuden vähentämishoidosta ( BLVRT) (noin 250 vuodessa) [16,17]. BLVRT:tä tehdään vain Alankomaissa sijaitsevassa keskuksessamme. Osana aiemmin hyväksyttyä tutkimusta ("Phenotyping in COPD", METc 2014/102) vaikeaa keuhkoahtaumatautia sairastaville potilaille, jotka lähetetään BLVRT- tai keuhkonsiirtoon, luonnehditaan, milloin he ovat halukkaita osallistumaan ja ovat antaneet kirjallisen tietoisen suostumuksensa. Karakterisointi suoritetaan käyttämällä keuhkojen toimintaa (esim. spirometria, vartalolaatikko), kliininen (esim. kyselylomakkeet, fyysinen tutkimus, vyötärön ja lonkan suhteen mittaus, radiologiset (HRCT-skannaus) ja systeemiset parametrit (laskimoverenotto). Lisäksi otetaan seuraavat lisänäytteet: keuhkoputkibiopsiat, keuhkoputkiharjat ja nenäharjat.

Tällä tutkimuksella on kaksi tavoitetta. Ensisijainen tavoite on tunnistaa SEO-COPD:n taustalla olevat geneettiset ja epigeneettiset mekanismit käyttämällä keuhkoputkiharjoja ja biopsioita, jotka on jo otettu SEO-COPD-potilailta. Toissijainen tavoite on lisätä kaksi kontrolliryhmää (ts. lievä tai keskivaikea keuhkoahtaumatautiryhmä ja terve ei-COPD-vertailuryhmä) iän ja tupakointitottumusten mukaan (kaikki BLVRT- tai keuhkonsiirtoon lähetetyt COPD-potilaat ovat entisiä tupakoitsijoita), mikä tällä hetkellä puuttuu.

Toivottavasti tämä lopulta selvittää keuhkoahtaumatautialttiuden ja sen geneettisen syyn, mikä johtaa tämän keuhkoahtaumatautien alajoukon räätälöitympään hoitoon.

Ensisijainen tavoite:

- Tunnistaa SEO-COPD:n taustalla olevat geneettiset ja epigeneettiset mekanismit käyttämällä keuhkoputkiharjoja ja biopsioita ja arvioida, kuinka nämä SEO-COPD-potilaat eroavat kahdesta kontrolliryhmästä (lievä tai kohtalainen COPD-potilaat ja ei-COPD-potilaat).

Toissijaiset tavoitteet:

Vastaanottaja:

• määrittää, mitkä yleiset ja harvinaiset geneettiset variantit ovat todennäköisesti syy-yhteydessä taudin kehittymiseen ja/tai liialliseen etenemiseen.
• arvioida, mitkä COPD:hen liittyvät geenit ja geeniverkostot ovat miR:n (mikro-RNA:n) ja DNA:n metylaatiokohtien ohjaamia.