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Model-Informed Precision Dosing on Cyclosporine Therapy in Hematopoietic Stem Cell Transplant Recipients

8 juillet 2026 mis à jour par: Yasmin medhat munir Mohamed

Hybrid Population Pharmacokinetic,Machine Learning and Deep Learning Modelling to Predict Dosing for the Individualization of Cyclosporine Therapy in Transplant Recipients

The purpose of this study is to develop a new tool that helps doctors choose the right cyclosporine dose for patients undergoing bone marrow transplantation. The tool is designed to predict the best dose using sparse sampling, making it practical for everyday clinical care. It combines information about population pharmacokinetics of cyclosporine with advanced artificial intelligence techniques, including machine learning and deep learning. This tool aims to improve treatment, personalize dosing for each patient, and reduce the risk of graft-versus-host disease.

Aperçu de l'étude

Statut

Pas encore de recrutement

Description détaillée

Cyclosporine (CsA) is a cornerstone immunosuppressive agent used for the prevention of graft-versus-host disease (GVHD) following allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Despite its widespread use, cyclosporine has a narrow therapeutic index and exhibits substantial inter- and intra-individual pharmacokinetic variability. Subtherapeutic exposure increases the risk of GVHD and graft failure, whereas excessive exposure is associated with nephrotoxicity, neurotoxicity, hypertension, and other adverse events. Variability in cyclosporine pharmacokinetics is influenced by numerous patient-specific factors, including body weight, hematocrit, age, renal and hepatic function, concomitant medications (particularly azole antifungals), genetic factors, and post-transplant physiological changes.

Current therapeutic drug monitoring (TDM) practices are primarily reactive, with dose adjustments made only after measured drug concentrations fall outside the therapeutic range. Consequently, many patients fail to achieve target cyclosporine concentrations following the initial dose and require multiple dose modifications before therapeutic exposure is attained. Although Bayesian forecasting based on population pharmacokinetic (PopPK) models has improved dose individualization, existing models often assume linear covariate-parameter relationships, have limited external validation, and may not adequately capture the complex nonlinear interactions that influence cyclosporine pharmacokinetics in bone marrow transplant recipients.

This study aims to develop and externally validate individualized cyclosporine dosing models by integrating mechanistic population pharmacokinetic modeling with advanced machine learning and deep learning techniques. A retrospective cohort will be used for model development and internal validation, while a prospective observational cohort of transplant recipients receiving standard-of-care cyclosporine therapy will be used for external validation.

Demographic characteristics, transplantation-related variables, laboratory measurements, cyclosporine dosing history, therapeutic drug monitoring results, concomitant medications, and relevant clinical outcomes will be collected from routine clinical practice. A mechanistic PopPK model will first be developed to characterize cyclosporine pharmacokinetics. Machine learning algorithms, including XGBoost and LightGBM, together with deep learning models, will then be trained to improve dose prediction by modeling complex nonlinear relationships among patient-specific covariates and residual variability. Bayesian forecasting using the PopPK model will serve as the reference approach for comparison.

Model performance will be evaluated using predictive accuracy, bias, precision, root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), mean prediction error (MPE), coefficient of determination (R²), and the proportion of predicted concentrations or doses within predefined acceptable error limits. External validation will assess model generalizability in an independent prospective cohort. Model interpretability will be evaluated using SHAP (Shapley Additive Explanations) to identify the most influential variables contributing to individualized dose predictions.

The final validated hybrid model will be implemented as an R Shiny web-based clinical decision-support application capable of providing individualized initial cyclosporine dose recommendations, prediction intervals, and model explanation before the first therapeutic drug monitoring measurement. The study is expected to demonstrate whether hybrid PopPK-machine learning and deep learning approaches provide superior predictive performance compared with conventional Bayesian forecasting, thereby supporting precision dosing of cyclosporine, improving early therapeutic target attainment, reducing dose adjustments and drug-related toxicity, and establishing the foundation for future interventional clinical trials.

Type d'étude

Observationnel

Inscription (Estimé)

300

Contacts et emplacements

Cette section fournit les coordonnées de ceux qui mènent l'étude et des informations sur le lieu où cette étude est menée.

Coordonnées de l'étude

Critères de participation

Les chercheurs recherchent des personnes qui correspondent à une certaine description, appelée critères d'éligibilité. Certains exemples de ces critères sont l'état de santé général d'une personne ou des traitements antérieurs.

Critère d'éligibilité

Âges éligibles pour étudier

  • Enfant
  • Adulte
  • Adulte plus âgé

Accepte les volontaires sains

Non

Méthode d'échantillonnage

Échantillon non probabiliste

Population étudiée

The study population consists of pediatric and adult patients aged 2-65 years who underwent first allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) and received cyclosporine for graft-versus-host disease (GVHD) prophylaxis. Participants will be identified retrospectively from electronic medical records and therapeutic drug monitoring (TDM) databases. Eligible patients must have complete demographic, clinical, laboratory, dosing, and cyclosporine TDM data. Patients with inaccurate dose administration or blood sampling times, missing essential covariates, or insufficient pharmacokinetic or TDM data will be excluded.

La description

Inclusion Criteria:

  • • CsA therapy indicated alone or in combination for GVHD prophylaxis.

    • Aged 2-65 years.
    • Clinically stable after first HSCT.

Exclusion Criteria:

  • • Inaccurate sampling or dose administration times.

    • Patients with missing key covariates.
    • Patients lacking sufficient pharmacokinetic or TDM data

Plan d'étude

Cette section fournit des détails sur le plan d'étude, y compris la façon dont l'étude est conçue et ce que l'étude mesure.

Comment l'étude est-elle conçue ?

Détails de conception

Cohortes et interventions

Groupe / Cohorte
Patients receiving cyclosporine to prevent graft-versus-host disease after HSCT.
Participants undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation who received cyclosporine for graft-versus-host disease (GVHD) prophylaxis. Cyclosporine was administered according to institutional practice, and blood concentration measurements obtained during routine therapeutic drug monitoring were used to develop and evaluate a model-informed precision dosing algorithm.

Que mesure l'étude ?

Principaux critères de jugement

Mesure des résultats
Description de la mesure
Délai
Predictive accuracy of individualized cyclosporine dosing models.
Délai: up to 6 months
Comparison of the predictive performance of the hybrid Population Pharmacokinetic-Machine Learning (PopPK-ML) model, deep learning model, and conventional Bayesian forecasting for predicting individualized cyclosporine doses using therapeutic drug monitoring (TDM) data. Performance will be assessed using root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), mean prediction error (MPE), coefficient of determination (R²), and target dose prediction accuracy.
up to 6 months

Collaborateurs et enquêteurs

C'est ici que vous trouverez les personnes et les organisations impliquées dans cette étude.

Publications et liens utiles

La personne responsable de la saisie des informations sur l'étude fournit volontairement ces publications. Il peut s'agir de tout ce qui concerne l'étude.

Dates d'enregistrement des études

Ces dates suivent la progression des dossiers d'étude et des soumissions de résultats sommaires à ClinicalTrials.gov. Les dossiers d'étude et les résultats rapportés sont examinés par la Bibliothèque nationale de médecine (NLM) pour s'assurer qu'ils répondent à des normes de contrôle de qualité spécifiques avant d'être publiés sur le site Web public.

Dates principales de l'étude

Début de l'étude (Estimé)

1 août 2026

Achèvement primaire (Estimé)

1 janvier 2027

Achèvement de l'étude (Estimé)

1 juin 2027

Dates d'inscription aux études

Première soumission

2 juillet 2026

Première soumission répondant aux critères de contrôle qualité

8 juillet 2026

Première publication (Réel)

10 juillet 2026

Mises à jour des dossiers d'étude

Dernière mise à jour publiée (Réel)

10 juillet 2026

Dernière mise à jour soumise répondant aux critères de contrôle qualité

8 juillet 2026

Dernière vérification

1 juillet 2026

Plus d'information

Termes liés à cette étude

Autres numéros d'identification d'étude

  • HPM CYCLOSPORINE BMT

Informations sur les médicaments et les dispositifs, documents d'étude

Étudie un produit pharmaceutique réglementé par la FDA américaine

Non

Étudie un produit d'appareil réglementé par la FDA américaine

Non

produit fabriqué et exporté des États-Unis.

Non

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