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

8 luglio 2026 aggiornato da: 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.

Panoramica dello studio

Stato

Non ancora reclutamento

Descrizione dettagliata

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.

Tipo di studio

Osservativo

Iscrizione (Stimato)

300

Contatti e Sedi

Questa sezione fornisce i recapiti di coloro che conducono lo studio e informazioni su dove viene condotto lo studio.

Contatto studio

Criteri di partecipazione

I ricercatori cercano persone che corrispondano a una certa descrizione, chiamata criteri di ammissibilità. Alcuni esempi di questi criteri sono le condizioni generali di salute di una persona o trattamenti precedenti.

Criteri di ammissibilità

Età idonea allo studio

  • Bambino
  • Adulto
  • Adulto più anziano

Accetta volontari sani

No

Metodo di campionamento

Campione non probabilistico

Popolazione di studio

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.

Descrizione

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

Piano di studio

Questa sezione fornisce i dettagli del piano di studio, compreso il modo in cui lo studio è progettato e ciò che lo studio sta misurando.

Come è strutturato lo studio?

Dettagli di progettazione

Coorti e interventi

Gruppo / Coorte
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.

Cosa sta misurando lo studio?

Misure di risultato primarie

Misura del risultato
Misura Descrizione
Lasso di tempo
Predictive accuracy of individualized cyclosporine dosing models.
Lasso di tempo: 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

Collaboratori e investigatori

Qui è dove troverai le persone e le organizzazioni coinvolte in questo studio.

Pubblicazioni e link utili

La persona responsabile dell'inserimento delle informazioni sullo studio fornisce volontariamente queste pubblicazioni. Questi possono riguardare qualsiasi cosa relativa allo studio.

Studiare le date dei record

Queste date tengono traccia dell'avanzamento della registrazione dello studio e dell'invio dei risultati di sintesi a ClinicalTrials.gov. I record degli studi e i risultati riportati vengono esaminati dalla National Library of Medicine (NLM) per assicurarsi che soddisfino specifici standard di controllo della qualità prima di essere pubblicati sul sito Web pubblico.

Studia le date principali

Inizio studio (Stimato)

1 agosto 2026

Completamento primario (Stimato)

1 gennaio 2027

Completamento dello studio (Stimato)

1 giugno 2027

Date di iscrizione allo studio

Primo inviato

2 luglio 2026

Primo inviato che soddisfa i criteri di controllo qualità

8 luglio 2026

Primo Inserito (Effettivo)

10 luglio 2026

Aggiornamenti dei record di studio

Ultimo aggiornamento pubblicato (Effettivo)

10 luglio 2026

Ultimo aggiornamento inviato che soddisfa i criteri QC

8 luglio 2026

Ultimo verificato

1 luglio 2026

Maggiori informazioni

Termini relativi a questo studio

Altri numeri di identificazione dello studio

  • HPM CYCLOSPORINE BMT

Informazioni su farmaci e dispositivi, documenti di studio

Studia un prodotto farmaceutico regolamentato dalla FDA degli Stati Uniti

No

Studia un dispositivo regolamentato dalla FDA degli Stati Uniti

No

prodotto fabbricato ed esportato dagli Stati Uniti

No

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