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

2026年7月8日 更新者: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.

調査の概要

状態

まだ募集していません

条件

詳細な説明

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.

研究の種類

観察的

入学 (推定)

300

連絡先と場所

このセクションには、調査を実施する担当者の連絡先の詳細と、この調査が実施されている場所に関する情報が記載されています。

研究連絡先

参加基準

研究者は、適格基準と呼ばれる特定の説明に適合する人を探します。これらの基準のいくつかの例は、人の一般的な健康状態または以前の治療です。

適格基準

就学可能な年齢

  • 子
  • 大人
  • 高齢者

健康ボランティアの受け入れ

いいえ

サンプリング方法

非確率サンプル

調査対象母集団

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.

説明

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

研究計画

このセクションでは、研究がどのように設計され、研究が何を測定しているかなど、研究計画の詳細を提供します。

研究はどのように設計されていますか?

デザインの詳細

コホートと介入

グループ/コホート
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.

この研究は何を測定していますか?

主要な結果の測定

結果測定
メジャーの説明
時間枠
Predictive accuracy of individualized cyclosporine dosing models.
時間枠: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

協力者と研究者

ここでは、この調査に関係する人々や組織を見つけることができます。

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出版物と役立つリンク

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研究記録日

これらの日付は、ClinicalTrials.gov への研究記録と要約結果の提出の進捗状況を追跡します。研究記録と報告された結果は、国立医学図書館 (NLM) によって審査され、公開 Web サイトに掲載される前に、特定の品質管理基準を満たしていることが確認されます。

主要日程の研究

研究開始 (推定)

2026年8月1日

一次修了 (推定)

2027年1月1日

研究の完了 (推定)

2027年6月1日

試験登録日

最初に提出

2026年7月2日

QC基準を満たした最初の提出物

2026年7月8日

最初の投稿 (実際)

2026年7月10日

学習記録の更新

投稿された最後の更新 (実際)

2026年7月10日

QC基準を満たした最後の更新が送信されました

2026年7月8日

最終確認日

2026年7月1日

詳しくは

本研究に関する用語

その他の研究ID番号

  • HPM CYCLOSPORINE BMT

医薬品およびデバイス情報、研究文書

米国FDA規制医薬品の研究

いいえ

米国FDA規制機器製品の研究

いいえ

米国で製造され、米国から輸出された製品。

いいえ

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