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

2026년 7월 8일 업데이트: 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.

연구 개요

상태

아직 모집하지 않음

상세 설명

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.

연구 유형

관찰

등록 (추정된)

300

연락처 및 위치

이 섹션에서는 연구를 수행하는 사람들의 연락처 정보와 이 연구가 수행되는 장소에 대한 정보를 제공합니다.

연구 연락처

참여기준

연구원은 적격성 기준이라는 특정 설명에 맞는 사람을 찾습니다. 이러한 기준의 몇 가지 예는 개인의 일반적인 건강 상태 또는 이전 치료입니다.

자격 기준

공부할 수 있는 나이

  • 어린이
  • 성인
  • 고령자

건강한 자원 봉사자를 받아들입니다

아니

샘플링 방법

비확률 샘플

연구 인구

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.

설명

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

공부 계획

이 섹션에서는 연구 설계 방법과 연구가 측정하는 내용을 포함하여 연구 계획에 대한 세부 정보를 제공합니다.

연구는 어떻게 설계됩니까?

디자인 세부사항

코호트 및 개입

그룹/코호트
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.

연구는 무엇을 측정합니까?

주요 결과 측정

결과 측정
측정값 설명
기간
Predictive accuracy of individualized cyclosporine dosing models.
기간: 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

공동 작업자 및 조사자

여기에서 이 연구와 관련된 사람과 조직을 찾을 수 있습니다.

간행물 및 유용한 링크

연구에 대한 정보 입력을 담당하는 사람이 자발적으로 이러한 간행물을 제공합니다. 이것은 연구와 관련된 모든 것에 관한 것일 수 있습니다.

연구 기록 날짜

이 날짜는 ClinicalTrials.gov에 대한 연구 기록 및 요약 결과 제출의 진행 상황을 추적합니다. 연구 기록 및 보고된 결과는 공개 웹사이트에 게시되기 전에 특정 품질 관리 기준을 충족하는지 확인하기 위해 국립 의학 도서관(NLM)에서 검토합니다.

연구 주요 날짜

연구 시작 (추정된)

2026년 8월 1일

기본 완료 (추정된)

2027년 1월 1일

연구 완료 (추정된)

2027년 6월 1일

연구 등록 날짜

최초 제출

2026년 7월 2일

QC 기준을 충족하는 최초 제출

2026년 7월 8일

처음 게시됨 (실제)

2026년 7월 10일

연구 기록 업데이트

마지막 업데이트 게시됨 (실제)

2026년 7월 10일

QC 기준을 충족하는 마지막 업데이트 제출

2026년 7월 8일

마지막으로 확인됨

2026년 7월 1일

추가 정보

이 연구와 관련된 용어

기타 연구 ID 번호

  • HPM CYCLOSPORINE BMT

약물 및 장치 정보, 연구 문서

미국 FDA 규제 의약품 연구

아니

미국 FDA 규제 기기 제품 연구

아니

미국에서 제조되어 미국에서 수출되는 제품

아니

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