En integrativ genomisk tilnærming for å løse gåten med alvorlig tidlig-debut KOLS (SHERLOCk)

2. INNLEDNING OG BEGRUNDELSE

2.1 Kronisk obstruktiv lungesykdom Kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) er en vanlig sykdom som kan forebygges og behandles, men uten kur. Det er preget av vedvarende luftstrømbegrensning som vanligvis er progressiv og assosiert med en forsterket kronisk inflammatorisk respons i luftveiene og lungene på skadelige partikler eller gasser [2]. KOLS er en ledende årsak til sykelighet og anslås å bli den fjerde ledende dødsårsaken på verdensbasis i 2030 [3] og resulterer i en økonomisk og sosial byrde som er både betydelig og økende [2]. Diagnosen KOLS er basert på tilstedeværelsen av luftstrømsbegrensning (dvs. tvungen ekspirasjonsvolum på 1 sekund (FEV1) og tvungen vitalkapasitet). Imidlertid beskriver ikke graden av luftstrømbegrensning i seg selv kompleksiteten til KOLS fordi det eksisterer betydelig heterogenitet mellom pasienter med hensyn til klinisk presentasjon, fysiologi, avbildning, respons på terapi, nedgang i lungefunksjon og overlevelse. Foreløpig eksisterer ikke et klart alternativ for å beskrive KOLS, men identifisering av undergrupper av KOLS, basert på kliniske faktorer (fenotyper), til slutt utvidet med biomarkører som reflekterer underliggende patofysiologiske prosesser kan være attraktivt. Dette kan føre til bedre innsikt i heterogeniteten til KOLS og de underliggende mekanismene.

2.2 Fenotypen av alvorlig tidlig oppstått KOLS Flere oversikter har foreslått at potensielle fenotyper kan baseres på kliniske manifestasjoner, fysiologiske manifestasjoner, radiologisk karakterisering, KOLS-eksaserbasjoner, systemisk inflammasjon og komorbiditeter [4-6]. Kliniske manifestasjoner inkluderer alder, røykehistorie, kjønn, etnisitet, kroppssammensetning, eksaserbasjonsfrekvens og dyspnénivå. Fysiologiske manifestasjoner inkluderer blant annet lungefunksjon, reduksjon i lungefunksjon over tid (FEV1), lungevolum, hyperinflasjon, hyperreaksjonsevne og muskelfunksjon. Radiologisk karakterisering inkluderer computertomografi (CT) skanning av lungen og for eksempel målinger av luftveisveggtykkelse eller emfysemskår. Klynger av pasienter med lignende egenskaper kan utgjøre en fenotype og kan være basert på ekspertuttalelser, eller statistiske teknikker som en uovervåket klyngeanalyse.

En fenotype av spesiell klinisk relevans er en undergruppe av røykere som vil utvikle alvorlig KOLS i en tidlig alder og med relativt få år med røyking. I 1998, Silverman et al. definerte denne fenotypen ved alvorlig luftstrømsobstruksjon (dvs. Forsert ekspirasjonsvolum på 1 sekund (FEV1) <40 % predikert) og alder ≤53 år [1]. Denne alvorlige, tidlig debuterende KOLS står for en betydelig del av den totale personlige, samfunnsmessige og økonomiske belastningen som tilskrives KOLS. Til tross for den kliniske relevansen til denne gruppen av KOLS-pasienter, er denne definisjonen av alvorlig tidlig debut KOLS kun basert på FEV1 og alder. Derfor mangler denne kanskje utdaterte definisjonen andre fenotypiske parametere, dvs. røykehistorie, fall i lungefunksjonen, radiologisk karakterisering som emfysem og andre mulige faktorer som bidrar til denne fenotypen. Denne foreslåtte studien vil evaluere ulike fenotyper av SEO-KOLS, og knytte den til genotypisk karakterisering.

2.3 Genotypen av alvorlig tidlig debuterende KOLS Selv om det er allment akseptert at røyking er den viktigste risikofaktoren for KOLS, vil kun 20-30 % av røykerne til slutt utvikle sykdommen [1]. En liten undergruppe av røykere vil utvikle alvorlig KOLS i tidlig alder og med relativt få år med røyking. Spørsmålet oppstår om hvorfor disse pasientene er spesielt utsatt for de negative effektene av røyking. I denne sammenhengen er funnene til Silverman et al. er av spesiell interesse, og viser at førstegradsrøykende slektninger til disse alvorlig tidlig debuterende KOLS-pasientene hadde en signifikant lavere FEV1 enn kontroller med samme alder og røykevaner, noe som tyder på at genetiske faktorer spiller en rolle i KOLS-utviklingen [1]. Sistnevnte er i tråd med funn fra case-control og tvillingstudier og det anslås at 40-60 % av risikoen for utvikling av KOLS er genetisk betinget [7,8]. Så langt er lite kjent om opprinnelsen og de underliggende mekanismene som driver utviklingen av alvorlig tidlig debut KOLS. Med denne foreslåtte studien vil vi utforske disse mekanismene ved å bruke nye muligheter for genotyping.

2.4 Nye muligheter for genotyping GWAS-studier har identifisert flere genetiske varianter assosiert med mottakelighet for å utvikle KOLS [9-11]. Selv om disse studiene har generert viktig ny innsikt, har deres biologiske tolkning vært begrenset. Varianter som er identifisert så langt er estimert å forklare bare en liten prosentandel (omtrent 8 %) av den totale genetiske risikoen som tilskrives KOLS [12]. Det er viktig å innse at genotypingsplattformene brukt i GWAS-studier så langt hovedsakelig inkluderte vanlige SNP-er, dvs. de med en mindre allelfrekvens (MAF) >5 %, mens sjeldne varianter med MAF <5 % har vært sterkt underrepresentert. Det siste er viktig, siden sjeldne varianter sannsynligvis er involvert i SEO-KOLS. Et velkjent eksempel på en sjelden genetisk variant som er funksjonelt relatert til SEO-KOLS er den ikke-synonyme SNP i regionen som koder for SERPINA1 som forårsaker alfa-1-antitrypsin-mangel [13,14]. Selv om det er viktig, er alfa-1-antitrypsin-mangel tilstede hos bare en liten prosentandel av pasientene, noe som etterlater en stor andel av arvelighet av SEO-KOLS uforklarlig. Denne foreslåtte studien vil inkludere sjeldne varianter, nå en gjennomførbar tilnærming med nyere fremskritt innen teknologier for sekvensering av helgenom med høy gjennomstrømning [15].

2.5 Alvorlig tidlig debuterende KOLS-pasienter henvist til UMCG Mange pasienter med alvorlig KOLS blir hvert år henvist til University Medical Center Groningen (UMCG) fra hele Nederland for konsultasjon om lungetransplantasjon (LTX) eller bronkoskopisk lungevolumreduksjonsterapi ( BLVRT) (omtrent 250 per år) [16,17]. BLVRT utføres kun i vårt senter i Nederland. Som del av en tidligere godkjent studie («Fenotyping i KOLS», METc 2014/102) karakteriseres pasienter med alvorlig KOLS som henvises til BLVRT eller lungetransplantasjon når de er villige til å delta og har gitt sitt skriftlige informerte samtykke. Karakterisering utføres ved hjelp av lungefunksjon (dvs. spirometri, kroppsboks), klinisk (dvs. spørreskjemaer, fysisk undersøkelse, måling av midje-hofte ratio), radiologiske (HRCT-skanning) og systemiske parametere (venøs blodprøvetaking). I tillegg blir følgende ekstra prøver tatt ut: bronkialbiopsier, bronkialbørster og nesebørster.

Det er to mål denne studien legger til. Hovedmålet er å identifisere de genetiske og epigenetiske mekanismene som ligger til grunn for SEO-KOLS ved å bruke bronkialbørstene og biopsiene som allerede er hentet fra SEO-KOLS-pasientene. Det sekundære målet er å legge til to kontrollgrupper (dvs. mild-moderat KOLS-gruppe og frisk ikke-KOLS-kontrollgruppe) matchet for alder og røykevaner (alle KOLS-pasienter henvist til BLVRT eller lungetransplantasjon er eks-røykere), som for tiden mangler.

Forhåpentligvis vil dette etter hvert belyse KOLS-følsomheten og dens genetiske årsak, noe som resulterer i en mer skreddersydd behandling av denne KOLS-undergruppen.

Hovedmål:

- Å identifisere de genetiske og epigenetiske mekanismene som ligger til grunn for SEO-KOLS ved å bruke bronkialbørster og biopsier og vurdere hvordan disse SEO-KOLS-pasientene skiller seg fra to kontrollgrupper (mild-moderat KOLS og ikke-KOLS-personer).

Sekundære mål:

Til:

• bestemme hvilke vanlige og sjeldne genetiske varianter som sannsynligvis er årsaksrelatert til utviklingen og/eller overdreven progresjon av sykdommen.
• vurdere hvilke KOLS-assosierte gener og gen-nettverk som kontrolleres av miR-er (mikro-RNA-er) og DNA-metyleringssteder.