Integracyjne podejście genomiczne do rozwiązania zagadki ciężkiej POChP o wczesnym początku (SHERLOCk)

2. WPROWADZENIE I UZASADNIENIE

2.1 Przewlekła obturacyjna choroba płuc Przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) jest powszechną chorobą, której można zapobiegać i leczyć, ale nie ma na nią lekarstwa. Charakteryzuje się trwałym ograniczeniem przepływu powietrza przez drogi oddechowe, które zazwyczaj postępuje i wiąże się z nasiloną przewlekłą odpowiedzią zapalną dróg oddechowych i płuc na szkodliwe cząsteczki lub gazy [2]. POChP jest główną przyczyną zachorowalności i szacuje się, że w 2030 r. stanie się czwartą najczęstszą przyczyną zgonów na świecie [3], a także powoduje obciążenie ekonomiczne i społeczne, które jest zarówno znaczne, jak i rosnące [2]. Rozpoznanie POChP opiera się na obecności ograniczenia przepływu powietrza przez drogi oddechowe (tj. natężona objętość wydechowa w ciągu 1 sekundy (FEV1) i natężona pojemność życiowa). Jednak sam stopień ograniczenia przepływu powietrza przez drogi oddechowe nie oddaje adekwatnie złożoności POChP, ponieważ pomiędzy pacjentami istnieje znaczna niejednorodność pod względem obrazu klinicznego, fizjologii, obrazowania, odpowiedzi na leczenie, pogorszenia czynności płuc i przeżycia. Obecnie nie ma jednoznacznej alternatywy dla opisu POChP, ale identyfikacja podgrup POChP na podstawie czynników klinicznych (fenotypów), ewentualnie rozszerzona o biomarkery odzwierciedlające podstawowe procesy patofizjologiczne, może być atrakcyjna. Może to prowadzić do lepszego wglądu w heterogenność POChP i leżących u jej podstaw mechanizmów.

2.2. Fenotyp ciężkiej POChP o wczesnym początku W kilku przeglądach zaproponowano, że potencjalne fenotypy mogą być oparte na objawach klinicznych, objawach fizjologicznych, charakterystyce radiologicznej, zaostrzeniach POChP, ogólnoustrojowym zapaleniu i chorobach współistniejących [4-6]. Objawy kliniczne obejmują wiek, historię palenia tytoniu, płeć, pochodzenie etniczne, skład ciała, częstość zaostrzeń i nasilenie duszności. Objawy fizjologiczne obejmują między innymi czynność płuc, zmniejszenie czynności płuc w czasie (FEV1), objętość płuc, hiperinflację, nadreaktywność, zdolność wysiłkową i czynność mięśni. Charakterystyka radiologiczna obejmuje tomografię komputerową (CT) płuc i na przykład pomiary grubości ścian dróg oddechowych lub oceny rozedmy płuc. Skupiska pacjentów o podobnych cechach mogą stanowić fenotyp i mogą być oparte na opinii eksperta lub technikach statystycznych, takich jak nienadzorowana analiza skupień.

Fenotyp o szczególnym znaczeniu klinicznym to podgrupa palaczy, u których rozwinie się ciężka POChP we wczesnym wieku i przy stosunkowo niewielkiej liczbie paczkolat palenia. W 1998 roku Silverman i in. zdefiniowali ten fenotyp jako poważną przeszkodę w przepływie powietrza (tj. natężona objętość wydechowa w ciągu 1 sekundy (FEV1) <40% wartości należnej) i wiek ≤53 lat [1]. Ta ciężka POChP o wczesnym początku stanowi znaczną część całkowitego osobistego, społecznego i ekonomicznego obciążenia związanego z POChP. Jednak pomimo znaczenia klinicznego tej grupy pacjentów z POChP ta definicja ciężkiej POChP o wczesnym początku opiera się wyłącznie na FEV1 i wieku. Dlatego w tej być może przestarzałej definicji brakuje innych parametrów fenotypowych, tj. historii palenia tytoniu, nachylenia spadku czynności płuc, charakterystyki radiologicznej, takiej jak rozedma płuc i innych możliwych czynników przyczyniających się do tego fenotypu. To proponowane badanie oceni różne fenotypy SEO-POChP, łącząc je z charakterystyką genotypową.

2.3 Genotyp ciężkiej POChP o wczesnym początku Chociaż powszechnie przyjmuje się, że głównym czynnikiem ryzyka POChP jest palenie tytoniu, choroba ostatecznie rozwinie się tylko u 20-30% palaczy [1]. Niewielka podgrupa palaczy rozwinie ciężką POChP we wczesnym wieku i przy stosunkowo niewielkiej liczbie paczkolat palenia. Powstaje pytanie, dlaczego ci pacjenci są szczególnie podatni na niekorzystne skutki palenia. W tym kontekście ustalenia Silvermana i in. są szczególnie interesujące, wykazując, że palący krewni pierwszego stopnia tych pacjentów z ciężką POChP o wczesnym początku mieli znacznie niższy FEV1 niż grupa kontrolna w tym samym wieku i z nawykami palenia, co sugeruje, że czynniki genetyczne odgrywają rolę w rozwoju POChP [1]. To ostatnie jest zgodne z wynikami badań kliniczno-kontrolnych i bliźniaczych i szacuje się, że 40-60% ryzyka rozwoju POChP jest uwarunkowane genetycznie [7,8]. Jak dotąd niewiele wiadomo o pochodzeniu i mechanizmach leżących u podstaw rozwoju ciężkiej POChP o wczesnym początku. W ramach tego proponowanego badania zbadamy te mechanizmy, wykorzystując nowe możliwości genotypowania.

2.4 Nowe możliwości genotypowania W badaniach GWAS zidentyfikowano kilka wariantów genetycznych związanych z podatnością na rozwój POChP [9-11]. Chociaż badania te przyniosły ważne nowe spostrzeżenia, ich biologiczna interpretacja była ograniczona. Szacuje się, że dotychczas zidentyfikowane warianty wyjaśniają jedynie niewielki odsetek (około 8%) całkowitego ryzyka genetycznego przypisanego POChP [12]. Należy zdać sobie sprawę, że platformy genotypowania stosowane dotychczas w badaniach GWAS obejmowały głównie pospolite SNP, tj. te z mniejszą częstością alleli (MAF) >5%, podczas gdy rzadkie warianty z MAF <5% były mocno niedoreprezentowane. To ostatnie jest ważne, ponieważ rzadkie warianty mogą być zaangażowane w SEO-POChP. Jednym z dobrze znanych przykładów rzadkiego wariantu genetycznego, który jest funkcjonalnie powiązany z SEO-POChP, jest niesynonimiczny SNP w regionie kodującym SERPINA1, powodujący niedobór alfa-1-antytrypsyny [13,14]. Chociaż ważny, niedobór alfa-1-antytrypsyny występuje tylko u niewielkiego odsetka pacjentów, pozostawiając niewyjaśnioną dużą część dziedziczności SEO-POChP. To proponowane badanie będzie obejmowało rzadkie warianty, obecnie wykonalne podejście z najnowszymi postępami w wysokowydajnych technologiach sekwencjonowania całego genomu [15].

2.5 Pacjenci z ciężką POChP o wczesnym początku kierowani do UMCG Wielu pacjentów z ciężką POChP jest co roku kierowanych z całej Holandii do Uniwersyteckiego Centrum Medycznego w Groningen (UMCG) na konsultację w sprawie przeszczepu płuc (LTX) lub bronchoskopowej terapii zmniejszającej objętość płuc ( BLVRT) (około 250 rocznie) [16,17]. BLVRT jest wykonywany tylko w naszym centrum w Holandii. W ramach wcześniej zatwierdzonego badania („Phenotypowanie w POChP”, METc 2014/102) scharakteryzowano pacjentów z ciężką POChP, którzy zostali skierowani na BLVRT lub przeszczep płuca, gdy wyrazili chęć udziału i wyrazili pisemną świadomą zgodę. Charakterystykę przeprowadza się na podstawie funkcji płuc (tj. spirometria, body box), klinicznych (tj. kwestionariusze, badanie fizykalne, pomiar stosunku talii do bioder), parametry radiologiczne (HRCT-scan) i ogólnoustrojowe (pobranie krwi żylnej). Ponadto pobierane są dodatkowe próbki: biopsje oskrzeli, szczoteczki oskrzelowe i szczoteczki do nosa.

Badanie to dodaje dwa cele. Głównym celem jest identyfikacja mechanizmów genetycznych i epigenetycznych leżących u podstaw SEO-POChP przy użyciu szczoteczek oskrzelowych i biopsji, które zostały już pobrane od pacjentów z SEO-POChP. Drugim celem jest dodanie dwóch grup kontrolnych (tj. grupa z łagodną i umiarkowaną POChP i grupa kontrolna zdrowych osób bez POChP) dobranych pod względem wieku i nawyków związanych z paleniem (wszyscy pacjenci z POChP skierowani na BLVRT lub przeszczep płuc to byli palacze), których obecnie brakuje.

Miejmy nadzieję, że ostatecznie wyjaśni to podatność na POChP i jej genetyczną przyczynę, co zaowocuje bardziej dostosowanym leczeniem tej podgrupy POChP.

Podstawowy cel:

- Aby zidentyfikować mechanizmy genetyczne i epigenetyczne leżące u podstaw SEO-POChP za pomocą szczoteczek do oskrzeli i biopsji oraz ocenić, w jaki sposób ci pacjenci z SEO-POChP różnią się od dwóch grup kontrolnych (osoby z łagodną i umiarkowaną POChP i osoby bez POChP).

Cele drugorzędne:

Do:

• określić, które powszechne i rzadkie warianty genetyczne są prawdopodobnie przyczynowo związane z rozwojem i/lub nadmiernym postępem choroby.
• ocenić, które geny i sieci genów związane z POChP są kontrolowane przez miR (mikro-RNA) i miejsca metylacji DNA.