Egenskaper som identifierar exacerbationsrisk efter förkylning hos KOL-patienter

Forskningsprotokoll

Biomarkörer och kliniska egenskaper som identifierar risken för en exacerbation efter virala övre luftvägsinfektioner hos KOL-patienter

Chefsutredare: Dr Patrick Mallia Medutredare: Professor Sebastian Johnston Dr Sarah Elkin

Studieplats Studien kommer att äga rum på St Mary's Hospital, London - en del av Imperial College Healthcare NHS Trust.

1. Bakgrund KOL-exacerbationer är en viktig orsak till sjukvårdskostnader, sjuklighet och dödlighet. Nuvarande behandlingar är endast delvis effektiva och har avsevärda biverkningar, så nya behandlingar är akuta. 40 - 50 % av KOL-exacerbationerna är förknippade med virusinfektioner och de vanligaste virusen som upptäcks är rhinovirus och influensa1,2. Känsliga och snabba diagnostiska tekniker för virusinfektioner har nyligen blivit tillgängliga3 och läkemedel som är effektiva mot rhinovirus och influensa har utvecklats4, vilket gör antiviral terapi till ett realistiskt potentiellt behandlingsalternativ för KOL-exacerbationer. Men vår förståelse av sambandet mellan virusinfektioner och KOL-exacerbationer är fortfarande begränsad och mer information krävs innan försök med antivirala terapier genomförs.

En experimentell modell av KOL-exacerbation Vi har utvecklat en modell för KOL-exacerbation med experimentell rhinovirusinfektion hos KOL-patienter som gör att vi kan studera ett antal utfall på ett noggrant kontrollerat sätt som inte är möjligt med naturligt förekommande infektioner5,6. Denna modell har tillhandahållit nya data om sambanden mellan virusinfektion och exacerbationer. Efter rhinovirusinfektion utvecklade försökspersoner symtom på övre luftvägsinfektion (URTI) som började på dag 2 efter inokulering och nådde sin topp på dag 4, följt av de typiska nedre luftvägssymtomen på en akut exacerbation som började på dag 5 och nådde sin topp på dag 9 Luftflödeshinder och inflammation i de nedre luftvägarna toppade också dag 9. Maximal virusbelastning inträffade dag 4 i nässköljning och dag 5 i sputum. Vid naturligt förekommande exacerbationer uppträder patienter 3-4 dagar efter debuten av exacerbationssymtom7 och våra data visar att toppen av virusreplikationen sannolikt redan har inträffat vid denna tidpunkt. Därför kan intervention med antivirala läkemedel vid tidpunkten för exacerbation vara för sent. 63% av KOL-personer i vår studie utvecklade bakteriella infektioner efter experimentell rhinovirusinfektion. Medan virusbelastningen nådde en topp på dag 5 inträffade de flesta bakterieinfektioner senare på dag 12 och 15 efter inokulering, vilket tyder på att rhinovirusinfektion ökar känsligheten för bakterieinfektion. Därför kan behandling av virusinfektioner ha den ytterligare fördelen att den minskar sekundära bakterieinfektioner.

Förutsäga risk för exacerbation: preliminära data från experimentmodellen Data som erhållits från vår experimentella modell gjorde det möjligt för oss att utvärdera samband mellan markörer vid tidpunkten för initial URTI och mått på efterföljande exacerbations svårighetsgrad. Toppsymtom för övre luftvägar korrelerade med toppvärden för nedre andningsvägar (p=0,0037, r=0,58), antal sputuminflammatoriska celler (p=0,018, r=0,5) och sputumvirusbelastning (p=0,014, r=0,51). Minskningen av maximalt utandningsflöde på dag 5 korrelerade med toppvärden för lägre andningsorgan (p=0,023, r=-0,47), poäng för andfåddhet (p=0,0079, r=-0,54) och sputumvirusbelastning (p=0,03, r=-0,45). Blodneutrofiler på dag 5 korrelerade med toppfall i FEV1 (p=0,0072, r=-0,55), totalt antal leukocyter på dag 5 med toppfall i FEV1/FVC (p=0,04, r=-0,43) och belastning av nässköljningsvirus på dag 5 korrelerade med toppfall i FEV1 (p=0,0186, r=-0,49). Dessa data tyder på att parametrar som symtom, luftflödesobstruktion, perifert leukocytantal och virusbelastning uppmätt under en URTI hos KOL-patienter korrelerar med efterföljande symtom i nedre luftvägarna, luftflödesobstruktion och luftvägsinflammation och kan förutsäga risken för exacerbation. Denna studie gällde dock ett litet antal patienter med mild till måttlig KOL och dessa fynd måste utforskas i en större kohort av patienter med ett bredare spektrum av KOL-allvarlighet med naturligt förekommande infektioner.

Biomarkörer Exacerbationer definieras av ökade symtom och diagnosen beror på en subjektiv bedömning av symtomen av patienter och vårdgivare. Det finns inga markörer - vare sig biologiska eller fysiologiska - som kan användas för att definiera en exacerbation. Exacerbationer är förknippade med luftvägsinflammation men direkt mätning av inflammatoriska markörer är svår eftersom bronkoalveolär sköljning och endobronkial biopsi är för invasiva, och sputum och utandningsluft kondenserar för komplext och tidskrävande för att vara praktiskt i rutinmässig klinisk praxis. Blod är lätt att erhålla för mätning av biomarkörer men det är inte fastställt att systemiska markörer återspeglar luftvägsinflammation eller korrelerar med kliniska resultat vid KOL-exacerbationer. Nasala prover är också lätta att erhålla och det finns data som visar att näsinflammatoriska markörer korrelerar med inflammation i de nedre luftvägarna8 och vi har rapporterat att IL-8 och IL-6 är förhöjda i nässköljning efter experimentell rhinovirusinfektion5. Ett antal biomarkörer har undersökts både som markörer för KOL-exacerbationer och indikatorer på specifika etiologier. Copeptin9 och serumamyloid A (SAA)10 korrelerar med kliniska resultat vid KOL-exacerbationer, interferon-inducerat protein-10 (IP-10)11 och neopterin har identifierats som potentiella markörer för virala luftvägsinfektioner12,13 och prokalcitonin som en markör för bakteriell infektion14. Ingen av dessa markörer har dock undersökts specifikt som prediktorer för utfall efter URTI vid KOL.

Samband mellan virala URTI och KOL-exacerbationer Data från vår studie tyder på att behandling vid tidpunkten för den initiala URTI kan krävas för att förhindra virusinducerade exacerbationer. Denna strategi riskerar dock att behandla URTI som inte utvecklas till en exacerbation som leder till överbehandling. Endast en studie har undersökt exacerbationer efter URTI hos KOL-patienter och fann att 43 % av URTI följdes av exacerbationer15. I denna studie identifierades emellertid URTI retrospektivt från symtomdagbokskort och det var därför inte bevisat att symtomen orsakades av virusinfektion. Upp till 75 % av KOL-patienterna klagar över symtom i övre luftvägarna när de är kliniskt stabila16, så symtom i övre luftvägarna orsakade av andra faktorer än virusinfektioner skulle ha försvagat sambandet mellan URTI och KOL-exacerbationer i denna studie. Den sanna associationen är sannolikt högre och kan endast bestämmas genom virologisk bekräftelse av infektion. Risken för exacerbation efter en viral URTI kanske inte är densamma för alla KOL-patienter men kan påverkas av värdfaktorer som FEV1, tidigare exacerbationshistoria och rökstatus. För närvarande finns inga data tillgängliga om hur dessa faktorer kan påverka risken för exacerbation efter en viral URTI. Alla studier hittills av KOL-exacerbationer har rekryterat patienter när de uppvisar symtom på en exacerbation. Därför har möjligheten att undersöka sambandet mellan en föregående URTI och exacerbationen missats. Syftet med denna studie är att rekrytera en kohort av KOL-patienter och undersöka dem när de utvecklar en URTI så att sambandet med en efterföljande exacerbation kan undersökas på ett prospektivt sätt.

2) Studiemål

1. Att fastställa andelen URTI med en bekräftad viral etiologi hos KOL-patienter som utvecklas till en akut exacerbation och fastställa de specifika virala etiologierna.
2. Att identifiera kliniska, virala och biologiska markörer som förutsäger progression av en URTI till en exacerbation och korrelerar med exacerbationens svårighetsgrad.
3. Att fastställa kliniska baslinjeegenskaper som identifierar patienter med hög risk att utveckla exacerbationer efter en viral URTI.
4. För att bestämma frekvensen av och riskfaktorer för bakteriell infektion efter viral URTI hos KOL-patienter.
5. Att utveckla en modell som kombinerar baslinjepatientegenskaper, kliniska mätningar och biomarkörer som kommer att förutsäga exacerbationsrisk efter viral URTI hos KOL-patienter.

3) Metoder Studieämnen En kohort av 100 KOL-personer kommer att rekryteras från bröst- och allergikliniken vid St Mary's Hospital, Paddington, en del av Imperial College Healthcare NHS Trust och samhällskliniker i de lokala områdena Westminster och Kensington och Chelsea.

Inklusionskriterier Det huvudsakliga inklusionskriteriet är patienter som är 40-85 år gamla med diagnosen KOL bekräftad med spirometri.

Exklusions kriterier

• Deltagare som har svårt att förstå engelska så skulle inte kunna svara på symtomenkäter.
• Deltagare som har ett annat medicinskt tillstånd som avancerad cancer som innebär att de har en förväntad livslängd på mindre än 2 år och därför inte skulle kunna fullfölja uppföljningen.
• Deltagare som skulle få svårt att närvara vid täta sjukhusbesök kommer också att uteslutas.

Baslinjebesök Efter informerat samtycke kommer deltagarna att ha ett baslinjebesök där de kommer att ha detaljerad klinisk karakterisering inklusive dokumentation av rökstatus, komorbiditeter, exacerbationsfrekvens och mediciner och mätning av lungfunktion (FEV1, FVC, FEV1,/FVC, PEF, överföringskoefficient). Sputum, näsvätska och blod kommer att samlas in för baslinjebedömning av bakteriell och viral kolonisering och mätning av luftvägsinflammation och biomarkörer. Under studiens gång kommer deltagarna att få upprepade besök med samma bedömning och provtagning var tredje månad. Syftet med detta är att dokumentera eventuella förändringar i klinisk status (t. förändring i rökstatus) och för att säkerställa att om en förkylning/exacerbation inträffar kommer det att finnas ett stabilt besök för att jämföra parametrar inom de senaste 3 månaderna.

Efter baslinjebesöket kommer deltagarna att påbörja en registrering av symtom i de nedre luftvägarna med hjälp av Exacerbations of Chronic Pulmonary Disease Tool (EXACT), en ny patientrapporterad resultatdagbok som har validerats i KOL-kohortstudier17. De kommer att fortsätta med sina vanliga mediciner och medicinsk vård men kommer att uppmanas att kontakta utredarna om de utvecklar symtom på förkylning eller en exacerbation. De kommer att kontaktas per telefon varje vecka i ett försök att identifiera alla episoder av ökade luftvägssymtom.

Kallt besök Försökspersoner kommer att uppmanas att rapportera till utredarna om de utvecklar symtom på en URTI. När detta inträffar kommer de att ses inom 24 timmar för ett "kallt besök" - detaljerna för detta besök visas nedan.

URTI-symtom kommer att kvantifieras med hjälp av Wisconsin Upper Respiratory Symptom Survey (WURSS-21)18 frågeformulär. WURSS-21 är en livskvalitetsbedömning som mäter de hälsorelaterade effekterna av förkylning och har använts för att förutsäga exacerbationer efter URTI hos astmatiker19. För att erhålla WURSS-21-poäng hos KOL-patienter utan förkylning kommer en undergrupp av stabila patienter att administreras WURSS-21 under 14 dagar i följd. FEV1, FVC, FEV1,/FVC och PEF kommer att mätas och prover av näsvätska, inducerat sputum och blod samlas in.

Alla försökspersoner kommer att ses 7 dagar efter det kalla besöket med upprepad provtagning om de inte utvecklar en exacerbation före detta. Eftersom exacerbationer definieras av symtom och symtomuppfattning är subjektiv kommer syftet med detta besök att vara att mäta objektiva markörer som lungfunktion och inflammatoriska markörer i de kliniska proverna som samlas in. Att jämföra dessa mellan deltagare som gör och inte rapporterar exacerbationer kommer att ge mer objektiva bevis för att en exacerbation har inträffat utöver symtom.

Exacerbationsbesök När försökspersoner utvecklar en URTI kommer de att övervaka symtom på en efterföljande exacerbation och om detta inträffar kommer de att ha ett ytterligare besök som kallas "exacerbationsbesöket". Om deltagarna utvecklar en exacerbation utan föregående URTI kommer de också att ses. Klinisk bedömning inklusive fysisk undersökning, symtompoäng och spirometri kommer att utföras för att utvärdera exacerbationens svårighetsgrad och samma kliniska prover som det kalla besöket samlades in. Försökspersonerna kommer att ha ytterligare besök 2 och 6 veckor efter exacerbationsdebut med upprepad bedömning och klinisk provtagning.

Milstolpar KOL-patienter har i genomsnitt 1-2 förkylningar per år, så att rekrytera en kohort på 100 försökspersoner och följa dem i 24 månader för att inkludera 4 säsonger med toppaktivitet av rhinovirus bör ge minst 200 episoder av URTI att utvärdera. Vi kommer sedan att behöva 6 månader för att slutföra laboratorieanalyserna och analysera data.

4) Studieprocedurer Halspinnen En steril torr bomullspinne används för att ta prover från svalget för virusdetektion. Detta utförs med försökspersonen sittande. Säkerställ tillräcklig belysning och använd en tungdepressor om det behövs. Ta försiktigt bort pinnen från behållaren för att säkerställa att spetsen inte är kontaminerad, och svep den dorsala delen av svalget och den mjuka gommen, undvik tungan. Placera pinnen i en torr behållare och frys vid -80°C före analys och en annan i bakteriologiskt odlingsmedium.

Nasosorption

Nässlemhinnan kommer att samlas upp med hjälp av den syntetiska absorberande matrixmetoden (SAM). Vätskevolymer på 50-100μL erhålls och 50μL är tillräckligt för att mäta upp till 20 analyter med hjälp av MSD-plattformen (http://www.meso-scale.com), som vi redan har använt för att analysera lösliga mediatorer i humanstudier och skräddarsydda plattor för att mäta utvalda mediatorer kan erhållas. Remsor av SAM kommer att användas i 2 minuter i näsborren för att erhålla upprepade prover av ren nasal ELF. Detta är en smärtfri minimalt invasiv procedur som inte kräver någon lokalbedövning. Efter provtagning kommer SAM att placeras i ett 1 ml mikrofugspinfilterrör innehållande 100 μL elueringsbuffert (PBS/1 % bovint serumalbumin/1 % Triton®). För att bestämma volymen vätska som erhålls genom nasosorption och därmed den slutliga koncentrationen av lösliga mediatorer i ELF, måste vikten av SAM före och efter provtagning vara känd. Följande procedur måste följas:

• Registrera torrvikten för SAM (DS)
• Registrera den torra tomvikten på mikrofugröret (DT)
• Registrera den kombinerade vikten av mikrofugröret som innehåller SAM i elueringsbuffert (CW)
• Beräkna och registrera vikten av ELF (mg):

Vikt av ELF = CW - (DT + DS + 100) (100 mg är vikten av 100 μL elueringsbuffert) SAM kommer att transporteras på torris till laboratoriet.

Nässköljning

Nässköljning utförs med följande teknik:

• Procedur som ska ske i undertrycksrum på ICRRU
• 5 ml 0,9 % koksaltlösning införs i ena näsborren med hjälp av en spruta med försökspersonen sittande med huvudet bakåtlutat.
• Saltlösningen hålls i näsan i 5 sekunder och blåses sedan in i en steril kruka. Proceduren upprepas sedan för den andra näsborren.
• Vätskan fördelas sedan i sterila mikrofugrör och centrifugeras för analys av celler och supernatanter fryses vid -80°C.

Nässköljvätska kommer att analyseras med PCR för luftvägsvirus. Alla prover som är positiva för rhinovirus kommer att analyseras ytterligare med en kvantitativ PCR för att fastställa virusbelastningen.

Blodprovtagning Blod kommer att tas vid baslinjebesöket för separering av serum för mätning av inflammatoriska markörer och mätning av C-reaktivt protein och ett fullständigt blodvärde. Dessa kommer att behandlas i andningsmedicinska laboratorier i Medical School Building, St Mary's Campus.

Den totala mängden blod som tas vid varje besök skulle uppgå till 20 ml.

Inducerat sputum Sputum kommer att induceras och bearbetas med hjälp av standardprotokoll20. Kortfattat kommer deltagarna att premedicineras med 200 mg salbutamol via inhalator med uppmätt dos och stor volym spacer och baseline FEV1 mäts. 3 % koksaltlösning kommer att administreras med en DeVilbiss UltraNeb99 ultraljudsnebulisator inom 2 minuters perioder och FEV1 mäts igen. Om FEV1 faller med 20 % kommer proceduren att avbrytas och ytterligare salbutamol administreras. Annars kommer proceduren att fortsätta och FEV1 mätas varannan minut tills ett adekvat sputumprov erhålls. Sputum kommer att behandlas inom 2 timmar efter induktion. Sputumpluggar kommer att väljas från saliv genom makroskopisk inspektion av provet och en alikvot väljs ut och lagras obearbetad vid -80oC för qRT-PCR för virusdetektion. En alikvot av sputum kommer också att hållas för bakteriell upptäckt. Det återstående provet kommer att vägas, 0,1 % ditiotreitol (DTT) tillsätts i förhållandet 4 ml DTT till 1 g sputum och blandningen skakas om och filtreras. Samma volym PBS tillsattes, filtratet centrifugerades och supernatanten alikvoterades och lagrades vid -80°C. Cellpelleten kommer att tvättas och återsuspenderas och cellerna räknas för att erhålla totala cellantal. Cytospins kommer att beredas och färgas med Shandon Diffquick-kit (Thermo Shandon Ltd, Cheshire, Storbritannien), kodade och räknas blinda för att studera status för att erhålla differentiella cellantal. Cellantal kommer att uttryckas som en procentandel av minst 400 inflammatoriska celler.

5) Regulatoriska frågor Etikgodkännande Godkännande har erhållits från East London Research Ethics Committee för denna studie. Studien kommer att lämnas in för Site Specific Assessment (SSA) vid Imperial College Healthcare NHS Trust. Chefsutredaren kommer att kräva en kopia av FoU-godkännandebrevet innan deltagarna accepteras i studien. Studien kommer att genomföras i enlighet med de rekommendationer för läkare som är involverade i forskning på människor som antagits av den 18:e World Medical Assembly, Helsingforsdeklarationen 1964 och senare revisioner.

Samtycke Samtycke för att delta i studien kommer att begäras från varje deltagare först efter att en fullständig förklaring har getts, ett informationsblad erbjudits, tid för övervägande och eventuella frågor som deltagarna kan ha besvarat. Undertecknat samtycke från deltagaren kommer att erhållas. Deltagarens rätt att vägra delta utan att ange skäl måste respekteras. Efter att deltagaren har gått in i studien är läkaren fortfarande fri att ge alternativ behandling till den som anges i protokollet när som helst om han/hon anser att det ligger i deltagarens bästa, men skälen för att göra det bör antecknas. I dessa fall stannar deltagarna inom studien för uppföljning och dataanalys. Alla deltagare är fria att när som helst avbryta protokollbehandlingen utan att ange skäl och utan att det påverkar vidare behandling.

Sekretess Chefsutredaren och hela forskargruppen kommer att bevara konfidentialitet för deltagare som deltar i studien och följa dataskyddslagen.

Indemnity Imperial College, London som sponsor för denna studie har försumliga och icke-försumliga skadeförsäkringar som gäller för denna studie. Dessa har arrangerats genom Gemensamma forskningskontoret.

Sponsor Imperial College London kommer att fungera som huvudsponsor för denna studie. Delegerade ansvarsområden kommer att tilldelas NHS-stiftelsen som deltar i denna studie.

Finansiering Efter en framgångsrik ansökan till Biomedical Research Center (BRC) av Imperial Healthcare NHS Trust och Imperial College finansierar BRC denna studie. Utredarna kommer inte att få någon extra ersättning utöver sina normala löner. Deltagarna i studien kommer att få sina resekostnader återbetalda.

Revisioner och inspektioner Studien kan bli föremål för inspektion och revision av Imperial College London under deras uppdrag som sponsor och andra tillsynsorgan för att säkerställa efterlevnad av GCP och NHS Research Governance Framework for Health and Social Care (2:a upplagan).

Studieledning Den dagliga ledningen av studien kommer att koordineras av Dr Patrick Mallia, chefsutredare för projektet.

Publiceringspolicy Vår förväntning är att efter analys kommer data från denna studie att spridas brett inom det medicinska och vetenskapliga samfundet. Underlättat med presentationer på lokala, nationella och internationella möten hoppas vi kunna publicera brett i den medicinska litteraturen. Dessutom har vi en utmärkt medieavdelning på Imperial College och publicerar forskning som har allmänt intresse när den publiceras. Ingen identifierande deltagarinformation kommer att publiceras.

6) Biverkningar Definitioner Biverkningar (AE): alla ogynnsamma medicinska händelser hos en patient eller klinisk studieperson.

Allvarlig biverkning (SAE): alla oväntade och oväntade medicinska händelser eller effekter som:

• Resultat i döden
• Är livshotande - hänvisar till en händelse där försökspersonen riskerade att dö vid tidpunkten för händelsen; det hänvisar inte till en händelse som hypotetiskt kunde ha orsakat döden om den var mer allvarlig
• Kräver sjukhusvistelse
• Resulterar i bestående eller betydande funktionshinder eller oförmåga
• Är en medfödd anomali eller fosterskada

Rapporteringsprocedurer Alla biverkningar ska rapporteras. Beroende på händelsens karaktär bör rapporteringsrutinerna nedan följas. Alla frågor om rapportering av biverkningar ska i första hand ställas till chefsutredaren.

Icke allvarliga biverkningar Alla sådana händelser, oavsett om de förväntas eller inte, ska registreras.

Allvarliga biverkningar Ett SAE-formulär ska fyllas i och faxas till chefsutredaren och sponsorn inom 24 timmar.

Alla SAE bör rapporteras till East London Research Ethics Committee där händelsen enligt chefsutredaren var:

• "relaterad", dvs. resulterat från administrationen av någon av forskningsprocedurerna; och
• "oväntad", det vill säga en händelse som inte är listad i protokollet som en förväntad händelse

Rapporter om relaterade och oväntade SAE ska skickas till etik, sponsorn och FoU-kontoret inom 15 dagar efter att chefsutredaren fick kännedom om händelsen, med hjälp av NRES SAE-formuläret för icke-IMP-studier.

Kontaktuppgifter för rapportering av SAE Fax: 020 7262 8913 till Dr Patrick Mallia Tel: 020 7594 3751 (mån till fre 09.00 - 17.00)

7) Track Records Vår grupp har en etablerad erfarenhet av högkvalitativ forskning inom området virala infektioner vid astma och KOL. Vi har etablerat protokoll för PCR-detektion av luftvägsvirus, kvantitativ PCR för rhinovirus och har samarbetat med Imperial College Healthcare NHS Trust Microbiology Laboratory för semikvantitativa bakteriekulturer. Vi har etablerade protokoll och erfarenhet av att mäta inflammatoriska mediatorer i näsvätska och sputumsupernatanter och utvecklar expertis för användning av MSD-plattformen. Dr Elkin har erfarenhet av att rekrytera kohorter av KOL-patienter för longitudinella kliniska prövningar.

8) Förväntad effekt Denna studie kommer att vara den första att fastställa sambandet mellan viral URTI och exacerbationer hos KOL-patienter. Det kommer att fastställa kliniska faktorer och biomarkörer som förutsäger risken för en exacerbation efter en URTI. De erhållna uppgifterna kommer att vara av enormt intresse för läkemedelsindustrin och kliniska forskare eftersom det kommer att öppna vägen för försök med antivirala terapier för virusinducerade KOL-exacerbationer.