Ett integrerat genomiskt tillvägagångssätt för att lösa pusslet med svår tidig KOL (SHERLOCk)

2. INLEDNING OCH MOTIVERING

2.1 Kronisk obstruktiv lungsjukdom Kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) är en vanlig förebyggbar och behandlingsbar sjukdom, men utan botemedel. Det kännetecknas av ihållande luftflödesbegränsning som vanligtvis är progressiv och förknippad med en förstärkt kronisk inflammatorisk respons i luftvägarna och lungorna på skadliga partiklar eller gaser [2]. KOL är en ledande orsak till sjuklighet och beräknas bli den fjärde vanligaste dödsorsaken i världen 2030 [3] och resulterar i en ekonomisk och social börda som är både betydande och ökande [2]. Diagnosen KOL baseras på förekomsten av luftflödesbegränsning (dvs. forcerad utandningsvolym på 1 sekund (FEV1) och forcerad vitalkapacitet). Graden av luftflödesbegränsning i sig beskriver dock inte på ett adekvat sätt komplexiteten av KOL eftersom betydande heterogenitet existerar mellan patienter med avseende på klinisk presentation, fysiologi, avbildning, svar på terapi, försämrad lungfunktion och överlevnad. För närvarande finns inte ett tydligt alternativ för att beskriva KOL men identifieringen av undergrupper av KOL, baserat på kliniska faktorer (fenotyper), som så småningom utökas med biomarkörer som återspeglar underliggande patofysiologiska processer kan vara attraktivt. Detta kan leda till bättre insikter i heterogeniteten av KOL och de underliggande mekanismerna.

2.2 Fenotypen av allvarlig tidig debut KOL Flera översikter har föreslagit att potentiella fenotyper kan baseras på kliniska manifestationer, fysiologiska manifestationer, radiologisk karakterisering, KOL-exacerbationer, systemisk inflammation och samsjukligheter [4-6]. Kliniska manifestationer inkluderar ålder, rökhistoria, kön, etnicitet, kroppssammansättning, exacerbationsfrekvens och dyspnénivå. Fysiologiska manifestationer inkluderar bland annat lungfunktion, minskning av lungfunktion över tid (FEV1), lungvolymer, hyperinflation, överkänslig träningskapacitet och muskelfunktion. Radiologisk karakterisering inkluderar datortomografi (CT)-skanning av lungan och till exempel mätningar av luftvägsväggtjocklek eller emfysempoäng. Kluster av patienter med liknande egenskaper kan utgöra en fenotyp och kan baseras på expertutlåtanden eller statistiska tekniker som en oövervakad klusteranalys.

En fenotyp av särskild klinisk relevans är en undergrupp av rökare som kommer att utveckla svår KOL i tidig ålder och med relativt få års rökning. 1998, Silverman et al. definierade denna fenotyp genom allvarliga luftflödeshinder (dvs. Forcerad utandningsvolym på 1 sekund (FEV1) <40 % förväntad) och ålder ≤53 år [1]. Denna svåra, tidigt inträdande KOL står för en betydande del av den totala personliga, samhälleliga och ekonomiska bördan som tillskrivs KOL. Men trots den kliniska relevansen för denna grupp av KOL-patienter, är denna definition av allvarlig tidig KOL endast baserad på FEV1 och ålder. Därför saknar denna kanske förlegade definition andra fenotypiska parametrar, t.ex. rökhistoria, minskning av lungfunktionens lutning, radiologisk karakterisering såsom emfysem och andra möjliga faktorer som bidrar till denna fenotyp. Denna föreslagna studie kommer att utvärdera olika fenotyper av SEO-KOL, koppla det till genotypisk karakterisering.

2.3 Genotypen av svår tidig KOL Även om det är allmänt accepterat att rökning är den främsta riskfaktorn för KOL, kommer endast 20-30 % av rökarna i slutändan att utveckla sjukdomen [1]. En liten delmängd av rökare kommer att utveckla svår KOL i tidig ålder och med relativt få förpackningsår som röker. Frågan uppstår om varför dessa patienter är särskilt mottagliga för de negativa effekterna av rökning. I detta sammanhang har resultaten av Silverman et al. är av särskilt intresse, vilket visar att rökande släktingar i första graden till dessa allvarliga KOL-patienter med tidigt debut hade en signifikant lägre FEV1 än kontroller av samma ålder och rökvanor, vilket tyder på att genetiska faktorer spelar en roll i KOL-utvecklingen [1]. Det senare är i linje med fynden av fall-kontroll och tvillingstudier och man uppskattar att 40-60 % av risken för utveckling av KOL är genetiskt betingad [7,8]. Hittills är lite känt om ursprunget och de bakomliggande mekanismerna som driver utvecklingen av allvarlig tidig KOL. Med denna föreslagna studie kommer vi att utforska dessa mekanismer med hjälp av nya möjligheter för genotypning.

2.4 Nya möjligheter för genotypning av GWAS-studier har identifierat flera genetiska varianter associerade med känslighet för att utveckla KOL [9-11]. Även om dessa studier har genererat viktiga nya insikter, har deras biologiska tolkning varit begränsad. Varianter som hittills identifierats uppskattas endast förklara en liten andel (cirka 8%) av den totala genetiska risken som tillskrivs KOL [12]. Det är viktigt att inse att de genotypningsplattformar som har använts i GWAS-studier hittills huvudsakligen inkluderade vanliga SNP: er, dvs de med en mindre allelfrekvens (MAF) >5%, medan sällsynta varianter med en MAF <5% har varit kraftigt underrepresenterade. Det senare är viktigt, eftersom sällsynta varianter sannolikt är involverade i SEO-KOL. Ett välkänt exempel på en sällsynt genetisk variant som är funktionellt relaterad till SEO-KOL är den icke-synonyma SNP i regionen som kodar för SERPINA1 som orsakar alfa-1-antitrypsinbrist [13,14]. Även om det är viktigt, är alfa-1-antitrypsinbrist närvarande hos endast en liten andel av patienterna, vilket lämnar en stor del av ärftligheten av SEO-KOL oförklarad. Denna föreslagna studie kommer att inkludera sällsynta varianter, nu ett genomförbart tillvägagångssätt med de senaste framstegen inom höggenomsekvenseringsteknologier med hög genomströmning [15].

2.5 Patienter med svår tidiga KOL hänvisas till UMCG Många patienter med svår KOL remitteras till University Medical Center Groningen (UMCG) varje år från hela Nederländerna för konsultation om lungtransplantation (LTX) eller bronkoskopisk lungvolymreduktionsterapi ( BLVRT) (ungefär 250 per år) [16,17]. BLVRT utförs endast i vårt center i Nederländerna. Som en del av en tidigare godkänd studie ("Phenotyping in COPD", METc 2014/102) karakteriseras patienter med svår KOL som remitteras till BLVRT eller lungtransplantation när de är villiga att delta och lämnat sitt skriftliga informerade samtycke. Karakterisering utförs med hjälp av lungfunktion (dvs. spirometri, body box), klinisk (dvs. frågeformulär, fysisk undersökning, mätning av midje-höftkvot), radiologiska (HRCT-scan) och systemiska parametrar (venös blodinsamling). Dessutom extraheras följande ytterligare prover: bronkialbiopsier, bronkialborstar och näsborstar.

Det finns två mål som denna studie lägger till. Det primära målet är att identifiera de genetiska och epigenetiska mekanismerna bakom SEO-KOL genom att använda bronkialborstarna och biopsierna som redan har extraherats från SEO-KOL-patienterna. Det sekundära målet är att lägga till två kontrollgrupper (dvs. mild-måttlig KOL-grupp och frisk icke-KOL-kontrollgrupp) matchade för ålder och rökvanor (alla KOL-patienter som remitterats till BLVRT eller lungtransplantation är före detta rökare), vilket för närvarande saknas.

Förhoppningsvis kommer detta så småningom att belysa KOL-känsligheten och dess genetiska orsak, vilket resulterar i en mer skräddarsydd behandling av denna KOL-undergrupp.

Huvudmål:

- Att identifiera de genetiska och epigenetiska mekanismerna bakom SEO-KOL genom att använda bronkialborstar och biopsier och bedöma hur dessa SEO-KOL-patienter skiljer sig från två kontrollgrupper (mild-måttlig KOL och icke-KOL-patienter).

Sekundära mål:

Till:

• fastställa vilka vanliga och sällsynta genetiska varianter som sannolikt är orsaksrelaterade till utvecklingen och/eller överdriven progression av sjukdomen.
• bedöma vilka KOL-associerade gener och gennätverk som styrs av miR:s (mikro-RNA) och DNA-metyleringsställen.