Biomarkery FOS i CXCL3 przewidują skuteczność mepolizumabu w astmie

Czy biomarkery mogą przewidzieć skuteczność terapii?

Najnowsze badania wskazują na obiecujące biomarkery predykcyjne skuteczności mepolizumabu u pacjentów z ciężką astmą eozynofilową. Naukowcy zidentyfikowali dwa geny – FOS i CXCL3 – których niska ekspresja w komórkach nabłonka nosowego może być związana z lepszą odpowiedzią na terapię przeciwciałem monoklonalnym anty-IL-5.

Astma to heterogenna choroba układu oddechowego charakteryzująca się przewlekłym stanem zapalnym dróg oddechowych. Jej częstość występowania znacząco wzrosła w ostatnich dekadach – w Chinach z 0,69% w 1984 roku do 5,30% w 2021 roku, z prognozami sięgającymi nawet 9,76% do 2050 roku. Szczególnie ciężka astma stanowi ogromne obciążenie dla systemów opieki zdrowotnej i wymaga intensywnego leczenia. Według wytycznych ERS/ATS (European Respiratory Society/American Thoracic Society), biologiczne leki anty-IL-5 są zalecane w leczeniu ciężkiej astmy eozynofilowej.

Astma eozynofilowa, charakteryzująca się podwyższonym poziomem eozynofilów we krwi obwodowej i plwocinie, często wymaga zastosowania terapii biologicznych. “Zwiększona liczba eozynofilów we krwi obwodowej lub drogach oddechowych jest związana z większą ciężkością astmy” – wskazują autorzy badania. Interleukina-5 (IL-5) jest kluczową cytokiną promującą proliferację eozynofilów, a mepolizumab jako przeciwciało anty-IL-5 hamuje ten proces, zmniejszając stan zapalny w drogach oddechowych.

Pomimo skuteczności mepolizumabu w redukcji zaostrzeń (o prawie 50%) i hospitalizacji (o około 30%), nie wszyscy pacjenci z astmą eozynofilową odpowiadają na to leczenie. Identyfikacja biomarkerów predykcyjnych mogłaby znacząco poprawić stratyfikację pacjentów i optymalizację terapii.

Jakie mechanizmy odkrywają badania transkryptomiczne?

W najnowszym badaniu naukowcy wykorzystali zestaw danych transkryptomicznych GSE274410 z bazy Gene Expression Omnibus, analizując wymazy z nosa pobrane od 27 pacjentów przed rozpoczęciem leczenia mepolizumabem. Pacjentów podzielono na responderów i nieresponderów na podstawie kryteriów klinicznych – zmniejszenie o ≥50% dawki doustnych kortykosteroidów i/lub redukcja o ≥50% częstości zaostrzeń po roku leczenia. Po wstępnym przetworzeniu danych i odfiltrowaniu genów o niskiej ekspresji, z początkowej puli 57 906 genów zachowano do analizy 19 908 genów.

Analiza różnicowej ekspresji genów wykazała 467 genów różniąco się między grupami (342 podwyższone i 125 obniżone). Następnie przeprowadzono analizę wzbogacenia zestawów genów (GSEA) oraz skonstruowano sieć interakcji białko-białko (PPI) przy użyciu bazy STRING i oprogramowania Cytoscape. Sieć PPI obejmowała 155 węzłów i 251 krawędzi, co pozwoliło na identyfikację kluczowych genów węzłowych za pomocą czterech algorytmów z wtyczki cytoHubba.

Szczególną uwagę zwrócono na tzw. geny węzłowe (hub genes), które mogą pełnić kluczowe funkcje w sieciach interakcji białko-białko. Spośród pięciu zidentyfikowanych genów węzłowych (JUN, FOS, CXCL9, CXCL11 i CXCL3), tylko FOS i CXCL3 wykazywały istotne statystycznie różnice ekspresji między responderami a nieresponderami.

Co istotne, oba te geny miały niższą ekspresję u pacjentów, którzy dobrze odpowiedzieli na mepolizumab. Analiza krzywych ROC wykazała, że oba geny mają dobrą wartość predykcyjną z obszarem pod krzywą (AUC) przekraczającym 0,7 (FOS: AUC=0,818, 95% CI: 0,65-0,99; CXCL3: AUC=0,75, 95% CI: 0,56-0,94).

Jak funkcjonalne szlaki wpływają na odpowiedź terapeutyczną?

Gen FOS koduje białko c-Fos, będące składnikiem kompleksu czynnika transkrypcyjnego AP-1, który reguluje sygnalizację zapalną i został powiązany z eozynofilowym zapaleniem dróg oddechowych. Z kolei CXCL3 jest chemokiną zaangażowaną w rekrutację neutrofilów, stan zapalny dróg oddechowych i ich przebudowę.

“Pacjenci z niską ekspresją FOS i CXCL3 wydają się bardziej responsywni na mepolizumab, co może wskazywać, że wyższa ekspresja odzwierciedla profil zapalny zdominowany przez neutrofile, mniej odpowiadający na anty-IL-5, podczas gdy niższa ekspresja jest bardziej zgodna z fenotypem Th2-high, napędzanym przez eozynofile” – sugerują badacze, dodając jednocześnie, że ta interpretacja wymaga dalszej walidacji.

Analiza wzbogacenia zestawów genów (GSEA) wykazała 90 istotnie wzbogaconych terminów GO, w tym 63 w kategorii procesów biologicznych (BP), gdzie geny różnicowo wyrażone były głównie zaangażowane w procesy związane z rzęskami, takie jak ruch rzęsek, montaż aksonemy, ruchliwość komórek zależna od rzęsek lub wici oraz ruchliwość komórek zależna od rzęsek. W kategorii składników komórkowych (CC) znaleziono 23 istotnie wzbogacone terminy, głównie związane z aksonemą, plazmą rzęskową, rzęskami ruchomymi 9+2 i cytoplazmatyczną dużą podjednostką rybosomową.

Wcześniejsze badania potwierdziły, że prawidłowa funkcja rzęsek jest niezbędna do utrzymania efektywnego oczyszczania dróg oddechowych, a komórki nabłonka oskrzelowego u pacjentów z ciężką astmą wykazują nieprawidłowości funkcjonalne, w tym zmniejszoną częstotliwość uderzeń rzęsek i niezorganizowany ruch rytmiczny. Sugeruje to, że dysfunkcja rzęsek może nie tylko być konsekwencją astmy, ale również potencjalnym czynnikiem przyczyniającym się do retencji śluzu w drogach oddechowych, przewlekłego zapalenia i zwiększonej podatności na infekcje układu oddechowego.

Analiza KEGG wykazała również 20 istotnie wzbogaconych szlaków, w tym Ribosom, Skurcz mięśnia sercowego, Sieć immunologiczna jelit dla produkcji IgA i Odrzucenie alloprzeszczepu. Szczególnie interesujące jest wzbogacenie szlaku związanego z produkcją IgA w jelitach, co sugeruje, że odpowiedzi immunologiczne związane z błonami śluzowymi mogą przyczyniać się do modulowania skuteczności terapeutycznej mepolizumabu.

Badania pokazały, że IL-5 odgrywa istotną rolę w regulacji odpowiedzi IgA na błonach śluzowych. Wcześniejsze eksperymenty na myszach wykazały, że IL-5 wzmacnia odpowiedzi immunoglobuliny A (IgA) w płucach, a myszy pozbawione receptora IL-5 (IL-5Rα) wykazują znacznie zmniejszoną liczbę komórek produkujących IgA w miejscach efektorowych błon śluzowych, takich jak blaszka właściwa jelita i błona śluzowa nosa. Biorąc pod uwagę, że mepolizumab jest przeciwciałem monoklonalnym anty-IL-5, możliwe jest, że jego skuteczność terapeutyczna może być częściowo związana z modulacją odporności śluzówkowej związanej z IgA.

Czy wyniki badań zmienią praktykę kliniczną?

Interesujące jest, że w analizie nie wyróżniały się znacząco sygnatury genowe związane z eozynofilami i stanem zapalnym typu 2. Może to wynikać z faktu, że transkryptomy nabłonka nosowego odzwierciedlają głównie biologię wewnętrzną komórek nabłonkowych, a nie szlaki napędzane przez komórki odpornościowe, które są bardziej widoczne w tkance oskrzelowej lub krwi obwodowej. Ponadto, stosunkowo mała wielkość kohorty mogła ograniczyć moc statystyczną do wykrycia tych sygnatur.

Badanie ma pewne ograniczenia, w tym małą liczebność próby oraz fakt, że dane transkryptomiczne pochodziły z komórek nabłonka nosowego, które mogą nie w pełni odzwierciedlać biologię dolnych dróg oddechowych. Ponadto, analizowany zestaw danych miał niekonsekwencje w liczbie uczestników (27 vs 29 na podstawie statusu palenia) i brakowało szczegółowych informacji klinicznych, w tym historii leczenia, stosowania kortykosteroidów donosowych oraz przedłużonej obserwacji po trzech miesiącach, co jest krótsze niż zalecany 6-12 miesięczny okres oceny odpowiedzi na mepolizumab. Te ograniczenia, wraz z przewagą fenotypu astmy otyłościowej, budzą obawy dotyczące możliwości uogólnienia i mogą zmniejszać możliwość zastosowania wyników do szerszej populacji z ciężką astmą eozynofilową.

Niemniej jednak, wyniki sugerują, że niska podstawowa ekspresja FOS i CXCL3 w komórkach nabłonka nosowego może być związana z wczesną odpowiedzią na leczenie mepolizumabem u pacjentów z ciężką astmą eozynofilową. Wczesna identyfikacja prawdopodobnych responderów przed rozpoczęciem leczenia mogłaby ułatwić optymalizację spersonalizowanych strategii terapeutycznych, zminimalizować niepotrzebną ekspozycję na leki i zmniejszyć związane z tym koszty opieki zdrowotnej.

W przeciwieństwie do wcześniejszych badań, które koncentrowały się głównie na parametrach klinicznych, takich jak liczba eozynofilów we krwi czy stosunki cytokin, to badanie podkreśla biomarkery transkryptomiczne, które mogą dostarczyć komplementarnych informacji molekularnych na temat odpowiedzi na mepolizumab. To rozróżnienie podkreśla nowatorski charakter wyników i ich potencjalną wartość w udoskonalaniu stratyfikacji pacjentów.

Przyszłe badania powinny koncentrować się na walidacji wartości diagnostycznej i predykcyjnej FOS i CXCL3 w większych, wieloośrodkowych kohortach klinicznych, integracji sekwencjonowania pojedynczych komórek i innych technologii wysokiej rozdzielczości, oraz badaniach mechanistycznych wykorzystujących modele in vitro i in vivo. Te przyszłe wysiłki zapewnią teoretyczne podstawy i potencjalne cele molekularne wspierające rozwój bardziej precyzyjnych i zindywidualizowanych strategii leczenia astmy.

Czy te biomarkery mogą w przyszłości stać się standardem w kwalifikacji pacjentów do leczenia biologicznego? Jakie wyzwania stoją przed klinicystami w implementacji personalizowanego podejścia do terapii ciężkiej astmy eozynofilowej? Te pytania pozostają otwarte, ale obecne badania wskazują na obiecujący kierunek rozwoju medycyny precyzyjnej w leczeniu astmy.

Podsumowanie

Najnowsze badania transkryptomiczne identyfikują dwa obiecujące biomarkery predykcyjne skuteczności mepolizumabu w leczeniu ciężkiej astmy eozynofilowej. Analiza wymазów z nosa 27 pacjentów wykazała, że niska ekspresja genów FOS i CXCL3 w komórkach nabłonka nosowego jest związana z lepszą odpowiedzią na terapię przeciwciałem monoklonalnym anty-IL-5. Gen FOS koduje białko c-Fos, składnik kompleksu czynnika transkrypcyjnego AP-1 regulującego sygnalizację zapalną, podczas gdy CXCL3 jest chemokiną zaangażowaną w rekrutację neutrofilów i stan zapalny dróg oddechowych. Oba geny wykazały dobrą wartość predykcyjną z obszarem pod krzywą ROC przekraczającym 0,7. Badacze sugerują, że pacjenci z niską ekspresją tych genów mogą reprezentować fenotyp Th2-high zdominowany przez eozynofile, bardziej responsywny na anty-IL-5, podczas gdy wysoka ekspresja może wskazywać na profil zapalny zdominowany przez neutrofile, mniej odpowiadający na tę terapię. Analiza wzbogacenia zestawów genów wykazała istotne zaangażowanie procesów związanych z funkcją rzęsek, rybosomalnych oraz szlaków immunologicznych, w tym sieci immunologicznej jelit dla produkcji IgA. Dysfunkcja rzęsek może przyczyniać się do retencji śluzu, przewlekłego zapalenia i zwiększonej podatności na infekcje. Wczesna identyfikacja prawdopodobnych responderów mogłaby umożliwić optymalizację spersonalizowanych strategii terapeutycznych, zminimalizować niepotrzebną ekspozycję na leki i zmniejszyć koszty opieki zdrowotnej. Badanie ma jednak ograniczenia, w tym małą liczebność próby i fakt, że dane pochodziły z komórek nabłonka nosowego, które mogą nie w pełni odzwierciedlać biologię dolnych dróg oddechowych. Przyszłe badania powinny skupić się na walidacji wartości diagnostycznej FOS i CXCL3 w większych kohortach klinicznych oraz na badaniach mechanistycznych, aby zapewnić podstawy dla rozwoju bardziej precyzyjnych i zindywidualizowanych strategii leczenia ciężkiej astmy eozynofilowej.