Dati a livello di genoma rivelano nuovi geni per la risposta del metotrexato in un'ampia coorte di casi di artrite idiopatica giovanile | il giornale di farmacogenomica

Dati a livello di genoma rivelano nuovi geni per la risposta del metotrexato in un'ampia coorte di casi di artrite idiopatica giovanile | il giornale di farmacogenomica

Anonim

Soggetti

  • Artrite idiopatica giovanile
  • Farmacogenetica

Astratto

La risposta clinica al trattamento con metotrexato (MTX) per i bambini con artrite idiopatica giovanile (AIG) mostra una notevole eterogeneità. Attualmente, non esistono predittori affidabili per identificare i non responder: un'identificazione anticipata potrebbe portare a un trattamento mirato. Abbiamo genotipizzato 759 casi JIA dal Regno Unito, dai Paesi Bassi e dalla Repubblica ceca. Le variabili cliniche sono state misurate al basale e 6 mesi dopo l'inizio del trattamento. Nell'analisi di Fase I, i campioni sono stati analizzati per l'associazione con la risposta MTX utilizzando la regressione ordinale delle categorie ACR-pedi e la regressione lineare del cambiamento nelle variabili cliniche e identificato 31 regioni genetiche ( P <0, 001). L'analisi di fase II ha aumentato la densità SNP nelle regioni più fortemente associate, identificando 14 regioni ( P <1 × 10 −5 ): tre contengono geni di particolare interesse biologico ( ZMIZ1 , TGIF1 e CFTR). Questi dati suggeriscono un ruolo per nuovi percorsi nella risposta MTX e ulteriori indagini all'interno delle regioni associate aiuteranno a raggiungere il nostro obiettivo di prevedere la risposta a MTX in JIA.

introduzione

L'artrite idiopatica giovanile (AIG) è una condizione eterogenea con un esito variabile e un notevole carico di malattia in corso. 1 Gli studi indicano che la disabilità funzionale e le complicanze dovute alla JIA sono ancora comuni in molti adolescenti e giovani con JIA e che gli effetti dell'infiammazione precoce e incontrollata possono causare danni irreversibili alle articolazioni e ad altri tessuti. 2, 3, 4 Pertanto, migliorare i risultati a lungo termine dei bambini con AIG rimane una sfida fondamentale. Recenti studi in AIG hanno indicato che il controllo precoce dell'infiammazione articolare si correla con risultati molto migliorati, suggerendo una prima "finestra di opportunità" quando il controllo della malattia può tradursi in profondi benefici a lungo termine. 5 È noto che non tutti i bambini rispondono ugualmente bene a una data terapia. Nonostante la crescente disponibilità di nuove opzioni terapeutiche per il trattamento dell'infiammazione in AIG, i medici non hanno strumenti validati per aiutare a prevedere la probabilità di una buona risposta a un particolare farmaco. Pertanto, l'attuale strategia di trattamento consiste nell'offrire farmaci modificanti la malattia in un approccio sequenziale, con scelte tipicamente guidate più dal profilo dei costi o della sicurezza che dalle prove scientifiche.

L'agente modificante la malattia di prima linea per JIA è il metotrexato (MTX). Sebbene MTX abbia dimostrato efficacia in studi randomizzati e un buon record di sicurezza a lungo termine, la risposta a MTX mostra una notevole eterogeneità in AIG con un tasso significativo di "mancata risposta" del 35% o più dei casi. 6 Inoltre, il consenso in merito al livello di "risposta" considerato accettabile si è spostato, con l'obiettivo di un controllo completo dell'infiammazione che ora viene sostenuto. 7 Questi sviluppi combinati con la sempre crescente disponibilità di nuovi trattamenti biologici, forniscono un ulteriore imperativo per la scoperta di biomarcatori per aiutare l'identificazione dei bambini che richiedono una terapia aggressiva precoce, rispetto a quelli che possono ottenere malattie clinicamente inattive solo su MTX.

Si ritiene che la risposta al trattamento sia una caratteristica complessa che coinvolge molteplici varianti genetiche e fattori ambientali. 8 Tuttavia, ad oggi, gli studi genetici sulla risposta MTX sono stati limitati sia per la JIA che per l'artrite reumatoide (RA) e hanno utilizzato solo un approccio genico candidato, focalizzandosi in gran parte sui geni che influenzano il trasporto e il metabolismo dell'MTX, enzimi influenzati dalle vie dell'MTX e dell'adenosina, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 recentemente recensiti in rif. 17.

Dato che i meccanismi d'azione di MTX nell'AIG sono poco conosciuti, gli studi sui geni candidati potrebbero perdere percorsi chiave di importanza meccanicistica. Studi di farmacogenetica su altre malattie hanno dimostrato che geni diversi da quelli direttamente coinvolti nei percorsi dei farmaci noti hanno spesso ruoli chiave nella variazione della risposta ai farmaci. 18 Al fine di catturare in modo più completo la componente genetica, abbiamo riunito un consorzio internazionale di ricercatori (il consorzio internazionale CHARW-JIA GWAS) e abbiamo adottato un approccio a livello di genoma per studiare la risposta all'MTX in una vasta coorte di bambini con JIA.

risultati

A seguito di un rigoroso controllo di qualità, 694 casi JIA erano disponibili per l'analisi (Tabella supplementare 1A e 1B) comprendenti individui di tutti i sottotipi ILAR (Tabella 1). In totale, il 31% dei bambini non ha risposto (meno della risposta ACR-pedi30). Tra i soccorritori, classificati in base al livello più alto di risposta raggiunto, l'8, 6% dei bambini ha raggiunto la risposta ACR-pedi30, il 14, 6% ACR-pedi50 e il 45, 8% ACR-pedi70. Campioni raggruppati insieme nell'analisi PC (Figura 1 supplementare) e quindi analizzati insieme. In seguito alle fasi di controllo della qualità SNP e alla rimozione delle varianti a bassa frequenza (frequenza allelica minore <0, 05), 586 062 SNP sono stati inclusi nelle analisi di Fase I (Tabella supplementare 1). Grafici quantici-quantili e fattori di inflazione non hanno mostrato inflazione sistematica di valori P (Figura 2 aggiuntiva) e la potenza è stata stimata tra il 10 e il 100% tra le dimensioni del campione analizzato per varie dimensioni di effetto (Figura 3 supplementare).

Tabella a grandezza naturale

Nessuna delle potenziali variabili confondenti testate (genere, sottotipo ILAR-JIA, centro, età al basale del trattamento, durata del trattamento, tempo al trattamento, terapia steroidea o PC generati per identificare valori anomali etnici) sono state associate a tutte e sei le variabili individuali (dati non mostrati); pertanto per ridurre la perdita del potere di analisi non sono state apportate modifiche alle regressioni lineari o ordinali.

Nell'ipotesi che ha generato la fase I dell'analisi, utilizzando sia ACR-pedi sia le singole variabili del nucleo, 31 regioni genetiche che comprendono 75 geni vicini hanno raggiunto il nostro livello di significatività definito ( P <0, 001 in almeno due delle sette analisi), Tabella 2 e tabella supplementare 2. Ciò includeva diverse associazioni degne di nota come i geni correlati alla segnalazione TGFbeta ( ZMIZ1 : tipo MIZ dito di zinco contenente 1 , TGIF1 : fattore homeobox 1 indotto dal TGFB) e un membro della sottofamiglia di resistenza a più farmaci di le proteine ​​del trasportatore di cassette che legano l'ATP ( CFTR: regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica). Complessivamente nella fase I, la più significativa è stata una variante all'interno di un introne del canale di calcio CACNA1I (subunità alfa di tipo T di canale T di calcio dipendente dalla tensione) nell'analisi del conteggio articolare attivo (AJC) (rs136855, regione 31, coefficiente β = 2, 71, P = 9, 18 × 10 −8, vedere la tabella supplementare 2). Due regioni hanno mostrato forti evidenze con 13 SNP in ciascuna associata a P < 1 × 10 −4 attraverso diverse analisi (Regione 12, CFTR-CTTNBP2 : ParVAS, LJC, CHAQ; Regione 20, ZMIZ1: ACR-pedi, ParVAS, ESR, CHAQ LJC, AJC; Figura 1). Utilizzando le 31 regioni genetiche significative riscontrate nella fase di scoperta dell'analisi, la successiva analisi eseguita è stata quella di restringere la regione genetica di interesse.

Tabella a grandezza naturale

Image

( a ) Analisi di regressione lineare di ZMIZ1 (regione 20) per il cambiamento di VES con trattamento MTX, con il massimo successo in questa regione rs2802369 di colore viola. Risultati simili sono stati osservati per le analisi ParVAS, CHAQ e ACR-pedi di questa regione. ( b ) Analisi di regressione lineare di CFTR-CTTNBP2 (regione 12) per la valutazione globale dei genitori (ParVAS), con il massimo successo in questa regione rs757278 di colore viola. Risultati simili sono stati osservati per le analisi ACR-pedi e LJC di questa regione. Le coordinate si basano sull'assemblea NCBI36.

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La fase II dell'analisi ha comportato l'imputazione degli SNP all'interno delle 31 regioni identificate nella Fase I per perfezionare i segnali di associazione aumentando la densità SNP. Dopo l'imputazione, utilizzando la soglia di significatività di Fase II aumentata di P <1 × 10 −5 questa analisi ha identificato 14 delle 31 regioni genetiche iniziali come le più fortemente associate alla risposta a MTX (Tabella 3, Figura 4 aggiuntiva). Associazioni sovrapposte di SNP sono state rivelate per AJC e LJC in diverse regioni genetiche (regioni 16, 17, 23 e 28). In una di queste regioni (regione 23, cromosoma 11 intergenico tra ANGPTL5 - KIAA1377 ) il SNP associato in alto era lo stesso (rs11225055), e nelle altre tre regioni i SNP associati più significativi per le analisi AJC e LJC erano in altissima squilibrio del collegamento ( r 2 0, 97). In tutte e quattro le regioni che mostrano associazione con ACR-pedi (regioni 2, 12, 20 e 24), sono stati associati anche i punteggi ParVAS e / o PhysVAS.

Tabella a grandezza naturale

Le annotazioni funzionali per i SNP di Fase II più associati della Tabella 3 (più SNP in disequilibrio di collegamento elevato ( r 2 > 0, 8) con questi SNP principali) sono state assegnate usando il software Assimilator. 30 I risultati presentati nella Tabella supplementare 3 suggeriscono che le regioni identificate nella Fase II dell'analisi contengono prove di numerosi marker di regolazione ed evidenziano molti possibili meccanismi funzionali. Alcune regioni erano meno completamente coperte dagli attuali database, ad esempio la regione 14 contenente il gene CSMD1. Altri, tra cui la regione 30 contenente il gene CYTH4 (citoesina 4), hanno più prove per l'attività regolatoria, inclusi SNP multipli che mostrano prove di agire come loci di carattere quantitativo di espressione. 32

Discussione

I recenti sviluppi nei trattamenti e nella gestione dell'artrite infantile hanno portato a maggiori aspettative da parte di medici, genitori e pazienti per il controllo completo della malattia e la conseguente riduzione degli esiti avversi a lungo termine per la salute. 4, 5, 33 Il primo passo nel trattamento di JIA, in parallelo con iniezioni articolari, è tipicamente la somministrazione di MTX; tuttavia, è chiaro che una parte dei pazienti trattati con MTX non risponderà adeguatamente. Dati i recenti consigli per un trattamento aggressivo precoce, è importante che il trattamento MTX sia mirato a quei bambini che hanno maggiori probabilità di rispondere bene. 34 Aumentare la nostra comprensione dell'influenza delle varianti genetiche nella risposta MTX potrebbe aiutare i medici a scegliere le migliori opzioni di trattamento per i loro pazienti e identificare i pazienti che necessitano di trattamenti più aggressivi. La realizzazione di studi genetici su larga scala alla ricerca di varianti che contribuiscono alla risposta MTX ha un grande fascino, ma si è rivelata una sfida a causa della rarità relativa dell'AIG e della mancanza di sforzi internazionali ben coordinati. Con questo in mente, il Consorzio Internazionale GWAS CHARMS-JIA ha facilitato la raccolta di risposte accuratamente fenotipizzate ai dati dei farmaci e campioni di DNA di bambini con JIA trattati con MTX per la loro artrite, consentendo fino ad oggi la più grande analisi genetica della risposta MTX in JIA. Nella fase I dell'analisi, sono state identificate in totale 31 regioni associate alla risposta a MTX con P <0, 001. Per restringere queste regioni genetiche, sono stati imputati SNP aggiuntivi nella fase II dell'analisi, con i risultati in 14 regioni che soddisfano un limite più rigoroso di P <1 × 10 −5 . Il locus più fortemente associato era CACNA1I , che codifica per la catena alfa di un canale del calcio attivato a bassa tensione che è stato implicato nella segnalazione del calcio nei neuroni e potrebbe avere altri ruoli che devono ancora essere caratterizzati. Altri geni associati importanti includono CFTR , ZMIZ1 e TGIF1. Sebbene i geni identificati da questa analisi necessitino di essere replicati in coorti indipendenti, forniscono alcuni nuovi candidati plausibili per ulteriori indagini sulla risposta MTX.

Un'associazione di notevole interesse è il gene regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica, CFTR . Il segnale di associazione di picco per questa regione è entro l'estremità 3 del gene CTTNBP2 a valle (Figura 1b); questo è interessante in quanto è noto che l' espressione CTFR è regolata da cicli strutturali complessi che coinvolgono questa regione di CTTNBP2 . 35 CFTR, noto anche come ABCC7 , è un membro della superfamiglia del trasportatore di cassette con legame ATP, in particolare la sottofamiglia di resistenza a più farmaci. Queste proteine ​​sono note per essere importanti per il trasporto e l'eliminazione dei farmaci. 36 È interessante notare che un gene all'interno della stessa sottofamiglia, ABCC3 , noto per essere coinvolto nell'efflusso di MTX, ha recentemente dimostrato di contenere un SNP (rs4793665) associato alla risposta MTX in una coorte di 287 pazienti JIA olandesi. 10 Questa scoperta ci ha portato a rivedere in modo specifico questo gene nei nostri risultati, nonostante non soddisfi i criteri di selezione per la fase I o II. Abbiamo scoperto che rs4793665 non era direttamente genotipizzato in questo studio, né c'erano SNP all'interno di r 2 0, 8 sul chip; tuttavia, c'erano 38 SNP all'interno degli introni / esoni di ABCC3 genotipizzati, con 15 che mostravano associazione nella nostra coorte a P <0, 05 con gli esiti della risposta MTX analizzati (tranne ESR). Il più associato di questi, rs4148411 all'interno di un introne di ABCC3 , è stato trovato nell'analisi PhysVAS ( P = 7.55 × 10 −5 ) ed è in disequilibrio di basso legame con il SNP identificato da de Rotte e colleghi 10 ( r 2 = 0, 02), suggerendo che sono giustificate ulteriori approfondimenti su questo gene.

È interessante notare che il nostro studio identifica diversi geni correlati alla segnalazione di TGFbeta come associati alla risposta a MTX. ZMIZ1 è stato identificato in diversi GWAS di malattie autoimmuni. 37, 38, 39, 40 È un membro dell'inibitore proteico della famiglia STAT attivata, è noto per regolare diversi fattori di trascrizione (recettore degli androgeni, Smad3 / 4, p53) e TGFbeta / SMAD, ed è indotto dall'acido retinoico. 41 È noto che TGFbeta / SMAD e l'acido retinoico hanno ruoli importanti nell'equilibrio tra le cellule Th17 e Treg, 42 che sono note per avere un impatto diretto sulla gravità della JIA. 43 Pertanto, un possibile ruolo di questo gene in risposta al trattamento in AIG è di notevole interesse. A conferma di questa scoperta, un'altra regione associata contiene il fattore 1 indotto dal TGFbeta homeobox 1 ( TGIF1 ), noto per essere un corepressore trascrizionale attivo di SMAD2 e per modulare la downregulation del recettore aril-idrocarburo. 44, 45 Insieme, questi risultati suggeriscono che la segnalazione TGFbeta è un forte candidato biologico per un ruolo nel ridurre l'attività della malattia con il trattamento MTX. Questi dati sono di particolare interesse, in quanto sono direttamente paralleli ai nostri studi di profilazione dell'espressione genica, che hanno identificato la segnalazione TGFbeta, TGFB-2 e la proteina del dito di zinco ZEB1, che interagisce con le proteine ​​di segnalazione SMAD, essendo coinvolte nella risposta a MTX nei bambini con JIA. 14

Anche quattro regioni genetiche associate allo stato ACR-pedi hanno mostrato associazioni con ParVAS o PhysVAS. In alcuni studi di ricerca, l'utilizzo dello stato ACR-pedi può presentare difficoltà a causa della mancanza di dati osservati in coorti di osservazione a lungo termine. Questa scoperta suggerisce che i punteggi ACR-pedi, ParVAS e PhysVAS misurano la risposta MTX in modo simile, portando alla possibilità che sia ParVAS che PhysVAS possano essere utilizzati per misurare la risposta al trattamento, quando non sono disponibili dati clinici completi.

A nostra conoscenza, questo è il primo rapporto di uno studio di associazione genetica su larga scala della risposta MTX nell'artrite infiammatoria; nonostante diversi sforzi internazionali negli studi GWAS su JIA e RA nel suo insieme, non sono disponibili finora analisi su larga scala della risposta MTX, forse in parte a causa delle notevoli sfide legate alla raccolta di un numero adeguato di casi con dati di risposta dettagliati, nonché DNA. Uno studio che studia il trattamento con interferone beta nella SM (usando 53 responder e 53 non responder) ha scoperto che delle migliori associazioni la maggior parte erano in recettori del glutammato e dell'interferone, una proteina dipendente dal ciclo cellulare e attivanti della guanosina trifosfatasi e proteine ​​del dito di zinco, tutti i geni non sono noti per essere direttamente coinvolti nella via del metabolismo dei farmaci. 46 Un recente GWAS in 706 pazienti con RA trattati con tocilizumab, una terapia biologica mirata al recettore dell'interleuchina-6, ha trovato otto loci putativi associati all'efficacia di tocilizumab; tuttavia, nessuno era noto per il rischio di RA o per le vie del recettore dell'interleuchina-6. 18 Allo stesso modo, i nostri risultati suggeriscono che più geni determinano la risposta al trattamento MTX in AIG, e non solo quelli nei percorsi MTX noti. In effetti, nessuno dei geni del pathway MTX precedentemente studiato negli studi sui geni candidati sia in JIA che in RA soddisfaceva i nostri criteri di selezione per la Fase II. Ciò è probabilmente dovuto alle dimensioni ridotte del campione e alla mancanza di potenza in studi precedenti che hanno portato a false associazioni positive e potrebbe essere ulteriormente confuso dalle limitazioni di potenza del nostro studio, inclusa la disponibilità di punteggi ACR-pedi solo su un sottoinsieme della nostra coorte. Ciononostante, la mancanza di una forte associazione nei geni del pathway MTX è interessante e suggerisce che nuovi percorsi e meccanismi, finora sconosciuti, potrebbero essere importanti da perseguire per comprendere e chiarire completamente le azioni di MTX e dei geni coinvolti nel successo o fallimento del trattamento MTX. 47 Suggerisce inoltre che i modelli di previsione di efficacia MTX precedentemente sviluppati sia per RA 16 che per JIA 9 potrebbero essere ulteriormente potenziati o ulteriormente ottimizzati incorporando ulteriori varianti genetiche al di fuori dei geni del pathway MTX.

Precedenti ricerche sulla genetica della risposta MTX in AIG sono state studi piccoli, spesso sottodimensionati, che hanno adottato un approccio genico candidato incentrato sui geni nei percorsi dei farmaci MTX. Al contrario, questo studio è ampio e copre in modo completo il genoma, il primo del suo genere per JIA. Abbiamo identificato diverse regioni di interesse, tre delle quali mostrano un notevole grado di sovrapposizione funzionale con geni e percorsi implicati nella profilazione dell'espressione genica e in precedenti studi sui geni candidati. Analizzando ciascuna variabile di esito clinico individualmente, mostriamo che i loro contributi genetici alla risposta MTX possono differire, sebbene con interessanti sovrapposizioni in nuovi candidati tra cui TGIF1 , ZMIZ1 e CFTR . La replica mirata futura delle nuove entusiasmanti regioni identificate è ora necessaria per confermare questi risultati. Questo studio fornisce una base eccellente per il futuro sviluppo di modelli di rischio genetico per la previsione della risposta MTX.

Informazione supplementare

Documenti Word

  1. 1.

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appendici

Appendice 1

Studio prospettico sull'artrite infantile (CAPS)

Eileen Baildam, Nick Bishop, Lynsey Brown, Joanne Buckley, Alice Chieng, Roberto Carrasco, Joanna Cobb, Lucy Cook, Joyce Davidson, Annette Duggan, Michael Eltringham, Helen Foster, Elizabeth Friel, Mark Friswell, Janet Gardner-Medwin, Paul Gilbert, Vikki Gould, Kelly Hadfield, Kimme Hyrich, Julie Jones, Sham Lal, Mark Lay, Gabrielle Lloyd, Olivia Lloyd, Carol Lydon, Natasha Makengo, Ann McGovern, Alexandra Meijer, Nicola Mills-Wierda, Theresa Moorcroft, Vicki Price, Liang Qiao, Kay Riding, Jane Sim, Tauny Southwood, Wendy Thomson, Maureen Todd, Susan Tremble, Katharine Venter, Debbie Wade, Peter Ward, Sharon Watson, Gwen Webster, Lucy R Wedderburn, Jadranka Zelenovic.

Risposta all'artrite da infanzia a scintilla allo studio sui farmaci (CHARMS)

Katrin Buerkle, Joanna Cobb, Catherine Cotter, Angela Etheridge, Paul Gilbert, Anne Hinks, Shashi Hirani, Laura Kassoumeri, Sham Lal, Laura Melville, Halima Moncrieffe, Kathleen Mulligan, Stanton Newman, Fiona Patrick, Tauny Southwood, Wendy Thomson, Simona Ursu, Lucy R Wedderburn, Pamela Whitworth, Patricia Woo.

Società britannica di gruppo di studio sulla reumatologia pediatrica e adolescenziale (BSPAR)

Mario Abinum, A. Bell, Alan W. Craft, Esther Crawley, Joel David, Helen Foster, Janet Gardener-Medwin, Jane Griffin, A. Hall, M. Hal, Ariane L. Herrick, P. Hollingworth, Lennox Holt, Stan Jones, Gillian Pountain, Clive Ryder, Tauny Southwood, I. Stewart, Helen Venning, Lucy R. Wedderburn, Patricia Woo, Sue Wyatt.

Informazioni supplementari accompagna il documento sul sito Web del The Pharmacogenomics Journal (//www.nature.com/tpj)