CFTR-Funktionsanalyse zur Diagnosestellung und kausalen Therapie bei Zystischer Fibrose: ein Vergleich von Biomarkern

Abstract

Introduction: Cystic fibrosis (CF) is caused by a defect of the CF transmembrane conductance regulator (CFTR) gen. Diagnosis can be difficult if clinical relevance of rare mutations is unclear or diagnostic sweat test (ST) results are incompelling. Nasal potential difference (NPD) and intestinal current measurement (ICM) can characterize individual CFTR function for diagnostic purposes and evaluation of CFTR-modulator effects. Aims: 1. Evaluation of the diagnostic relevance of NPD/ICM biomarkers (using standard operating procedures (SOPs) of the European Cystic Fibrosis Society (ECFS)) in contrast to ST for 1.a) differentiation between CF/controls (Non-CF) and 1.b) differentiation between pancreatic insufficiency (PI-CF)/pancreatic sufficiency (PS- CF). 2. Description of the functional connection between NPD/ICM biomarkers and ST. 3. New classification of individuals in ‘natural’ groups (SOM classes) according to similarities of CFTR biomarkers. Comparison of SOM classification to the classes PI-CF/PS-CF/Non-CF. 4. External validation of Berlin ICM results. 5. Evaluation of effects of the CFTR potentiator Ivacaftor in patients with the G551D-mutation.

Methods: ST/NPD/ICM were conducted in 51 individuals (Non-CF, PS-CF, PI-CF). For external validation Berlin ICM data were compared to results of 57 individuals from two other centers. Short-, intermediate- and long-term effects and pharmacocinetics of Ivacaftor were evaluated in four G551D-patients by repeated CFTR functional analyses. Data-mining techniques delivered SOM classes.

Results: ECFS reference/cutoff values for ST, NPD and ICM were determined. ST and different NPD/ICM parameters were able to discriminate excellently between CF and Non-CF (area under the curve AUC > 0.95) and provided significant diagnostic cutoff values (ST 46.5 mmol/l; Wilschanski Score 0.5; Derichs Score 36.7 µA/cm2; Carbachol pre washout 8.3 µA/cm2; p<0.001). > 90% classification between PI-CF/PS-CF by ST/NPD/ICM was possible in multivariate (not univariate) settings (multi-layer perceptrons, SOMs). SOMs discovered five subgroups (2 non-CF, 2 PI-CF, 1 PS-CF). External ICM validation showed no significant differences between center 1 and 2 but significant differences to center 3. Higher ussing chambers gas-flow rates in center 3 caused quantitatively different but qualitatively comparable ICM values. Ivacaftor therapy in G551D patients indicated organ-specific differences: CFTR function evaluated by ST/ ICM was improved individually; changes in NPD were inconsistent.

Conclusion: ST, NPD and ICM are suitable to exclude CF. Our first external ICM validation supports a further establishment of ICM for diagnosis and therapy development. For further long-term clinical trials on CFTR modulators combined CFTR functional analyses of these biomarkers (especially ST and ICM) and their correlation to surrogate parameters seem reasonable because of organ-specific different responsivenesses.

Einführung: Der Zystischen Fibrose (CF) liegen Mutationen im Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) Gen zu Grunde, welche zur Fehlfunktion des CFTR-Chloridkanals führen. Die Diagnosestellung ist schwierig, wenn die klinische Relevanz seltener Genvarianten unklar ist oder Goldstandard-Schweißtestwerte (ST) im diagnostischen Intermediärbereich liegen. Mit nasaler Potentialdifferenzmessung (NPD) und intestinaler Kurzschlussstrommessung (ICM) kann die CFTR-Funktion zur Diagnostik und Effektevaluation von CFTR-Modulatoren individuell charakterisiert werden. Ziele: 1. Ermittlung der diagnostischen Relevanz der NPD-/ICM-Biomarker (nach Standard Operating Procedures (SOPs) der European Cystic Fibrosis Society (ECFS)) im Verleich zum Goldstandard ST 1.a) zur Differenzierung zwischen CF/Kontrollen (Non-CF). 1.b) zur Differenzierung zwischen pankreasinsuffizienten (PI-CF)/pankreassuffizienten CF-Patienten (PS-CF). 2. Beschreibung des funktionalen Zusammenhangs zwischen NPD-/ICM-Biomarkern mit dem ST. 3. Neue Klasseneinteilung der Probanden in „natürliche“ Gruppen (SOM-Klassen) nach Ähnlichkeiten bezüglich der CFTR-Biomarker. Vergleich der SOM-Klassen mit den Klassen PI-CF/PS-CF/Non-CF. 4. Externe Validierung der Berliner ICM-Ergebnisse. 5. Evaluation des Effektes des CFTR-Potentiators Ivacaftor bei vier Patienten mit der G551D-Genmutation.

Methodik: ST, NPD und ICM wurden bei 51 Berliner Probanden (Non-CF, PS-CF, PI-CF) entsprechend aktueller ECFS SOPs durchgeführt. Externe Validierung der Berliner ICM-Daten durch ICM-Messungen an zwei weiteren Zentren (57 Probanden). Kurz-, mittel- und langfristige Behandlungseffekte sowie die Pharmakokinetik von Ivacaftor wurden bei vier G551D-Patienten durch wiederholte CFTR-Funktionsanalysen bestimmt. Data-Mining Verfahren lieferten SOM-Klassen.

Ergebnisse: Organspezifische ECFS Referenz-/Cutoff-Werte wurden für ST/NPD/ICM erhoben. Mit dem ST, verschiedenen NPD- sowie ICM-Parametern konnte exzellent zwischen CF und Non-CF diskriminiert werden (area under the curve AUC > 0,95) mit folgenden signifikanten Cutoff-Werten: ST 46,5 mmol/l; Wilschanski Score 0,5; Derichs Score 36,7 µA/cm2; Carbachol pre Washout 8,3 µA/cm2; p<0,001. Eine >90%-ige Klassifikation zwischen PI-CF und PS-CF war mit ST/NPD/ICM nur multivariat (nicht univariat) möglich (Mulilayer-Perceptron, SOMs, logistische Regression, CART). SOMs zerlegten die Probanden in fünf jeweils homogene Untergruppen (2 Non-CF, 2 PI-CF, 1 PS-CF). Die externe ICM-Validierung zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen Zentrum 1 und 2, allerdings hochsignifikante Unterschiede zu Zentrum 3. Eine schnellere Ussingkammer-Gasflussgeschwindigkeit in Zentrum 3 führte zu quantitativ höheren, qualitativ aber vergleichbaren Isc-Werten. Erste Behandlungsversuche mit Ivacaftor bei G551D-Patienten deuteten auf organspezifische Veränderungen hin: mit ST/ICM verbesserte sich die CFTR-Funktion im Verlauf individuell; die NPD-Veränderungen waren inkonsistent.

Schlussfolgerung: ST, NPD und ICM sind sehr gut zum Ausschluss von CF geeignet. Die erste externe ICM-Validierung unterstützt die weitere Etablierung des Biomarkers in der Diagnostik und Therapieentwicklung. Für zukünftige klinische Langzeitstudien zu CFTR-Modulatoren erscheint die kombinierte CFTR-Funktionsanalyse der Biomarker (besonders ST und ICM) und Korrelation dieser Biomarker mit Surrogatparametern auf Grund organspezifisch unterschiedlicher Ansprechbarkeiten sinnvoll.