Biomarker für den klinischen Alltag

Gastroenterologie und Hepatologie

20. Deutsche Mukoviszidose Tagung

Freitag, 17. November 2017

PD Dr. M. Kappler, München

Interessenskonflikte

Durchführung klinische Studien

Funktion: Principal Investigator

• A Phase 3, open-label, randomized trial to evaluate the safety and efficacy of MP-376 inhalation solution (AEROQUIN™) versus Tobramycin inhalation solution (TIS) in stable cystic fibrosis

patients. EudraCT-Nr.: 2010-019634-26

• A Phase 3, Open-label, Rollover Study to Evaluate the Safety and Efficacy of Long-term Treatment With VX-661 in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 12 Years and Older With

Cystic Fibrosis, Homozygous or Heterozygous for the F508del-CFTR Mutation Vertex Study Number: VX14-661-110 VX-661 IND Number: 108,105 Ivacaftor IND Number: 74,633 EudraCT

Number: 2014-004827-29

Funktion: Subinvestigator

• An exploratory, randomized, double-blind, placebo controlled study to assess the efficacy of multiple doses of omalizumab (Xolair) in cystic fibrosis complicated by allergic

bronchopulmonary aspergillosis. EudraCT-Number: 2007-006648-23.

• A randomized, double-blind, placebo-controlled parallel group study to investigate the safety and efficacy of two doses of tiotropium bromide (2.5 μg and 5 μg) administered once daily via

the Respimat® device for 12 weeks in patients with cystic fibrosis. EudraCT-Number: 2008-001156-43.

• A Phase 3, Randomized, Double-Blind, Placebo Controlled, Parallel Group Study to Evaluate the Efficacy and Safety of VX 770 in Subjects with Cystic Fibrosis and the G551D Mutation.

EudraCT-Number:2008-007416-15.

• An Open-Label, Rollover Study to Evaluate the Lomg-Term Safety and Efficacy of VX-770 in Subjects with Cystic Fibrosis. EudraCT-Number:2009-012997-1.

• A Phase 2, Multi-centre Double-Blinded Placebo-Controlled 3 Part Study to evaluate Safety, Efficacy, Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of VX661 Monotherapy and VX-661/VX-

770 Cotherapy in Subjects with Cystic Fibrosis, Homozygous for the F508del-CFTR Mutation EudraCT-Nr.:2011-003821-93

• A Phase 3, Randomized, Double-Blind, Placebo-Controlled, Parallel-Group Study to Evaluate the Efficacy and Safety of Lumacaftor in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 12

Years and Older With Cystic Fibrosis, Homozygous for the F508del-CFTR Mutation EudraCT-Nr.: 2012-003990-24

• A Phase 3, Rollover Study to Evaluate the Safety and Efficacy of Long-term Treatment With Lumacaftor in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 12 Years and Older With Cystic

Fibrosis, Homozygous or Heterozygous for the F508del-CFTR Mutation EudraCT-Nr.: 2013-000604-41

• A Phase 3 Efficacy and Safety Study of Ataluren (PTC124®) in Patients with Nonsense Mutation Cystic Fibrosis EudraCT Number 2013-004581-34

• A Phase 3, Randomized, Double-Blind,Placebo-Controlled, Crossover Study to Evaluate the Efficacy and Safety of Ivacaftor and VX-661 in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 12

Years and Older With Cystic Fibrosis,Heterozygous for the F508del-CFTR Mutation, and a Second Allele With a CFTR Mutation Predicted to Have Residual Function Vertex Study Number:

VX14-661-108 VX-661 IND Number: 108,105 EudraCT Number: 2014-004788-18

• A Phase 3, Randomized, Double-Blind,Placebo-Controlled, Parallel-Group Study to Evaluate the Efficacy and Safety of VX-661 in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 12 Years

and Older With Cystic Fibrosis, Homozygous for the F508del-CFTR Mutation Vertex Study Number:VX14-661-106, IND Number: 108,105 EudraCT Number: 2014-004837-13

• A Phase 3, Double-Blind, Placebo-Controlled, Parallel-Group Study to Evaluate the Efficacy and Safety of Lumacaftor in Combination With Ivacaftor in Subjects Aged 6 Through 11 Years

With Cystic Fibrosis, Homozygous for the F508del-CFTR Mutation Vertex Study Number: VX14-809-109 Lumacaftor IND Number: 79,521 Ivacaftor IND Number: 74,633 EudraCT Number:

2015-000543-16

• A PHASE 3 EXTENSION STUDY OF ATALUREN (PTC124) IN PATIENTS WITH NONSENSE MUTATION CYSTIC FIBROSIS EudraCT Number 2014-005355-83

• Hydroxychloroquine in pediatric ILD START randomized controlled in parallel-group, then switch placebo to active drug, and STOP randomized controlled in parallel-group to evaluate the

efficacy and safety of hydroxychloroquine (HCQ) Short Title: HCQ in pediatric ILD EudraCT: 2013-003714-40

IRT

IRT-Bestimmung aus Filterkarten von 11 CF Patienten

Dried blood spot screening for cystic fibrosis in the newborn

Lancet 1979

1981 erstes neonatales CF

Screening

Heute erster Schritt in den

verschiedenen Algorithmen des

Neugeborenenscreenings weltweit

Fazit:

Eine schöne Karriere als intestinaler

Biomarker bei CF!

M2 Pyrovatkinase

Bestimmung der M2 Pyrovatkinase im Stuhl als Marker der Zellproliferation.

77 Proben von 36 CF Patienten und 45 Proben von 45 gesunden Kontrollen, Alter jeweils 0-10 Jahre.

Age-dependent variation of fecal calprotectin in cystic fibrosis and healthy children

Journal of Cystic Fibrosis 2017

Erhöhte Werte der M2 Pyrovatkinase

im Stuhl bei CF Patienten

Keine Altersabhängigkeit

Erhöhte Werte bereits bei Kleinkindern

Schlussfolgerung:

Gastrointestinale Manifestationen der CFTR-

Dysfunktion bestehen teilweise bereits vor

respiratorischen Symptomen und eignen sich daher als

Endpunkte in klinischen Studien.

M2 Pyrovatkinase

Ursprünglich: Marker intestinaler Tumore, im Verlauf auch für entzündliche Darmerkrankungen. Marker für Zellproliferation.

Pyrovatkinase

L Leber

R Blut

M1 Unreg.

M2 Regulierte

Slpicevar.

Targeting Tumor Metabolism for Cancer Treatment: Is

Pyrovat Dehydrogenase Kinases (PDKs) a Viable Anticancer

Target?

International Journal of Biological Sciences 2015

Glykolyse

Phosphoenolpyrovat

Pyrovat

Citratzyklus

ATP

- Warburg Effekt

Bausteine für

die Zellproliferation

Aktuelle Betrachtung

Chronische intestinale Inflammation bei Patienten mit Mukoviszidose

• In der Analyse von Darmspülung-Flüssigkeit (whole gut lavage) finden sich verschiedenste

Entzündungsmarker (Lancet 1995)

• Intestinale Biopsien sind strukturell normal (J Pediatr 1964), zeigen aber Infiltration der

Mucosa mit Entzündungszellen (Pediatr Research 2000)

• Untersuchungen mittels Kapselendoskopie zeigen makroskopische Inflammationszeichen wie

Ödem, Blutungen und Ulcera (JPGN 2010)

• Bei CF Patienten besteht intestinal ein erhöhtes Malignitätsrisiko (NEJM 1995)

CF Enteropathie

Aktuelle Betrachtung

CF Enteropathie

Motilität

Leberfunktion

Fett/Kalorien - Diät

Hyperviskosität

Dysbiose

Inflammation

Small intestine bacterial overgrowth

SIBO

Permeabilität Pankreasinsuffizienz

Malignität

Antibiotika

Intestinaler pH

Gestörte lokale Immunität

Aktuelle Betrachtung

CF Enteropathie

Motilität

Leberfunktion

Fett/Kalorien - Diät

Hyperviskosität

Dysbiose

Inflammation

Small intestine bacterial overgrowth

SIBO

Permeabilität Pankreasinsuffizienz

Malignität

Antibiotika

Intestinaler pH

Gestörte lokale Immunität

Calprotectin

Bestimmung von Calprotectin im Stuhl als Marker der Inflammation.

130 Proben von 64 CF Patienten und 114 Proben von 55 gesunden Kontrollen, Alter jeweils 0-10 Jahre.

Age-related levels of fecal M2-pyrovate kinase in children with cystic fibrosis and healthy children 0 to 10 years old

Journal of Cystic Fibrosis 2017

Bei gesunden Kontrollen zunächst höhere Werte

bis zum Alter von etwa 4 Jahren

Bei CF Patienten zunächst niedrigere Werte bis

zum Alter von etwa 4 Jahren, danach

durchgehend höher

Schlussfolgerung:

Gastrointestinale Manifestationen der CFTR-

Dysfunktion bestehen möglicherweise bereits vor

respiratorischen Symptomen und persistieren im

weiteren Verlauf.

Diagnostic utility of faecal biomarkers in patients with irritable bowel syndrome

World Journal of Gastroenterology 2014

Mögliche Biomarker

intestinaler Inflammation

1. Trigger

2. Immunantwort mit Einwanderung

von Immunzellen und Sekretion

inflammatorischer Substanzen

3. Ausbreitung der Entzündung

4. Sekretion epithelialer und

mukosaler Faktoren (z.B.

Defensine)

5. Transport der Substanzen mit

dem Stuhl

antimikrobielle Substanzen

Lactoferrin

PMN – polymorphonuclear Elastase

MPO - Myeloperoxidase

Calprotectin

Bestimmung von Calprotectin im Stuhl als Marker der Inflammation und Korrelation zu klinischen Daten.

2.434 Proben von 171 CF Patienten über insgesamt 1.686 Patientenjahre.

Fecal Calprotectin in Cystic Fibrosis and its Relation to Disease Parameters: a longitudinal Analysis for 12 years

Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition 2017

Erhöhte Werte bei 61% der CF Patienten

Keine Altersabhängigkeit

Keine klinisch bedeutsame Assoziation zu

klinischen Parametern wie FEV1, BMI;

höhere Werte bei Pankreas-insuffizienten

Patienten

Schlussfolgerungen:

„Es muss noch gezeigt werden, ob Calprotectin im Stuhl ein guter Indikator für intestinale Entzündung bei CF ist.

Zukünftige Studien sollten detaillierter untersuchen, welche Bedeutung abnormale Calprotectin-Werte haben und

ob diese durch geeignete Behandlung beeinflussbar sind.“

Calprotectin als klinischer Endpunkt

• Signifikante Reduktion von Calprotectin und HMGB-1 (ebenfalls ein Marker für neutrophile Inflammation)

• SOMAscan proteomics: Analyse von 1.322 Proteinen

• Veränderung von 9 dieser Proteine (betreffend Proteine der Verdauung, Mobilisation und Transport von

Fett, sowie der extrazellulären Matrixorganisation)

Bestimmung von Calprotectin im Stuhl als Verlaufsparameter vor und nach Beginn einer Therapie mit

Ivacaftor.

64 CF Patienten mit der Gating-Mutation G6551D vor und 6 Monate nach Therapiebeginn.

Changes in circulating proteins with ivacaftor treatment in G551D subjects

Abstract NACFC 2017

Schlussfolgerungen:

„Behandlung mit Ivacaftor war mit dem signifikanten Abfall einiger Marker intestinaler Inflammation assoziiert.

Diese Proteine könnten als Biomarker verwendet werden, um Effekte von CFTR Modulatoren zu untersuchen.“

M2 Pyrovatkinase vs Calprotectin

Vergleichende Bestimmung von M2 Pyrovatkinase im Stuhl als Marker intestinaler Zellproliferation und

Calprotectin im Stuhl als Marker intestinaler Inflammation.

33 CF Patienten und 33 gesunde Kontrollen.

Elevated fecal M2-pyruvate kinase in children with cystic fibrosis: a clue to the increased risk of intestinal

malignancy in adulthood?

Journal of Gastroenterology and Hepatology 2015

Erhöhung von M2 Pyrovatkinase und

von Calprotectin bei CF Patienten im

Vergleich zu gesunden Kontrollen

Kein Zusammenhang zwischen M2

Pyrovatkinase und Calprotectin bei CF

Patienten

Elastase

Monatliche Untersuchung der Pankrasfunktion von CF Patienten mittels Elastase Messung.

77 CF Patienten im ersten Lebensjahr zeigen erhebliche Schwankungen.

Evolution of Pancreatic Function during the First Year in Infants with Cystic Fibrosis

The Journal of Pediatrics 2013

Intestinale Inflammation – wichtig?

Chronische intestinale Inflammation an sich beeinflusst die Gesundheit des gesamten Organismus,

insbesondere auch die CF typischen Organsysteme und Komorbiditäten.

Eine Vielzahl von (systemischen) Erkrankungen wird mit intestinaler Inflammation und verändertem

intestinalem Mikrobiom assoziiert (Entzündliche Darmerkrankung, Adipositas, Allergie/Atopie, Asthma,

chronisch obstruktive Lungenerkrankungen, Diabetes und anderen).

Leber

Neue Testmethoden

Serum Collagen 4

Metalloproteinase Inhibitor (TIMP-1)

Serum Kollagen 6

Prolyl Hydroxilase

Ganz Neue Testmethoden

human cartilage glycoprotein-39 YL 40

Serum Hyaluronsäure

Elastographie (Ultraschall)

Vergleich von neuen Serummarkern und Elastographie.

128 Patienten nach Leberbiopsie als Goldstandard.

Serum Biomarkers and Transient Elastography as Predictors of

Advanced Liver Fibrosis in a United States Cohort: The Boston Children´s Hospital Experience

The Journal of Pediatrics 2013

Keine prädiktive Bedeutung von human cartilage glycoprotein-39 YL 40

Serum Hyaluronsäure zeigt Übereinstimmung mit dem Goldstandard

Lediglich die Elastographie zeigt eine brauchbare Vorhersagekraft für

Leberfibrose (Sensitivität 79%, Spezifität 83%)

Leber Gallensäuremetabolismus

Messung von 7 alpha-hydroxy-4-cholesten-3-one (C4) als Marker von Gallensäuremalabsorption.

58 Patienten mit entzündlicher Darmerkrankung.

Bile acid malabsorption assessed by 7 alpha-hydroxy-4-cholesten-3-one in pediatric inflammatory bowel disease:

Correlation to clinical and laboratory findings

Journal of Crohn´s and Colitis 2014

Erhöhte C4 Werte bei Crohn-Patienten

mit Diarrhoe im Vergleich zu Crohn-

Patienten ohne Diarrhoe

Schlussfolgerung:

Gallensäuremalabsorption ist eher

Ursache als Folge von Diarrhoe

Intestinales Mikrobiom

Longitudinale Analyse des pulmonalen und intestinalen Microbioms bei Kindern mit CF und Korrelation

zu klinischen Endpunkten.

120 Proben (66 intestinale und 54 respiratorische Proben) von 13 CF Patienten.

Associations between Gut Microbial Colonization in Early Life and Respiratory Outcomes in Cystic Fibrosis

The Joural of Pediatrics 2015

Reduzierte Diversiät des intestinalen Microbioms bei CF

Patienten

Beobachtung ist unabhängig von antibiotischer Therapie

Zusammenhang zwischen intestinalem Microbiom und

pulmonalen Exazerbationen möglich

Erhöhte Diversiät des intestinalen Microbioms nach Stillen

Heatmap. Zeile = Probe, Säule = bakterielle Genera. Häufiger = wärmere Farben.

A: Core Microbiom (intestinal und pulmonal), B: pulomonales Microbiom älterer

Patienten.

Intestinaler pH

pH Untersuchungen während des intestinalen Transits mittels Kapselendoskopie.

10 CF Patienten und 10 gesunde Kontrollen.

Intestinal pH and Gastrointestinal Transit Profiles in Cystic Fibrosis Patients Measured by Wireless Motility Capsule

Digestive Diseases and Sciences 2013

Signifikanter pH Unterschied im

Duodenum während der ersten 23

Minuten nach Magenentleerung

Intestinale Transitzeit ist bei CF

Patienten im Dünndarm deutlich

verlängert, nicht hingegen im

Dickdarm, ebenso wenig die

Magenentleerung

Bakterielle Überwucherung

Kombinierter Hydrogen/Methan Atemtest zum Nachweis bakterieller Überwucherung des Dünndarms und

parallele Bestimmung der Stuhl-Calprotectin Werte.

25 CF Patienten und 30 gesunde Kontrollen.

Small intestine bacterial overgrowth does not correspond to intestinal inflammation in cystic fibrosis

Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation 2010

Pathologischer Atemtest bei

10 von 25 CF Patienten (40%,

SIBO positiv)

Erhöhtes Calprotectin bei

21 von 25 CF Patienten (84%)

Kein Zusammenhang der beiden

Parameter bei den untersuchten

CF Patienten.

SIBO negative

N = 15

SIBO positiv

N = 10

Fec

ale

s C

alp

rote

cti

n (

mg

/l)

Malignität

Das Risiko für kolorektale Karzinome ist bei CF Patienten 5-10 -fach erhöht,

nach Organtransplantation 25-30-fach.

Aktuelle Empfehlungen der CF Foundation 2017.

Colorectal Cancer Screening

Abstract NACFC 2017

Koloskopie ab 40 Jahren alle 5 Jahre

Keine CT-Koloskopie, Sigmoidoskopie oder Stuhlteste

Frühere Koloskopie nach solider Organtransplantation (nach 2 Jahren)

München Erwachsenenzentrum: jährlich Abdomensonographie, AFP und CEA;

Koloskopie entsprechend oben

Status quo

ca. 30% der Patienten < 18 Jahre liegen unter der 15. BMI Perzentile, nur ca. 30% über der 50. Perzentile.

ca. 28% der erwachsenen Patienten haben einen BMI kleiner 19, nur ca. 23% größer 22.

Infants and children should grow normally similar to the

non-CF population

European Cystic Fibrosis Society Standards of Care: Best Practice guidelines.

A.R. Smyth et al. Journal of Cystic Fibrosis 2014 (13) 23-42

Alte Marker

Symptome

Gewicht

Größe

Blähung

Bauchschmerzen

Heißhunger

Diarrhoe

Pancreatic enzyme replacement therapy adequacy is determined clinically

European Cystic Fibrosis Society Standards of Care: Best Practice guidelines.

A.R. Smyth et al. Journal of Cystic Fibrosis 2014 (13) 23-42

Perzentile für den Body-mass-Index für das Kinder- und Jugendalter unter Heranziehung verschiedener deutscher Stichproben

Monatsschrift für Kinderheilkunde 2001

Fazit

Es gibt neue gastroenterologische Biomarker bei CF

Die Bedeutung dieser Marker ist häufig noch unklar

Studien an CF Patienten sind oft noch nicht durchgeführt oder nur an

kleinen Gruppen

Die Handlungskonsequenzen sind meist (noch) unklar

Mögliche Verwendung: Als Endpunkte in klinischen Studien

Es gibt bewährte „Biomarker“

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Microbiom

Gastroenterological Endpoints in Drug

Trials for Cystic Fibrosis

Pediatric Pulmonology 2016

Biomarker für den klinischen Alltag

Gastroenterologie und Hepatologie

20. Deutsche Mukoviszidose Tagung

Freitag, 17. November 2017

PD Dr. M. Kappler, München

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Intestinales Mikrobiom

Die Rolle des intestinalen Microbioms bei CF. Review.

The clinical significane of gut microbiota in cystic fibrosis and the potential for dietary therapies

Clinical Nutrition 2014

Science fiction

Die Fortschritte im Bereich der Proteomics bieten einen sich ständig entwickelnder Werkzeugkasten für

zukünftige CF Forschung. Review.

Protein biomarkers in cystic fibrosis research: where next?

Genome Medicine 2010

Die Kombination umfassender molekulargenetischer Untersuchungen mit Ergebnissen von ebenfalls

umfangreichen metabolischen Untersuchungen (z.B. Proteomics in verschiedenen Kompartimenten

wie Lunge und Intestinum) mit umfassenden mikrobiologischen Untersuchungen (Microbiom in

verschiedenen Kompartimenten) könnte in Zukunft die überbordenden Daten für CF Forschung,

klinische Studien und auch individuelle CF Patienten nutzbar machen.