Астма: от фенотип към ендотип

Фенотип: видими структурни и функционални характеристики на един организъм, детерминирани от неговия генотип и модулирани от околната среда¹.

- фенотип

-     – клинични характеристики

-    -    - някои стабилни, други не

-    -    -    - тригери

-    -    -    -    - патофизиология

-    -    -    -    -    - биологични механизми

-    -    -    -    -    -    - омикс

-    -    -    -    -    -    -    - eндотип

Ендотип: субтип на заболяването, дефиниран функционално и патофизиологично чрез молекулярни механизми или чрез отговора към терапията².

За първи път понятието астма ендотип е предложено от Anderson през 2008 г². Моделът на астма ендотипа е представен на Фиг.1. С отделен цвят са показани  процесите, които играят роля за изява на заболяването (BMI, хранене, интраутеринно развитие; белодробна функция; резолюция и възстановяване; възпаление; имунни ефекторни пътища; имунна супресия и толеранс; екзацербации, тютюнев дим и околна среда; перцепция на диспнеята). Зад всеки процес (цвят) стоят кандидат гени (>100 гени са идентифицирани). В този модел симптомите на астмата почти винаги нарастват при взаимодействието на увредената белодробна функция (FEV1), бронхиалната хиперреактивност (AHR), гладката мускулатура на дихателните пътища (ASM) и процесите на ремоделиране/възпаление. За изява на симптомите от значение е и перцепцията. BMI, храненето, интраутеринното развитие са модифициращи процеси. Екзацербациите (AEA), цигареният дим и факторите на околната среда въздействуват на възпалението/ремоделирането и белодробната функция. Придобитият и вроденият имунитет са тясно свързани с имунния толеранс (Treg) и Th17 имунната активация. Дефектното излекуване се представя с процесите на резолюция и възстановяване. Тези процеси повлияват възпалението/ремоделирането, а също така и имунитета. Имунитетът заедно с тютюневия дим, факторите на околната среда и екзацербациите взаимодействуват с възпалението/ремоделирането.

Фиг.1 . Модел на астма eндотип².

Бронхиалната астма е хетерогенно заболяване, съставено от отделни синдроми с вероятно различни подлежащи механизми^3-6. Налице е необходимост да се идентифицират тези групи от пациенти (астма фенотипи), чиито клинични характеристики, прогнози и отговор към терапията са хетерогенни между отделните фенотипи и хомогенни вътре във всеки фенотип³.

Древните гърци считат, че симптомите на астма се причиняват от сърдечно или бронхиално заболяване, и въвеждат термините кардиална астма и бронхиална астма. Терминът “кардиална астма” е заменен по-късно с физиологичните и  патологични дефиниции за лява сърдечна недостатъчност и белодробен оток. При “бронхиалната астма” дефинициите се фокусират върху физиологични измервания и клинични белези (астма при усилие, тежка астма, нощна астма, професионална астма и т.н.)⁷. Съществуват редица сходства между термините „астма” и „артрити”. Тези термини са неспецифични и дефинират заболяването на база  „подуване на стави” или „обратима бронхиална обструкция”. Почти няма яснота каква е първопричината⁵. В последствие ревматологичната общност дефинира артритите като остеоартрит, ревматоиден артрит и др. Всеки един от тези артрити днес се идентифицира като различно заболяване с различни биомаркери и отговор към терапията. Субгрупите на бронхиалната астма и тяхното лечение са дефинирани в много по-малка степен⁵.

Преди повече от 70 години Rackeman идентифицира intrinsic и extrinsic астма въз основа на компонентите начало на заболяването (години) и присъствие или отсъствие на (extrinsic) тригери от околната среда⁸. Преди повече от 50 години Brown установява отговора към системни кортикостероиди при еозинофилна субгрупа на бронхиалната астма⁹. В последствие се оформя класическата парадигма за атопична/ extrinsic и неатопична/ intrinsic астма. Атопичната астма започва след експозиция на алергени, последвано от прогресивно алергично възпаление, бронхиална хиперреактивност и симптоми, свързани с дихателните пътища. Астмата дебютира често по време на детството, има фамилна анамнеза за астма и е налице отговор към терапия срещу Th-2 медиирано възпаление. Обратно, неатопичната астма стартира при възрастни без фамилна анамнеза. Тя се асоциира с по-тежки симптоми, назални полипи и персистираща обструкция¹⁰. Въпреки че класическата парадигма атопична/неатопична астма (подкрепена от голям брой научни доказателства) изглежда като стройно изградена система, се оказа, че тя е приложима само за част от болните с астма. В последните години усилията на научната общност са насочени от фенотипизиране на базата на клиничните характеристики към ендотипизиране, което разкрива връзката между патофизиологичния механизъм и субтипа астма¹¹.

Трите най-важни направления при прехода от фенотип към ендотип според Wenzel са⁵:

1. Дефиниране на фенотипите на астма посредством статистически методи (кластер анализ). Кластерният анализ е съвкупност от методи за дефиниране на групи от индивиди въз основа на измерими характеристики, така че те да се групират на базата на разликите (или приликите) им в отделни кластери. Индивидите в един кластер демонстрират силни връзки помежду си и слаби връзки с индивидите от другите кластери¹². С помощта на този статистически анализ след 2008 г. от характеристиките на астмата (начало на заболяването/год., атопия, фиксирана бронхиална обструкция, нощни симптоми, неутрофилия, чести екзацербации, синузити, периментриални симптоми) са изведени следните фенотипи^{5, 12-14}:

• Ранно начало – атопична/алергична астма
• Късно начало – еозинофилна астма
• Астма, индуцирана от физическо усилие
• Аспирин – сенситивна астма
• Късно начало, затлъстяване

2. Omics подход. Omics е сборно понятие, което включва направления в биологията, които завършват на -omics, като genomics, proteomics и metabolomics. Omics изучава гените, протеините и метаболитите.

През 2009 Woodruff et al.идентифицират „молекулярните фенотипи на астмата. С помощта на кластерен анализ на нивата на експресия на periostin, Septrin B2 и CLCA1 в епителни клетки при болни с астма авторите установяват два субтипа на астмата Th2-High и Th2 Low¹⁵. Th2-High астмата се характеризира с еозинофилно възпаление, експресия на Th2 цитокини и задебеляване на субепителиалната базална мембрана, докато при Th2 Low астмата липсва еозинофилия и субепителиална фиброза. Освен това Th2-High астмата отговаря на лечение с инхалаторни кортикостероиди, а Th2 Low астмата не отговаря.

3. Таргетни биологични терапии и по-специално разбирането, че имунните терапии са по-ефективни при определени биологични характеристики, а не при всички пациенти с астма. Например Mepolizumab (anti-IL-5 моноклонално антитяло) не демонстрира успех при пациенти с лека до умерено тежка астма. Приложен обаче при болни с тежка астма с персистираща еозинофилна експресия, Mepolizumab намалява еозинофилите в дихателните пътища и кръвта и може да редуцира екзацербациите¹⁰.

Приемайки концепцията за фенотипи и ендотипи, Европейската академия за алергия и клинична имунология и Американската академия за алергия, астма и имунология (PRACTICALL консенсус) предложиха синдромът астма да бъде разделен на 6 астма ендотипа, представляващи различни заболявания със специфични механизми¹⁶:

1. Астма, причинена от чувствителност към пеницилин:

• Клинична характеристика: полипоза, често по-тежка астма.
• Биомаркери: често еозинофилите са увеличени, увеличени левкотриени в урината.
• Белодробна физиология: отговор към провокация с аспирин.
• Генетика: Левкотриен свързан ген полиморфизъм.
• Хистопатология: често еозинофилна.
• Епидемиология: късно начало, тежко заболяване, лоша прогноза, преобладаване 2-5%.
• Отговор към терапията: към антилевкотриени и по-специално към 5-LO инхибитори.
• Предполагаеми механизми: вероятно ейкосаноид свързан.

2. Алергична бронхопулмонална мукоза

• Клинична характеристика: тежка, мукозна продукция, при възрастни/с голяма продължителност.
• Биомаркери: еозинофилия в периферна кръв, подчертано увеличени IgE и специфични IgE.
• Белодробна физиология: по-малко реверзибилна/фиксирана бронхообструкция.
• Генетика: HLA и рядко CF варианти.
• Хистопатология: бронхиектазии, еозинофили и гранулоцити, бронхоцентрична грануломатоза.
• Епидемиология: голяма продължителност/късно начало/лоша прогноза.
• Отговор към терапията: глюкокортикоиди, противогъбични препарати, възможно omalizumab.
• Предполагаеми механизми: колонизация на дихателните пътища.

3. Алергична астма (възрастни)

• Клинична характеристика: алерген асоциирани симптоми/алергични ринити.
• Биомаркери: позитивни кожно-алергични тестове, увеличена фракция на издишания азотен окис (FeNO).
• Белодробна физиология: специфичен алергичен бронхоспазъм.
• Генетика: Th2 единични нуклеотидни полиморфизми.
• Хистопатология: еозинофили, задебеляване на субепителиалната базална мембрана.
• Епидемиология: начало в детството, анамнеза за екзема.
• Отговор към терапията: глюкокортикоиди и omalizumab, възможна инхибиция на IL-4/13.
• Предполагаеми механизми: преобладаващ Th-2.

4. Деца в предучилищна възраст с хриптене и позитивни предиктивни показатели за астма.

• Клинична характеристика: >3 епизода годишно, 1 голям и 2 малки критерия.
• Биомаркери: > 4% еозинофили в кръвта, аероалерген специфични IgE.
• Белодробна физиология: потенциално увеличен риск за загуба на белодробна функция.
• Генетика: неизвестна.
• Хистопатология: неизвестна.
• Епидемиология: майка или баща с астма.
• Отговор към терапията: добър към инхалаторни кортикостероиди.
• Предполагаеми механизми: преобладаващ Th-2.

5. Тежка, късно начало, хипереозинофилна астма

• Клинична характеристика: тежки екзацербации, късно начало.
• Биомаркери: еозинофилия в периферна кръв.
• Белодробна физиология: бронходилататор-резистентна, епизодичен спад на белодробната функция, стероид-чувствителна.
• Генетика: няма данни.
• Хистопатология:       висока еозинофилия в периферната кръв и еозинофили в тъканите.
• Епидемиология: приблизително 20% от тежката астма.
• Отговор към терапията: глюкокортикоид-чувствителна, често зависима от орални стероиди, отговор към анти –IL-5.
• Предполагаеми механизми: неатопична, неизвестни механизми.

6. Астма при ски бегачи

• Клинична характеристика: лека до умерена по тежест, симптомите обикновено са свързани с физическо натоварване, инфекции на горни дихателни пътища.
• Биомаркери: нормална фракция на издишания азотен окис (FeNO), нормален брой на еозинофилите в кръвта, увеличен LTE4 в урината.
• Белодробна физиология: позитивен тест с метахолин и/или физическо натоварване, обикновено негативен тест с манитол или аденозин монофосфат.
• Генетика: неизвестна
• Хистопатология: задебеляване на субепителиалната базална мембрана с нискостепенно нееозинофилно възпаление, увеличени неутрофили в спутум, асоциирани с интензивността и продължителността на тренировките, бронх-асоциирана лимфоидна тъкан (BALT) в мукозата на дихателните пътища.
• Епидемиология: 15% до 25% от елитните ски бегачи, широко разпространение сред трениращите в студена и суха околна среда.
• Отговор към терапията: слаб отговор към инхалаторни кортикостероиди, подобрява се при намаляване интензивността на тренировките.
• Предполагаеми механизми: студеният сух въздух предизвиква стрес на дихателните пътища, суб­клинични вирусни инфекции.

Wenzel предлага друга класификация на ендотипите на астма (Фиг. 2)^{11, 17}:

Фиг. 2. Настояща концепция за възможната прогресия от характеристики към потенциални фенотипи и към потенциални ендотипи¹⁷.

I. Th2 астма

1. Ранно начало, алергична астма

• Клинична характеристика: ранно начало, лека до тежка.
• Физиологична характеристика: алергични симптоми и други заболявания.
• Биомаркери: специфични IgE, Th2 цитокини (IL-4/IL-13), задебелена базална мембрана.
• Генетика: 17q12, Th2 свързани гени
• Отговор към терапията: кортикостероид чувствителна, Th2 таргетирана терапия.

2. Късно начало, еозинофилна астма

• Клинична характеристика: късно начало, често тежка.
• Физиологична характеристика: по-малко алергична.
• Биомаркери: кортикостероид-резистентна еозинофилия, IL-5.
• Отговор към терапията: чувствителна към антитела срещу IL-5 и цистеинил левкотриенови модификатори, кортикостероид резистентна.

3. Астма, индуцирана от физическо натоварване

• Физиологична характеристика: лека, интермитентна при физическо натоварване.
• Биомаркери: активирани мастни клетки, Th-2 цитокини (IL-9), цистеинил левкотриени.
• Отговор към терапията: чувствителна към цистеинил левкотриенови модификатори, бета агонисти и антитeла срещу IL-9.

II. Не-Th2 астма

1. Астма при затлъстяване

• Клинична характеристика: късно начало.
• Физиологична характеристика: предимно при жени, много симптоми, бронхиалната хиперреактивност е по-малко изразена, ниско FEV1, увеличен блокиран газ, (air trapping).
• Биомаркери: Липса на Тh2 биомаркери, оксидативен стрес ADMA.
• Отговор към терапията: чувствителна към отслабване, антиоксиданти и възможен отговор към хормонална терапия.

2. Неутрофилна астма

• Физиологична характеристика: ниско FEV1, повече блокиран газ, (air trapping).
• Биомаркери: неутрофилия в спутум, Th17 маркери, IL-8.
• Отговор към терапията: възможен отговор към макролидни антибиотици.

3. Астма при пушачи

• Клинична характеристика: пасивно или активно тютюнопушене.
• Физиологична характеристика: намаляващо FEV1, резистентна към стероиди.
• Биомаркери: намалено FeNO.
• Отговор към терапията: възможен отговор при спиране на тютюнопушенето.

В обобщен вид ендотипите, предложени от PRACTICAL, са:

• Астма, причинена от чувствителност към пе­ницилин
• Алергична бронхопулмонална мукоза
• Алергична астма (възрастни)
• Деца в предучилищна възраст с хриптене и позитивни предиктивни показатели за астма.
• Тежка, късно начало, хипереозинофилна астма
• Астма при ски бегачи

В обобщен вид ендотипите, предложени от Wenzel, са:

• Ранно начало, алергична астма
• Късно начало, еозинофилна астма
• Астма, индуцирана от физическо натоварване
• Астма при затлъстяване
• Неутрофилна астма
• Астма при пушачи

Клиничната анамнеза трябва да включва начало на астмата (възраст), тежест, предходен отговор към терапията, влошаване на астмата от НПВС, предходна и настояща анамнеза за атопични дерматити, алергия към храни, алергични ринити, хронични ринусинузити и ГЕРБ¹⁸.

Диагностичните тестове трябва да включват спирометрия преди и след инхалаторен бронходилататор, кожни или кръвни тестове за специфични IgE към най-честите регионални алергени, брой еозинофили в периферната кръв и серумни нива на витамин D (ниските стойности увеличават риска за алергии и астма). Ако еозинофилите в периферна кръв са над 3%, е много вероятно пациентът да има еозинофилна (Th2) астма. При липса на еозинофилия определяне на нивото на фракцията на издишания NO е много полезно. Стойности, по-високи от 25 ppb, в голяма степен индицират Th2 тип астма. Определянето на нивата на NO не е широко достъпна методика, но се счита, че в бъдеще тя ще придобие широко разпространение. Друга възможност за субтипизиране е определяне броя на еозинофилите в спутум. Тази методика обаче е приоритет на специализираните лаборатории¹⁸.

Отговорът към лечението се определя от субтипа на астмата (Th2 или не-Th2). Еозинофилията в периферна кръв и увеличените стойности на издишания NO предсказват добър отговор към кортикостероиди. При бол­ни с тежка астма, които са на терапия с ICS или ICS/LABA, трябва да се провери къмплайънса към лечението. Ако пациентът приема редовно назначената терапия и има адекватна инхалаторна техника, е необходимо да се обсъди кортикостероидна резистентност. Ако такава е налице, е необходимо да се прилагат максимални дози ICS/LABA, левкотриенови модификатори и omalizumab (при наличие на алергични тригери). Лечението на не-Th2 астмата е голямо предизвикателство. При наличие на неутрофили в спутум може да се прибегне към терапия с макролиди, а при пациенти със затлъстяване – агресивни мерки за отслабване¹⁸.

Поради хетерогенността на отговора към терапията при астма в следващите години е необходимо да бъдат идентифицирани маркерите, чрез които ще се оцени ефекта от специфичната терапия. Това ще подобри ефективността на лечението при индивидуалния пациент. Hanania et al.изследват потенциала на три биомаркера на Th-2 възпалението (фракцията на издишания NO (FеNO), еозинофилите в периферната кръв и серумния периостин) да служат като предиктори на лечебните ефекти на omalisumab при пациенти с тежка алергична астма¹⁹. Авторите установяват по-добър терапевтичен ефект (процентно намаление на честотата на екзацербациите) и при трите субгрупи с високо базисно ниво на биомаркерите (FеNO ≥ 19.5 ppb, Eo ≥ 260 µL, Periostin ≥ 50 ng/mL) в сравнение със съответните три групи с ниско базисно ниво на биомаркерите (FеNO < 19.5 ppb, Eo < 260 µL, Periostin < 50 ng/mL) (Фиг. 3). Следователно налице е предварителна информация, че съществуват биомаркери, които могат да идентифицират пациентите, които ще имат полза от omalizumab по отношение предотвратяване на екзацербациите.

Фиг. 3. Среден процент на редукция на астма екзацербациите при субгрупите с ниско и високо ниво на биомаркерите (фракция на издишания NO (FENO), еозинофилите в периферната кръв и серумния периостин)¹⁹.

Проучени са и редица други предиктори на терапевтичния отговор при Th2 астмата (Таблица 1)²⁰.

Таблица 1. Предиктори на отговори  към Th-2 таргетирана терапия

Посредством данните, получени от кластерния анализ, оmics подходите и таргетната терапия, се дефинираха основните фенотипи и в някаква степен основните ендотипи на бронхиалната астма. В следващите години ще се придвижваме все повече от фенотип към ендотип. Вероятно ще се идентифицират редица различни заболявания, които днес са скрити под „чадъра” астма (Фиг. 4)¹¹.

Фиг. 4. Потенциални ендотипи на астма¹¹

Дефинирането на астма ендотипите ще създаде възможност за индивидуален подход при лечението на пациентите с астма. Преходът от фенотипизиране към ендотипизиране вероятно ще доведе до промяна в разбирането ни за бронхиалната астма: от хетерогенно заболяване съставено от отделни синдроми към клиничен синдром съставен от различни заболявания.

Литература:

1. Rice JP, Sacconne NL, Rasmussen E. Definition of the Phenotype. Adv Genet 2001;42:69-76.
2. Anderson GP. Endotyping asthma: new insights into key pathogenic mechanisms in a complex, heterogeneous disease. Lancet 2008:372:1107-1119.
3. Siroux V AND Garcia-Aymerich J. The investigation of asthma phenotypes. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2011:11;393-399.
4. Yoo Y. Phenotypes and endotypes of severe asthma in children. Korean J Pediatr 2013:56;191-195.
5. Wenzel SA. Complex phenotypes in asthma: Current definitions. Pulmonary Pharmacology&Therapeutics 2013, htpp://dx.doi.org/10.1016/j.pupt.2013.07.03.
6. Campo P, Rodriquez F, Sanchez-Garcia S et al Phenotypes and endotypes of uncontrolled severe asthma: new treatments. J investing Allergol Clin Immunol 2013;23:76-88.
7. O’Donell RA and Frew AJ. Is there more than one inflammatory phenotype in asthma? Thorax 2002;57:566-568.
8. Rackeman FA. A working classification of asthma. Am J Med 1947;33:601.
9. Brown HM. Treatment of chronic asthma with prednisone; significance of eosinophils in the sputum. Lancet 1958;2:1245-7.
10. Lin TY, Poon AH and Hamid Q. Astma phenotypes and endotypes. Curr Opin Pulm Med 2013:19;18-23
11. Xie M and Wenzel SE. A global perspective in asthma: from phenotype to endotype. Clin Med J 2014:126;166-175.
12. Weatherall M. Travers J, Shirtcliffe PM et al. Distinct clinical phenotypes of airways disease defined by cluster analysis. Eur Respir J 2009;34:812-818.
13. Haldar P, Pavord ID, Shaw DE et al. Cluster analysis and clinical asthma phenotypes. Am J Respir Crit Care Med 2008;178:218-224.
14. Moore WC et al. Identification of asthma phenotypes using cluster analysis in the Severe Asthma Research Program. Am J Respir Crit Care Med 2010;181:315-323.
15. Woodruff  PG, Modfec B, Choy DE et al. T-helper type 2-driven inflammation   defines major subphenotypes of asthma. AJRCCM 2009; 180: 388-95.
16. Lotvall J, Cezmi AA, Bacharier LB et al. Asthma endotypes: A new approach to classification of disease entities within asthma syndrome. J Allergy Clin Immunol 2011;127:355-360.
17. Wenzel S. Severe asthma: from characteristics to phenotypes to endotypes. Clinical et experimental allergy 2012:42:650-658.
18. Corren J. Asthma phenotypes and endotypes: an evolving paradigim for classifications. Discov Med 2013;15:243-249.
19. Hanania NA, Wenzel S, Rosen K et al. Exploring the effects of omalizumab in allergic asthma. An analysis of biomarkers in the EXTRA study. Am J Respir Crit Care Med 2013;187:804-811.
20. Agache IO. From phenotypes to endotypes to asthma treatment. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2013:13;249-256.