Cross-platform biomarker signature of long-term survival with normal allograft function after lung transplantation

Abstract

El trasplantament pulmonar (TP) és el tractament d’elecció per a malalties respiratòries terminals. No obstant, el desenvolupament de la disfunció crònica de l’empelt pulmonar (DCEP) representa el principal factor limitant per assolir la supervivència a llarg termini després del TP. El tractament immunosupressor de per vida en pacients trasplantats d’òrgan sòlid comporta una sèrie de complicacions (nefrotoxicitat, infeccions, aparició de càncer, desordres metabòlics) que influeixen negativament en la supervivència a llarg termini. Un dels principals objectius en el trasplantament d’òrgans és aconseguir una manca de resposta immunològica del receptor en absència de teràpies immunosupressores sostingudes. En la majoria de casos, la retirada de la immunosupressió comporta el rebuig de l’empelt però un petit grup de pacients manté una bona funció a llarg termini malgrat la interrupció del tractament (tolerància operacional). Aquest estat es infreqüent i únicament s’ha en pacients trasplantats de ronyó i fetge. En altres trasplantaments d’òrgan sòlid (pulmó, cor o intestí) només s’han reportat casos anecdòtics d’aquest fenomen. Donada la falta de pacients trasplantats pulmonars amb tolerància operacional, els supervivents a llarg termini (SLT) amb bona funció de l’empelt després del TP són el grup més semblant als tolerants operacionals després del trasplantament de ronyó o fetge. La identificació de biomarcadors de tolerància operacional permetria la precisa selecció d’aquells pacients candidats a la minimització i potencial retirada del tractament immunosupressor. A més, aquests potencials biomarcadors podrien proporcionar coneixement sobre els mecanismes biològics subjacents a la tolerància i usar-se en el desenvolupament de noves teràpies tolerogèniques. S’ha observat que les firmes de tolerància en ronyó i fetge difereixen, suggerint que els mecanismes són òrgan-específics i que els potencials biomarcadors de tolerància no poden ser extrapolats al cas del pulmó. Donada l’escassetat d’estudis publicats sobre la supervivència a llarg termini amb bona funció de l’empelt després del TP, l’objectiu d’aquest tesi és analitzar el major nombre de paràmetres clínics i immunològics a través de diferents plataformes per a la identificació de potencials biomarcadors, i així proporcionar nou coneixement sobre els mecanismes biològics responsables de la supervivència a llarg termini amb bona funció de l’empelt en comparació amb pacients amb DCEP. El microbioma de les vies respiratòries altes i el complet perfil transcriptòmic i immunofenotipat en sang perifèrica van ser analitzats per avaluar les característiques dels pacients SLT. Els resultats derivats dels anàlisis bioinformàtics corresponents a l’expressió gènica i microRNAs van proporcionar noves dades respectes als mecanismes implicats en la supervivència a llarg termini. A més, es va aconseguir classificar els pacients trasplantats pulmonars amb alta precisió mitjançant perfils d’expressió gènica i d’expressió combinada amb diversos biomarcadors. Aquests descobriments han demostrat la utilitat de l’ús del perfil transcriptòmic i de les mostres de sang perifèrica per tal de discriminar als pacients SLT i amb DCEP, i per identificar els potencials mecanismes responsables de l’acceptació de l’empelt a llarg termini. En conclusió, els estudis inclosos en la present tesi proporcionen nous coneixements sobre els mecanismes subjacents a l’acceptació de l’empelt després del TP, suggerint una complexa interacció entre diferents mecanismes immunològics i proporcionant noves perspectives per a futures investigacions en la immunologia del TP.

El trasplante pulmonar (TP) es el tratamiento de elección en enfermedades respiratorias terminales. La supervivencia a corto plazo tras el mismo ha ido aumentando progresivamente debido a las mejoras en las técnicas quirúrgicas, la preservación de órganos, las terapias inmunosupresoras y el manejo perioperatorio. Sin embargo, el desarrollo de la disfunción crónica del injerto pulmonar (DCIP) representa el principal factor limitante para alcanzar la supervivencia a largo plazo tras el TP, siendo la tasa de supervivencia a diez años aproximadamente de un 34.3%. El tratamiento inmunosupresor de por vida en los pacientes trasplantados de órgano sólido conlleva una serie de complicaciones (nefrotoxicidad, infecciones, aparición de cáncer y/o desórdenes metabólicos) que influyen negativamente en su supervivencia a largo plazo. Uno de los principales objetivos en el trasplante de órganos es conseguir la falta de respuesta inmunológica del receptor frente al injerto en ausencia de terapias inmunosupresoras sostenidas. En la mayoría de los casos, la retirada de la inmunosupresión conlleva el rechazo del injerto. Sin embargo, se ha observado que un pequeño grupo de pacientes mantiene una buena función del injerto a largo plazo a pesar de la interrupción del tratamiento (tolerancia operacional). Este estado es infrecuente y únicamente se han observado casos en pacientes trasplantados renales y de hígado. En otros trasplantes de órgano sólido (pulmón, corazón o intestino) solo se han reportado casos anecdóticos de este fenómeno. Dada la falta de pacientes trasplantados pulmonares con tolerancia operacional, los supervivientes a largo plazo (SLP) con una buena función del injerto tras el TP son el grupo que más se asemeja a los tolerantes operacionales tras el trasplante de riñón o de hígado. La identificación de biomarcadores de tolerancia operacional permitiría la precisa selección de aquellos pacientes candidatos a la minimización y potencial retirada del tratamiento inmunosupresor. Además, estos potenciales biomarcadores podrían proporcionar conocimiento acerca de los mecanismos biológicos que subyacen a la tolerancia y podrían usarse en el desarrollo de nuevas terapias tolerogénicas. Se ha observado que las firmas de tolerancia en riñón e hígado difieren, sugiriendo que los mecanismos responsables de la tolerancia operacional son órgano-específicos y que los potenciales biomarcadores de tolerancia no pueden extrapolarse al caso del pulmón. Dado los escasos estudios publicados sobre la supervivencia a largo plazo con buena función del injerto tras el TP, el objetivo de esta tesis es analizar el mayor número de parámetros clínicos e inmunológicos a través de diferentes plataformas para la identificación de potenciales biomarcadores, y así, proporcionar nuevo conocimiento sobre los mecanismos biológicos responsables de la supervivencia a largo plazo con buena función del injerto en comparación con pacientes con DCIP. El microbioma de las vías respiratorias altas y el completo perfil transcriptómico e inmunofenotipado en sangre periférica fue analizado para evaluar las características de los pacientes SLP. Los resultados derivados de los análisis bioinformáticos correspondientes a la expresión génica y de microRNAs proporcionaron nuevos datos referentes a los mecanismos implicados en la supervivencia a largo plazo. Además, se consiguió clasificar a los pacientes trasplantados pulmonares con alta precisión empleándose para ello perfiles de expresión génica y de expresión combinada de varios biomarcadores. En conclusión, los estudios incluidos en la presente tesis han demostrado la utilidad del uso del perfil transcriptómico y de las muestras de sangre periférica para discriminar a los pacientes SLP y con DCIP y para identificar potenciales mecanismos responsables de la aceptación del injerto a largo plazo, proporcionando nuevas perspectivas para futuras investigaciones en la inmunología del TP.

Lung transplantation (LT) is an established treatment for end-stage respiratory diseases. Short-term survival has progressively improved due to advancements in surgical techniques, donor preservation, immunosuppressive agents and perioperative management. However, the development of chronic lung allograft dysfunction (CLAD) is the main limiting factor of long-term success after LT, with an approximate ten-year survival rate of 34.3%. The lifelong immunosuppression of solid organ transplant patients leads to severe complications, such as nephrotoxicity, infectious diseases, malignancies, and metabolic disorders, which poorly affect their long-term survival. For this reason, one of the main goals in organ transplantation is achieving an alloantigen-specific unresponsiveness state in the sustained absence of toxic immunosuppressive therapies. In most cases, immunosuppression withdrawal leads to transplant rejection. However, a small group of transplant patients maintains long-term stable graft function despite interrupted treatment (operational tolerance state). This phenomenon is infrequent and varies according to the type of allograft; excluding kidney and liver transplant fields, there are only anecdotal cases in lung, heart and intestine transplantation. Due to the lack of operationally tolerant lung transplant recipients, long-term survivors with normal allograft function (LTS) after LT are the closest group to “operational tolerance” of kidney or liver transplant patients. Identifying biomarkers of operational tolerance would serve to accurately identify candidate patients for minimization and potential withdrawal of immunosuppression. Furthermore, these potential tolerance biomarkers could provide knowledge of the underlying biological mechanism of tolerance for new tolerogenic therapies. It has been observed that tolerance fingerprints from kidney and liver transplant recipients differ, suggesting that the underlying mechanisms of operational tolerance, not fully elucidated, are organ-specific and consequently, potential renal and liver tolerance biomarkers cannot be extrapolated to lung. Since no extensive studies examining this LT state have been published, the main objective of this thesis was to screen the greatest number of clinical and immunological parameters to identify potential biomarkers across different platforms in order to provide a better understanding of the biological mechanisms underlying LTS with normal allograft function after LT in comparison with CLAD patients. The microbiome of the upper respiratory tract and the full transcriptomic expression profile and extensive cell immunophenotyping of peripheral blood samples were studied to assess the particular characteristics of LTS patients. The results derived from bioinformatics analyses of gene and miRNA expression provided a better understanding of the mechanisms involved in long-term survival. Moreover, they proved to be highly accurate in the classification of LT patients by employing gene and multi-biomarker expression profiling using different transcriptional platforms, including microarrays and RT-qPCR arrays. The findings obtained demonstrated the usefulness of global transcriptome profile and peripheral blood samples to differentiate between LTS and CLAD patients and to identify some of the potential mechanisms responsible for graft acceptance. Overall, the studies included in this thesis shed light on the biology underlying graft acceptance after LT, suggesting a complex interaction of several immunological mechanisms and opening up new perspectives for future research in LT immunology.