Unified modeling of familial mediterranean fever and cryopyrin associated periodic syndromes

Familial mediterranean fever (FMF) and Cryopyrin associated periodic syndromes (CAPS) are two prototypical hereditary autoinflammatory diseases, characterized by recurrent episodes of fever and inflammation as a result of mutations in MEFV and NLRP3 genes encoding Pyrin and Cryopyrin proteins, respectively. Pyrin and Cryopyrin play key roles in the multiprotein inflammasome complex assembly, which regulates activity of an enzyme, Caspase 1, and its target cytokine, IL-1 beta. Overproduction of IL-1 beta by Caspase 1 is the main cause of episodic fever and inflammatory findings in FMF and CAPS. We present a unifying dynamical model for FMF and CAPS in the form of coupled nonlinear ordinary differential equations. The model is composed of two subsystems, which capture the interactions and dynamics of the key molecular players and the insults on the immune system. One of the subsystems, which contains a coupled positive-negative feedback motif, captures the dynamics of inflammation formation and regulation. We perform a comprehensive bifurcation analysis of the model and show that it exhibits three modes, capturing the Healthy, FMF, and CAPS cases. The mutations in Pyrin and Cryopyrin are reflected in the values of three parameters in the model. We present extensive simulation results for the model that match clinical observations

Effektivität von Canakinumab im klinischen Alltag bei Patienten mit Cryopyrin-assoziiertem periodischem Syndrom (CAPS)

Das Cryopyrin-assozierte periodische Syndrom (CAPS) ist eine autoinflammatorische Erkrankung. Die Ursache ist eine pathogene Mutation im NLRP3-Gen, die zu einer übermäßigen Ausschüttung von IL-1β führt. Klinisch führt dies zu einem Krankheitsspektrum von milden Phänotypen bis hin zu schweren Ausprägungen: das FCAS, das Muckle-Wells-Syndrom und die schwerste Form das NOMID/CINCA. Die Klinik zeichnet sich durch eine generelle Entzündungsaktivität mit Symptomen wie Fieber, Ausschlag, Schwerhörigkeit, Amyloidose, Arthropathie und Entzündung des ZNS aus. Seit einigen Jahren ist mit Canakinumab eine gezielte und wirksame Therapie verfügbar und zugelassen. Die Ziele dieser Studie war es, die Behandlung mit Canakinumab und das Ansprechen darauf im klinischen Alltag zu beobachten. Außerdem sollte herausgefunden werden, welche Faktoren die Effektivität von Canakinumab beeinflussen und wie sicher die Anwendung ist. Es wurde eine retrospektive, nationale Studie an verschiedenen Behandlungszentren durchgeführt. Patienten, die mindestens zwei Dosen Canakinumab erhielten, wurden in die Studie eingeschlossen. Es wurden Daten zu Demographie, Behandlung, Entzündungsparameter (u.a. SAA, CRP, S100, etc.), sowie zur klinischen Aktivität erhoben. Die Remission auf die Behandlung mit Canakinumab wurde mit Hilfe der Krankheitsaktivität, CRP und/oder SAA- Werten bestimmt. In dieser Studie wurden 68 Patienten untersucht. Von diesen waren 27 Kinder und 41 Erwachsene, mit einem medianen Alter von 25 Jahren und einem Follow-up-Median von 28 Monaten. Sowohl die Krankheitsaktivität, als auch CRP und SAA zeigten einen deutlichen Rückgang nach Therapiebeginn. Insgesamt 72 % der Patienten sprachen auf die Therapie an. Schwere Phänotypen und Kinder sprachen dabei schlechter an bzw. benötigten höhere Dosierungen. Im Vergleich der beiden größten Behandlungszentren konnten bei höherer Dosierung zusätzliche Patienten komplette Remission erreichen. Es konnte unabhängig von der Höhe der Dosis ein positives Nebenwirkungsprofil festgestellt werden. Die Konzentration auf die Anwendung im klinischen Alltag brachte auch Nachteile mit. So mussten sehr unterschiedliche Dokumentationswege für Klinik, Labor und Therapie vereinheitlicht werden. Durch die Retrospektivität und Behandlung im Alltag war keine vollständige Kontrolle der Rahmenbedingungen möglich. Diese Studie untersucht jedoch mit 68 Patienten die bisher größte Kohorte über einen längeren Zeitraum. Durch den Vergleich der unterschiedlichen Behandlungszentren ergeben sich „quasi“-Kontrollgruppen. Auch wenn dies in Zukunft noch weiter untersucht werden sollte, lässt sich aus dem Ergebnissen schließen, dass höhere Dosierungen von Canakinumab ohne großes Risiko weiterer Nebenwirkungen zu zusätzlichen Remissionen führen. Hierdurch kann die Lebensqualität der Patienten verbessert und das Risiko von Spätfolgen gesenkt werden. Die Ergebnisse aus dieser Studie zeigen, dass Ärzte die CAPS-Patienten behandeln, bei klinischer Notwendigkeit mehr Dosisanpassungen nach einem „Treat-to-target“-Vorgehen durchführen sollten. Sowohl die Effektivität, als auch die Sicherheit von Canakinumab lassen diese Empfehlung nach aktuellem Wissensstand zu

Mapping complex and monogenetic disorders:methods and applications

Steeds meer kennis komt beschikbaar over de invloed van onze genetische kenmerken op het ontstaan van ziekten. Sommige ziekten worden veroorzaakt door één enkel gen (monogene ziekten), andere door een veelheid aan genen. Bij veel ziekten spelen naast genetische eigenschappen ook omgevingsfactoren een rol. Agata Szperl onderzocht welke mogelijkheden nieuwe genetische analysetechnieken bieden bij het ontrafelen van de oorzaken van ziekten. In haar proefschrift presenteert Szperl een breed scala aan technieken die vaak gebruikt worden in het huidige medisch genetisch onderzoek naar genen en mutaties die betrokken zijn bij het ontstaan van verschillende ziekten. Ze bestudeert zowel monogene als complexe ziekten, waarbij zij zich baseert op genetisch materiaal van zowel afzonderlijke families als de algemene bevolking. Door het gebruik van de positionele-kandidaat gen methode, etnische fine-mapping en genoomwijde sequencing identificeerde Szperl de genetische mutaties die ten grondslag liggen aan een aantal ziekten, of wist zij de chromosomale regio waarin het verantwoordelijke gen ligt te versmallen. Szperl gaat uitvoerig in op “next generation sequencing”, een nieuwe techniek die kan worden gebruikt om de meeste monogene en sommige complexe aandoeningen nu en in de toekomst te verklaren

Developing Caspase-1 Biosensors to Monitor Inflammation in Vitro and in Vivo

Inflammation is central to the pathogenesis of numerous human diseases. in many contexts, inflammation drives immune responses which are critical to protection against many pathogens. However, uncontrolled inflammation can drive the pathology of numerous diseases, including neurodegenerative diseases, intestinal disorders, cancer, and autoimmune diseases. a primary mediator of inflammation is the inflammasome complex, which drives the release of inflammatory mediators through caspase-1 activation. Our goal was to develop a tool that would allow us to monitor caspase-1 activation in vitro and ultimately in vivo. to this end, we employed a circularly permuted form of luciferase in which the N- and C-terminal domains necessary for bioluminescence are physically separated by a linker region. Caspase-1 target sequences were cloned into this linker region, so that upon caspase-1 activation, these sequences are cleaved allowing the two domains of luciferase to come together and luminescence can be quantified. in pilot experiments, we identified putative sensors that exhibited a significant increase in bioluminescence following caspase-1 activation in vitro. We generated transgenic mice expressing our top biosensor and identified lines that exhibited biosensor expression in all tissues. to determine if the caspase-1 reporter was functioning in vivo, mice were challenged with various inflammatory stimuli and bioluminescence was quantified in living animals and tissues ex vivo. We were able to monitor the spatiotemporal dynamics of caspase-1 activation and onset of inflammation in individual animals in the context of a systemic bacterial infection, colitis, and acute graft-versus-host disease. Our results suggest that caspase-1 biosensors may serve as an outstanding tool to monitor and quantify inflammation in living animals

The interleukin 1 gene family in systemic juvenile idiopathic arthritis

Patients with systemic Juvenile Idiopathic Arthritis (sJIA) have elevated serum levels of inflammatory cytokines. Treatment with interleukin-1 (IL-1) receptor antagonist (Anakinra) shows remarkable improvement in some sJIA patients. The hypothesis of this thesis is that genetic variations in IL-1 family genes contribute to disease pathogenesis. To investigate this, a two-stage case-control association study of 20 candidate genes was performed. Selected tagging SNPs were tested for association in 130 sJIA patients and 146 controls in stage-1 of the study. SNPs at significantly different frequencies in the cohorts were genotyped in an additional 105 sJIA patients and 184 controls, and stratified metaanalysis of the two-stage data performed. Analysis was also performed with 4,671 controls from the Wellcome Trust Case Control Consortium (WTCCC). No associations were found with caspase-1, cryopyrin, or IL-18. Significant disease associations were identified with SNPs in the ligand IL1A, the receptor antagonist IL1RN, and a two-SNP haplotype in the IL-18 antagonist IL18BP. Associations were also identified in the decoy receptor IL1R2, and the co-receptor IL1RAP, although these were not confirmed when re-analysed with the WTCCC controls. Transient transfection assays with haplotype constructs, performed by Dr Wen, showed that the IL18BP haplotype affected gene transcription levels in vitro. This effect was not however reproduced using PBMCs from healthy individuals. Allele specific binding to one of the haplotype SNPs was predicted in silico, but no evidence for this was seen in EMSA experiments. Further functional studies are required to corroborate involvement of this haplotype in disease. In summary, this study has identified genetic associations for susceptibility to sJIA with a number of IL1 family members. These results indicate that there may be aberrant control of IL-1 activity in patients with sJIA. Further work is required to determine how these associated SNPs affect IL-1 activity, and thereby the inflammatory response in sJIA