Background: Inflammation and infection are cornerstones in Cystic fibrosis (CF) lung disease. The research about a biomarker related to disease progression, tracking respiratory exacerbations and effectiveness of antibiotic therapy, is fervent.
Aim: this PhD work aimed to investigate:
-if plasma and exhaled breath condensate (EBC) levels of Asymmetric dimethilarginine (ADMA) and related metabolites, reportedly related to inflammation in asthma, could associate to disease history, especially respiratory exacerbation onset and effectiveness of treatment;
-if lung MRI sequence diffusion weighted imaging (DWI), known to depict tissue inflammation, could discriminate between stable disease and exacerbation, and highlight treatment effectiveness; and if morphological MRI may be influenced by chronic colonization of the airways by P. aeruginosa;
-if chronic colonization of the airways by P. aeruginosa may be characterized by an evolution in antibiotic resistance, especially in pediatric CF population;
Methods: 4 studies were elaborated
-a perspective study on pediatric CF patients, divided into stable and exacerbated patients; clinical data, EBC and plasma were collected in stable group at enrollment, and in exacerbated group before and after antibiotic treatment; ADMA and related metabolites were measured in plasma and EBC through Ultra performance liquidi cromatography, coupled with tandem mass spectrometry, and compared to healthy controls;
-a perspective study on pediatric CF patients, in which EBC and clinical data were collected every month for 6 month or till exacerbation; ADMA and related metabolites were measured and correlation with clinical data was tested;
-a perspective study on patients divided into stable and exacerbated; spirometry and RMN were performed in exacerbated patients before and after antibiotic treatment and in stable patients at enrollment and after 2 weeks;
-a retrospective study about a 4-year period, based upon extraction of clinical and microbiologic data about antibiotic sensitivity of P.aeruginosa in CF patients chronically colonized by P.aeruginosa.
Results:
-an univocal marker of inflammation could not be identified in EBC; given the absence of differences in ADMA levels among patient groups and healthy controls, and the increase of Citrullin levels in CF compared with controls, a dysregulation of ADMA metabolism was suspected;
-various metabolites were higher in plasma of CF patients than in controls; ADMA was increased in exacerbated patients before antibiotic treatment and decreased to levels similar to stable patients after antibiotic treatment; Aginine was increased in all groups, with a further increase after antibiotic treatment;
-DWI tracked respiratory exacerbation and effectiveness of treatment; a good correlation to clinical and spirometric parameters was proved; inter and intra-observer agreement were very good; morphologic MRI showed correlation with spirometry and colonization of the airways by P. aeruginosa;
-the prevalence of antibiotic sensitivity of P. aeruginosa showed an evolution during the 4-year study period; a decrease in sensitivity especially to fluoroquinolones was proved; sensitivity diminished to a greater extent in pediatic population; increased minimum inhibitory concentrations were found in pediatric patients who underwent more antibiotic courses per year.
Conclusions: CF has great phenotipic variability among patients and many factors may influence airways conditions, so a marker can hardly describe this complexity. Moreover, inflammatory pathways alterations are still not completely understood, and deserve futher investigations, given our findings in EBC. Findings on plasma highlighted ADMA role and depicted systemic alterations of the disease. A novel method as metabolomics could enlighten different aspects of the disease in future and help in the stratification of patients. Thoracic MRI with DWI sequence has shown a promising role in inflammation localization and quantification and surely deserves further detailed studies as clinical and research outcome measure.Presupposti: L’infiammazione e l’infezione sono eventi fondamentali alla base della malattia polmonare in Fibrosi cistica (FC) e ne condizionano la progressione. La ricerca di un marker legato alla progressione della malattia e capace di discriminare la necessità di antibiotico-terapia e la risposta a quest’ultima è fervente.
Scopo: il lavoro di questo dottorato ha mirato ad indagare
-se i livelli plasmatici e nel condensato dell’esalato (EBC) di markers di infiammazione emergenti, finora studiati principalmente nell’asma e nell’infiammazione allergica, come Dimetilarginina asimmetrica (ADMA) e i metaboliti correlati, riflettano l’andamento della malattia in FC, in particolare l’esacerbazione respiratoria e la risposta al trattamento antibiotico;
-se la sequenza della RMN diffusion weighted imaging (DWI), nota per un’associazione con l’infiammazione tissutale, applicata al torace, possa distinguere l’esacerbazione respiratoria dalla malattia stabile, ed evidenziare la risposta al trattamento antibiotico e se la RMN toracica sia influenzata dalla colonizzazione cronica da P. aeruginosa;
-se la colonizzazione cronica da P. aeruginosa comporti nel tempo un’evoluzione delle resistenze antibiotiche di P. aeruginosa nei pazienti FC, in particolare nella popolazione in età evolutiva.
Metodi: sono stati svolti quattro lavori
-uno studio prospettico su pazienti pediatrici, suddivisi in stabili ed esacerbati; sono stati raccolti dati clinici, EBC, e plasma negli stabili all’arruolamento e, negli esacerbati, sia prima che dopo terapia antibiotica. ADMA e i metaboliti correlati sono stati misurati nel plasma e nell’EBC tramite cromatografia Ultra performance abbinata a spetrrometria di massa tandem (UPLC-MS/MS) e confrontati con una popolazione di controlli sani;
-uno studio prospettico su pazienti pediatrici stabili, con raccolta di EBC ogni 30 giorni, per 6 mesi o fino ad esordio di esacerbazione; ADMA e i metaboliti correlati sono stati dosati e correlati alla funzionalità respiratoria;
-uno studio prospettico su pazienti suddivisi in stabili ed esacerbati; dati clinici, spirometria e RMN torace sono state eseguite negli esacerbati prima e dopo terapia antibiotica di 2 settimane, e negli stabili all’arruolamento e dopo due settimane;
-uno studio retrospettivo osservazionale di 4 anni basato sull’estrazione di dati clinici e microbiologici relativi alla sensibilità antibiotica di P. aeruginosa in una popolazione di pazienti con colonizzazione cronica da P. aeruginosa.
Risultati:
-nell’EBC non si è identificato un marker univoco di infiammazione; in considerazione dell’assenza di differenze di ADMA tra i gruppi di pazienti, e rispetto ai controlli sani, e dell’aumento di Citrullina in FC rispetto ai controlli, è stata posta in discussione la disregolazione del metabolismo di ADMA;
-nel plasma diversi metaboliti studiati sono risultati più alti in FC che nei controlli; ADMA è risultato aumentato nei pazienti esacerbati, mostrando una riduzione a un livello non distinguibile dai pazienti stabili in seguito a terapia antibiotica; Arginina è risultata auementata in tutti i gruppi, ed in particolare dopo antibioticoterapia;
-la DWI ha permesso di distinguere pazienti stabili da esacerbati prima del trattamento, andando incontro a miglioramento dopo terapia antibiotica; ha mostrato buona correlazione con i parametri clinici e spirometrici; la concordanza intra e inter osservatore sono risultate molto buone; la RMN torace ha mostrato correlazione con la funzionalità respiratoria cronica e con la colonizzazione da P. aeruginosa;
-le sensibilità antibiotiche di P. aeruginosa hanno subito un’evoluzione nel corso dei 4 anni osservati, con una riduzione marcata in particolare per i fluorochinoloni ed in particolare nella popolazione pediatrica; all’interno della popolazione pediatrica è stato mostrato un peggioramento delle minime concentrazioni inibenti nel gruppo sottoposto a più cicli antibiotici all’anno.
Conclusioni: la FC per la sua variabilità fenotipica, per le differenze inter-paziente e per le molteplici fonti di variabilità all’interno delle vie aeree, risulta di difficile descrizione da parte di un singolo marker. Inoltre le alterazioni dei pathway infiammatori non sono ancora completamente noti e compresi e, alla luce di quanto trovato nell’EBC, meritano ulteriore approfondimento. I dati su plasma evidenziano il ruolo di ADMA e rispecchiano le alterazioni sistemiche in corso di malattia. Un approccio innovativo come la metabolomica potrebbe in futuro chiarire diversi aspetti e consentire una migliore stratificazione dei pazienti. La RMN torace con l’utilizzo della sequenza DWI sembra avere un promettente ruolo nella localizzazione e quantificazione dell’infiammazione e meriterà un approfondimento per l’utilizzo come outcome clinico e di ricerca
