Prognostic and predictive biomarkers of the severity of brakykinin-mediated angioedema

Abstract

The heterogeneous clinical manifestations and the unpredictable nature of C1-INH-HAE require the identification of biomarkers and the development of accompanying bioassays. To contribute to this purpose this thesis focused on four topics: I. The expression of bradykinin receptors. B1R and B2R are potential therapeutic targets. Molecular imaging agents enable the visualization and quantification of the receptors at a cellular level. Specific fluorescent ligands were prepared and used as imaging agents in order to examine the expression of the receptors on EA.hy926 and THP1 cell lines and subsequently, on the surface of patients’ endothelial cells in resting conditions or during an attack. The detection of naturally expressed receptors was not successful due to low expression or due to low affinity of the ligands. Further investigation is required to develop a diagnostic tool and proceed in human blood samples. II. Activation of PLG with p.Lys330Glu variant. The alteration of PLG glycosylation patterns was examined in heterozygous and homozygous carriers of PLG p.Lys330Glu variant, previously described as pathogenic for HAE-PLG. In the homozygous patient, a reversal of the glycosylation pattern was observed, while the heterozygous subjects presented the two glycoforms at the same level. A plasmin-specific chromogenic assay was developed in order to measure the PLG susceptibility to activation. Both homozygous and heterozygous carriers displayed a significantly high susceptibility to activation by streptokinase and urokinase. The qualitative in vivo impact of p.Lys330Glu on the protein may result in increased plasmin formation and excessive bradykinin production through kallikrein-kinin system activation. III. Association of genetic variants with the severity of C1-INH-HAE. The concomitant carriage of variants on genes encoding for proteins involved in bradykinin metabolism and function may modify the clinical expression of C1-INH-HAE. Using NGS technology the study aimed to detect and classify rare variants (MAF≤1%) in 54 genes other than SERPING1 and to associate the carriage of 18 selected functional SNPs (MAF≥1%) with C1-INH-HAE patients’ age at disease onset, disease severity based on CALS score and need for LTP, regardless the SERPING1 mutational status and separately in patients carrying a missense SERPING1 variant. In the first group of patients, the presence of the C allele of F12-rs1801020 was significantly associated with an increase at disease severity; the presence of SERPING1-rs28362944 increased 2.5-fold the probability of LTP need; SERPING1-rs4926 was associated with later disease onset; F13B-rs6003, SERPINA1-rs28929474 and PLAU-rs2227564 were significantly associated with the severity of the disease. In carriers of a missense SERPING1 mutation, the presence of the C allele of F12-rs1801020 was significantly associated with an increase at disease severity; the presence of SERPING1-rs28362944 increased 4.2-fold the probability of LTP need; SERPINA1-rs17580 and SERPINE1-rs6092 were significantly associated with earlier and later age at disease onset, respectively; CPN1-rs61751507 and F2-rs1799963 were significantly associated with decrease of need for LTP and disease severity, respectively; KLKB1-rs3733402 and KLK1-rs5515 were associated with both the age at disease onset and the disease severity. Further analyses should be done in order to conclude on the contribution of the detected rare variants to the disease, their functional effects and their clinical validity. IV. Global data sharing. In order for both researchers and physicians to assess the available genetic data, they need to be classified and shared in public, user-friendly, easily accessible databases. To this aim, we classified and submitted in ClinVar database 45 SERPING1 variants previously detected in C1-INH-HAE patients of the Laboratory of Immunology and Histocompatibility of the UTH, accompanied by the supporting clinical evidence.

Η κλινική εικόνα των ασθενών με βραδυκινινεργικό αγγειοοίδημα χαρακτηρίζεται από μεγάλη ετερογένεια. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν η αναζήτηση γενετικών και βιοχημικών βιοδεικτών που θα καταστήσουν δυνατή την πρόβλεψη και την πρόγνωση της εμφάνισης ή της διαφορετικής έκφρασης της νόσου με σκοπό να επιτευχθεί η κατά το δυνατόν περισσότερο εξατομικευμένη θεραπεία των ασθενών. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε τέσσερα μέρη. Στο πρώτο μέρος, μελετήθηκε η έκφραση των υποδοχέων της βραδυκινίνης (B2R, B1R) σε κυτταρικές γραμμές ανθρώπινων ενδοθηλιακών κυττάρων (EA.hy926) και μονοκυττάρων (THP1), με τη βοήθεια ειδικών παραγόντων μοριακής απεικόνισης. Πρόκειται για φθορίζοντα πεπτίδια αποτελούμενα από πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP) συνδεδεμένη με έναν αγωνιστή ή ανταγωνιστή του υποδοχέα-στόχου. Οι υποδοχείς της βραδυκινίνης αποτελούν πιθανό θεραπευτικό στόχο. Σκοπός της μελέτης ήταν να αναπτυχθεί ένα σύστημα μοριακής απεικόνισης που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί, απουσία αποτελεσματικών αντισωμάτων, ως διαγνωστικό εργαλείο σε απομονωμένα κύτταρα ασθενών με βραδυκινινεργικό αγγειοοίδημα, σε κατάσταση ηρεμίας ή κατά τη διάρκεια μίας κρίσης. Η φυσιολογική ή επαγόμενη έκφραση των υποδοχέων στις κυτταρικές γραμμές δεν επιτεύχθηκε, πιθανώς λόγω χαμηλής συγκέντρωσης των υποδοχέων στη μεμβράνη των κυττάρων ή λόγω χαμηλής συγγένειας των πεπτιδίων με τον υποδοχέα. Βελτίωση της ποιότητας των πεπτιδίων και συνέχεια της μελέτης απαιτείται για να αξιολογηθεί και να χρησιμοποιηθεί το σύστημα ως διαγνωστικό εργαλείο. Στο δεύτερο μέρος, μελετήθηκε η αναστροφή των γλυκομορφών του πλασμινογόνου σε ετερόζυγους και μία ομόζυγη ασθενή για τη μετάλλαξη PLG p.Lys330Glu, η οποία έχει χαρακτηριστεί παθογονική για αγγειοοίδημα με μετάλλαξη στο πλασμινογόνο (HAE-PLG) και αναπτύχθηκε μία μεθοδολογία για τον έλεγχο της ενεργοποίησης του πλασμινογόνου από φυσικούς ενεργοποιητές (στρεπτοκινάση και ουροκινάση). Οι δύο γλυκομορφές εμφανίστηκαν στην ίδια ποσότητα σε ετερόζυγους ασθενείς ενώ στην ομόζυγο ασθενή παρατηρήθηκε αναστροφή των γλυκομορφών με 60% τύπου Ι και 40% τύπου ΙΙ. Επιπλέον, τόσο οι ετερόζυγοι ασθενείς όσο και η ομόζυγη παρουσίασαν σημαντικά αυξημένη ευαισθησία στην ενεργοποίηση του πλασμινογόνου. Από τα αποτελέσματά μας, η p.Lys330Glu φαίνεται να προκαλεί αυξημένη ευαισθησία ενεργοποίησης του πλασμινογόνου σε πλασμίνη, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε υπερπαραγωγή βραδυκινίνης, μέσω της ενεργοποίησης του συστήματος κινίνης-καλλικρεΐνης. Στο τρίτο μέρος, σχεδιάστηκε και χρησιμοποιήθηκε πρωτόκολλο αλληλούχησης νέας γενιάς για τη γονοτύπηση του SERPING1 και 54 γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες εμπλεκόμενες στο μεταβολισμό και τη δράση της βραδυκινίνης. Σκοπός ήταν η συσχέτιση 18 επιλεγμένων λειτουργικών πολυμορφισμών (συχνότητα αλληλίου στον παγκόσμιο πληθυσμό >1%) με το φαινότυπο ασθενών με αγγειοοίδημα λόγω ανεπάρκειας του C1-INH (C1-INH-HAE). Τα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά που μελετήθηκαν ήταν η ηλικία εμφάνισης της νόσου, η βαρύτητα υπολογισμένη με το σκορ CALS και η ανάγκη για μακροχρόνια προφυλακτική θεραπεία (ΜΠΘ). Η στατιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε 233 ασθενείς και ο γονότυπός τους για τους λειτουργικούς πολυμορφισμούς συσχετίστηκε με τα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά ανεξαρτήτως του τύπου της SERPING1 μετάλλαξης. Στη συνέχεια η ανάλυση επαναλήφθηκε στους ασθενείς που έφεραν μετάλλαξη αντικατάστασης στο SERPING1. Ανεξαρτήτως του τύπου της παθογονικής μετάλλαξης στο SERPING1, η παρουσία του C αλληλίου του F12-rs1801020 συσχετίστηκε σημαντικά με αυξημένη βαρύτητα της νόσου∙ η παρουσία του SERPING1-rs28362944 φάνηκε να αυξάνει κατά 2,5 φορές την ανάγκη για ΜΠΘ, ενώ ο πολυμορφισμός SERPING1-rs4926 συσχετίστηκε με καθυστέρηση εμφάνισης της νόσου∙ οι F13B-rs6003, SERPINA1-rs28929474 και PLAU-rs2227564 συσχετίστηκαν με τη βαρύτητα της νόσου. Σε ασθενείς που έφεραν μετάλλαξη αντικατάστασης στο SERPING1, η παρουσία του C αλληλίου του F12-rs1801020 συσχετίστηκε σημαντικά με αυξημένη βαρύτητα της νόσου∙ η παρουσία του SERPING1-rs28362944 φάνηκε να αυξάνει κατά 4,2 φορές την ανάγκη για ΜΠΘ∙ οι SERPINA1-rs17580 και SERPINE1-rs6092 συσχετίστηκαν σημαντικά με την ηλικία εμφάνισης της νόσου∙ η ετεροζυγωτία για τον CPN1-rs61751507 συσχετίστηκε ανεξάρτητα με 98% μείωση της ανάγκης για ΜΠΘ∙ η ετεροζυγωτία για τον F2-rs1799963 συσχετίστηκε με μειωμένη βαρύτητα της νόσου∙ οι KLKB1-rs3733402 και KLK1-rs5515 συσχετίστηκαν με τροποποιήσεις στην ηλικία εμφάνισης καθώς και στη βαρύτητα της νόσου. Στο τέταρτο μέρος της μελέτης, πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός και καταχώρηση στην παγκόσμια βάση δεδομένων ClinVar 45 SERPING1 μεταλλάξεων που εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια της μελέτης σε ασθενείς με αγγειοοίδημα λόγω ανεπάρκειας του C1-INH συνοδευόμενων από κλινικά δεδομένα, σύμφωνα με τις οδηγίες της ΑCΜG/AMP.

L’expression clinique de l’angioedème héréditaire C1-INH-AOH est hétérogène. L'identification de biomarqueurs et la disponibilité de tests biologiques pourraient rendre compte de cette observation. Ainsi, notre travail a retenu quatre points: I. L'expression des récepteurs de la bradykinine. Les récepteurs B1 et B2 sont des cibles thérapeutiques potentielles. Par les ligands fluorescents spécifiques pour B1 et B2, nous avons cherché à quantifier les récepteurs pour leur expression sur les lignées EA.hy926 et THP1, pour examiner l’expression sur les cellules endothéliales des patients en condition de repos ou en période symptomatique. L’expression spontanée des récepteurs n'a pu être quantifiée par faible expression ou faible affinité des ligands. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour développer un outil de diagnostic et procéder à des examens sur les échantillons humains. II. Activation du variant p.Lys330Glu du plasminogène. Le variant a été précédemment décrit comme pathogène pour l’angioedème héréditaire HAE-PLG. Examiné chez des porteurs hétérozygotes et homozygotes, le variant p.Lys330Glu se présente avec une modification de la glycosylation du plasminogène, avec une inversion du modèle de glycosylation chez le porteur homozygote et deux bandes d'intensité égale pour les porteurs hétérozygotes. Le variant p.Lys330Glu présente une sensibilité significativement élevée à l'activation par la streptokinase et l’urokinase, par mesure enzymatique à l’aide d’un chromogène spécifique à la plasmine. L'impact du variant p.Lys330Glu provoque une augmentation de la transformation du plasminogène en plasmine, avec une production de BK par activation du système kallicréine-kinine. III. Association de variants génétiques à la sévérité de l’angioedème C1-INH-AOH. La combinaison de variants sur des gènes codant pour des protéines impliquées dans le métabolisme et la fonction de la bradykinine peut modifier chez le porteur l'expression clinique de l’angioedème C1-INH-AOH. Par la technologie NGS, des variants rares (MAF≤1%) ont été recherchés dans 54 gènes pour être identifiés dans des combinaisons avec SERPING1. 18 polymorphismes fonctionnels ont été retenus (MAF≥1%) et s’associent à l'âge de l'apparition de la maladie, au score de sévérité et au besoin d’une prophylaxie, quel que soit le variant SERPING1 combiné ou chez les porteurs d'un faux-sens de SERPING1. Concernant les variants fonctionnels communs et indépendamment du variant SERPING1, les porteurs de l’allèle C de F12-rs1801020 présentent une sévérité de la maladie augmentée; la présence du SERPING1-rs28362944 multiplient par 2,5 la probabilité d’un besoin de prophylaxie; SERPING1-rs4926 a été associé à un retard de l'âge de l'apparition des symptômes; F13B-rs6003, SERPINA1-rs28929474 et PLAU-rs2227564 ont été associés à la sévérité de C1-INH-AOH. Pour les porteurs d'un variant faux-sens de SERPING1, les porteurs de l’allèle C de F12-rs1801020 présentent de la sévérité augmentée; la présence du SERPING1-rs28362944 multiplient par 4,2 la probabilité d’un besoin de prophylaxie; SERPINA1-rs17580 et SERPINE1-rs6092 ont été associés à l'âge de l'apparition des symptômes; l'hétérozygotie pour CPN1-rs61751507 est indépendamment associée à une diminution de 98% du besoin de prophylaxie; F2-rs1799963 a été associé à la sévérité de la maladie. Enfin, KLKB1-rs3733402 et KLK1-rs5515 ont été associés à l'âge de l'apparition des symptômes et à la sévérité. Ce premier examen des gènes devrait être poursuivi pour conclure sur la contribution à la maladie des variants rares détectés, leurs fonctions et leur validité clinique. IV. Partage des données au niveau mondial. Nous avons classé et soumis dans la base de données ClinVar 45 variantes de SERPING1 précédemment détectées chez des patients de C1-INH-AOH du Laboratoire d'immunologie et d'Histocompatibilité de l'UTH, accompagnées des preuves cliniques.