title: Potentielle Biomarker zur Identifikation des TH2-hoch-Endotyps im Asthma bronchiale
title: The advance of personalized and stratified therapies in bronchial asthma: phenotypes, endotypes, biomarkers
Creators: name: Lauer, Sebastian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Endotyp
bronchial asthma
Periostin
Asthma
Medizin, Gesundheit
periostin
endotype
Biomarker
TH2
biomarkers

description: Basierend auf der Tatsache, dass
      Asthma-Patienten nicht gleichermaßen von aktuellen, aus dem
      Verständnis der Pathogenese abgeleiteten, Target-basierten
      Therapieansätzen profitieren, lässt sich die Schlussfolgerung
      ableiten, dass es innerhalb des Kollektivs aller Asthmatiker
      unterschiedliche Subgruppen gibt, welche dementsprechend auch
      unterschiedliche Signalwege in der Pathogenese beschreiten.
      Es stellt sich die Frage, inwieweit Responder und
      Non-Responder für molekulare Therapieansätze identifiziert
      werden können. Zur Definition unterschiedlicher
      Asthma-Phänotypen lassen sich bekanntermaßen klinische
      Kriterien zugrunde legen. Darüber hinausgehend lassen sich
      zytologische Phänotypen definieren. Hier spielt unter anderem
      der relative Anteil von Eosinophilen oder Neutrophilen im
      induzierten Sputum eine Rolle, so dass sich ein eosinophiles
      von einem neutrophilen und weiteren zellulären Typen
      unterscheiden lässt. Es gibt eine Assoziation zwischen
      klinischen sowie zellulären Phänotypen. Nachdem sich viele
      Target-basierten Therapien im Gesamtkollektiv als weniger
      oder nicht wirkungsvoll erwiesen haben, kann bei spezifischer
      Betrachtung einzelner zellulärer Phänotypen zumindest in
      einem Phänotyp ein Ansprechen auf Anti-Interleukin-5
      nachgewiesen werden. Eine weitere Möglichkeit der
      Phänotypisierung, welche zugrundeliegende molekulare
      Signalwege der Pathogenese berücksichtigt, besteht in der
      Definition molekularer Phänotypen bzw. Endotypen. Durch
      Genom-weites Profiling mittels Microarray-Analysen kann im
      induzierten Sputum die Herauf- oder Herabregulation
      verschiedener Gene identifiziert werden, woraus sich eine
      molekular-immunologische Phänotypisierung bzw. ein
      spezifischer Endotyp ableiten lässt. Anhand des
      Expressionsmusters bildet sich auf der einen Seite Endotyp
      ab, welchem eine TH2-Inflammation zugrunde liegt. Auf der
      anderen Seite steht ein Endotyp, in dem die Differenzierung
      der TH0-Zellen zu TH2-Zellen nicht stattfindet oder eine
      untergeordnete Rolle spielt. Basierend auf dem
      Expressionslevel des Drei-Gen-Panels (CLCA1, Periostin und
      Serpin B2) kann zwischen TH2-Endotypen unterschieden werden,
      wobei es eine Assoziation der TH2-Gensignatur mit eosinophil
      dominierten zellulären Phänotypen gibt. Unterschiedliches
      Ansprechen des TH2-Endotyps im Sinne eines Responders auf
      Therapie, sowohl auf ICS als auch auf molekular basierte
      Therapiestrategien den TH2-Signalweg betreffend, konnte
      nachgewiesen werden. Im Sinne einer Therapiestratifizierung
      erscheint es sinnvoll, Patienten im Hinblick auf ihrem
      jeweiligen Endotyp zu therapieren, die Rationale stellt hier
      die Blockade der im Signalweg einer TH2-Inflamation
      involvierten Zytokine dar. Zu diesem Zwecke ist es notwendig,
      einfach zu bestimmende Biomarker zu etablieren. Es wird
      vorgeschlagen, hierfür die Genprodukte der jeweils
      hochregulierten TH2-Gene mittels ELISA im Serum oder Plasma
      zu bestimmen. Zur Diskussion stehen die Proteine der als
      hochreguliert identifizierten Gene, wie CLCA1, Periostin,
      Serpin B2 (PAI2), die Ratio aus MUC5AC und MUC5B,
      Osteopontin, CCL 26 (MIP4) und CarboxypeptidaseA3. Hierzu ist
      es in einem ersten Schritt notwendig in Ermangelung
      geeigneter Testsysteme zunächst Testverfahren für die
      jeweiligen Proteine zu validieren und in drei Testgruppen,
      nämlich einer gesunden Kontrollgruppe, einer Gruppe der
      akuten Inflammation sowie einer Gruppe von Atopikern,
      anzuwenden. In einem weiteren Schritt wird anhand von
      aktuellen Studien und Erkenntnissen aus der
      Grundlagenwissenschaft nachvollzogen, ob die jeweiligen
      Proteine aufgrund ihrer strukturellen Beschaffenheit, ihrer
      Funktion im Inflammationsgeschehen und ihrer Lokalisation
      geeignet sind, einen TH2-Endotyp in der Peripherie
      abzubilden. Zusammengefasst erweisen sich die jeweiligen
      ELISA-Testsysteme als unterschiedlich brauchbar. Bezüglich
      ihrer Eignung als potentielle Biomarker zur Vorhersage eines
      TH2-Endotyps erweisen sich die acht Proteine ebenfalls als
      heterogen. CLCA1 ist ein in zwei unterschiedlichen Formen
      anzutreffendes Protein, welches eine regulierende Funktion in
      Bezug auf Ca2+abhängigeCl--Kanäle des respiratorischen
      Epithels hat und somit Einfluss auf die Zusammensetzung des
      Mucus hat. Als membranassoziiertes bzw. in die ECM des
      respiratorischen Epithels sezerniertes Protein eignet es sich
      zur systemischen Detektion weniger, was die Messergebnisse
      bestätigen. CarboxypeptidaseA3 lässt sich als ein systemisch
      im Plasma nachweisbares Protein einigermaßen zuverlässig
      messen, jedoch kann bislang keine Evidenz erbracht werden, ob
      es geeignet ist, statistisch signifikant zwischen TH2-hoch
      und TH2-niedrig zu differenzieren. CCL26 bzw. MIP4 ist
      grundsätzlich im peripheren Blut zufriedenstellend
      quantifizierbar. Es hat im Inflammationsgeschehen die
      Funktion eines auf Eosinophile und auch Basophile
      wirkendendes Chemokins. Ebenfalls SerpinB2 (PAI2) lässt sich
      einigermaßen zufriedenstellend in der Peripherie
      quantifizieren, insbesondere im Rahmen einer akuten
      Inflammation. PAI2 liegt einerseits als intrazellulärer
      Messenger vor, sowie in einer extrazellulären, in die
      Hämostase involviertes Protein. In Analogie zu CCL26 und CPA3
      stellt sich bezüglich der Eignung als Biomarker einer
      TH2-Entzündung die Frage, ob PAI2 zuverlässig zwischen
      TH2-hoch und –niedrig unterscheiden kann, oder ob die
      genannten Proteine im Inflammationsgeschehen allgemein mit
      einer erhöhten Wertelage anzutreffen sind. Zur Klärung dieser
      Frage müssten molekularbiologisch (PCR) identifizierte
      TH2-Endotypen mit Non-TH2-Endotypen unterschiedlicher
      Spezifikation verglichen werden, um eine Signifikanz
      bezüglich der vermeintlich höheren Wertelage nachzuweisen.
      Osteopontin lässt sich zufriedenstellend im peripheren Blut
      messen mit bemerkenswerten Unterschieden in den jeweiligen
      Gruppen. Hier stellt sich ebenfalls das Problem, ob
      Osteopontin nicht ein zu allgemeiner Inflammationsmarker ist.
      Es gibt Evidenz, dass Osteopontin eine Funktion in der
      Entwicklung von TH1-Entzündungen hat und TH2-antagonistisch
      wirkt. Auch ist der Zeitpunkt in der Allergieentwicklung, zu
      welchem es seine Wirkung entfaltet, bedeutsam. Insgesamt ist
      die Rolle des Osteopontin sehr komplex und noch nicht gut
      genug verstanden, als dass es sich als zuverlässiger
      Biomarker eignen würde. Die Mucine 5AC und 5B lassen sich
      deutlich im peripheren Blut quantifizieren. MUC5AC ist bei
      TH2-Endotypen herauf reguliert, während MUC5B eher eine
      Clearancefunktion in den kleinen Atemwegen zugeschrieben wird
      und beim TH2-Endotyp herunter reguliert wird. Insofern müsste
      die Ratio zugunsten des MUC5AC verschoben sein, und somit
      stellt die Ratio in der Theorie einen sinnvollen Biomarker
      da. Eine signifikant erhöhte Ratio ließe sich jedoch nur
      durch Untersuchung an vorselektionierten Proben nachweisen.
      Periostin kann als Plasmaprotein systemisch gemessen werden.
      Periostin spielt eine Rolle in der Fibroseentstehung durch
      Interaktion mit ECM-Proteinen sowie in der Migration und
      Adhäsion von Eosinophilen. Die in TH2-Endotypen nachgewiesene
      Heraufregulation von POSTN lässt sich positiv mit dem
      eosinophilen zellulären Phänotyp korrelieren. Auch lässt sich
      anhand molekularbiologisch vordefinierter TH2-Endotypen
      (Drei-Gen-Panel) ein signifikanter Zusammenhang zwischen der
      allgemeinen TH2-hoch-Gensignatur und den peripheren
      Periostinleveln finden. Es kann nachgewiesen werden, dass
      nach erfolgter Stratifizierung anhand des peripheren
      Periostins eine IL-13-Blockade durch mAB zu signifikanten
      Ergebnissen führt. Insofern stellt Periostin einen
      brauchbaren, peripher und zuverlässig zu messenden Biomarker
      zur Identifikation des TH2-Endotyps dar.
description: Due to the fact that BA-patients
      do not benefit similarly from current pathogenesis-derived
      and target-based therapies it can be reasoned that there are
      different subsets of BA-patients within the collective of all
      BA-subjects, which follow according to this variable signal
      pathways in the pathogenesis. Subsequently the question comes
      up in how far responder and non-responder according to
      molecular based therapy strategies can be identified.
      Distinct BA-phenotypes can be defined by the use of clinical
      criteria, and beyond that there is the possibility to define
      a phenotype based on cytological criteria. For this purpose
      the percentage of eosinophils and neutrophils in the induced
      sputum is an essential criterion, so that an eosinophilic
      asthma can be distinguished from a neutrophilic BA and other
      cellular subtypes. There is an association or a correlation
      between clinical and cellular defined phenotypes. After
      numerous target-based therapeutic approaches proved less or
      not effective in the whole collective considering the
      specific cellular phenotypes a response to
      anti-IL-5-antibodies could be demonstrated with regard to a
      particular cellular phenotype. A further approach of
      phenotyping which considers the underlying signaling pathways
      is the definition of molecular phenotypes or endotypes
      respectively. By genome wide profiling using microarray
      analyses the up or down regulation of distinct genes can be
      identified in the induced sputum, whereby a molecular
      immunological phenotype respectively specific endotype can be
      derived. On the basis of the pattern of gene expression one
      particular endotype becomes apparent which underlies a
      TH2-driven inflammation. On the other side an endotype
      emerges where a differentiation of T-cells into TH2-cells
      does not occur or plays a minor role. On the basis of the
      expression level of the 3-gene-panel consisting of CLCA1,
      periostin and serpinB2 can be divided between TH2-endotypes,
      while there is an association of the TH2-gene-signature with
      eosinophilic dominated cellular phenotypes. A different
      response of the TH2-endotype to therapeutic approaches such
      as ICS as well as molecular based strategies targeting the
      TH2 signal pathway could be proven. In terms of stratifying
      of therapy it seems to be meaningful to treat patients with
      regard to their special endotype, the rationale here is the
      blockade of the cytokines involved in the TH2 signal pathway.
      For this purpose it is necessary to establish biomarkers
      which are easy to receive and to measure. It is proposed to
      quantify the gene products of the up regulated genes for this
      purpose in the serum or plasma by using ELISA. The proteins
      of the as up regulated identified genes such as CLCA1,
      periostin, serpinB2 (PAI2), the ratio of MUC5AC and MUC5B,
      osteopontin, CCL26 (MIP4) and carboxypeptidaseA3 are under
      consideration. Due to lack of suitable test systems it is
      required in a first step to establish and validate ELISAs for
      the particular proteins and to evaluate these tests in the
      three subsets of healthy controls, acute inflammation and
      atopic subjects. In a further step it will be reviewed on the
      basis of current studies and findings whether the particular
      proteins are suitable peripheral surrogate markers for a
      TH2-endotype by reasons of their structure, their function in
      the inflammation process as well as their localization. In
      summary the particular ELISA test systems crystallize as
      different suitable. With regard to their qualification as
      potential biomarkers to predict a TH2-endotype they seem to
      be heterogeneous as well. CLCA1 is a protein which appears in
      two distinct forms, that have a regulating function with
      regard to Ca2+-dependent chloride channels in the respiratory
      epithelium and which has influence on the composition of
      mucus in so far. As a membrane associated protein or a
      protein secreted into the ECM, CLCA1 is not suited for a
      systemic detection, which is proven by the measurement
      results. CarboxypeptidaseA3 as a protein which is
      systemically detectable in the plasma can be quantified
      reliably; however there is no evidence whether it is able to
      distinguish significantly between TH2-high and TH2-low. CCL26
      (MIP4) is generally satisfactorily quantifiable in the
      plasma. In the inflammation process it has the function of a
      chemokine affecting eosinophils and eventually basophils.
      Also serpinB2 (PAI2) can be quantified reasonably in the
      periphery, notably in the context of an acute inflammation.
      On the one hand PAI2 acts as an intracellular messenger, on
      the other hand it exists as an extracellular protein which is
      involved in affairs of hemostasis. Analogous to CCL 26 and
      CPA3 it is questionable - with regard to the suitability to
      serve as a biomarker of a TH2-inflammation – if PAI2 can
      distinguish reliably between TH2-high and TH2-low or if the
      mentioned proteins occur generally on a high level within the
      inflammation process. To answer this question TH2-endotypes
      identified by molecular biology (PCR) have to be compared to
      non-TH2- endotypes of different specification to prove
      significance with regard to the assumed higher amounts of
      protein in the TH2-high subset. Osteopontin can be measured
      satisfactorily in the peripheral blood with remarkable
      differences in the particular subsets. Here also exists the
      problem if osteopontin is probably a too common marker of
      inflammation in general. There is evidence that osteopontin
      has a function in the development of TH1-inflammation and
      acts TH2-antagonistic. Also the point in time of the
      development of allergic inflammation in which osteopontin
      occurs is important. Altogether the role of osteopontin is
      very complex and less understood than to serve as a suitable
      biomarker. The mucins 5AC and 5B can be quantified in the
      peripheral blood very well. MUC5AC is up regulated in
      TH2-endotypes, whereas MUC5B is rather down regulated in the
      TH2-endotype and has probably a clearance function of the
      small airways. Insofar the ratio of MUC5AC and MUC5B should
      be shifted towards MUC5AC and therefore serves as a
      reasonable biomarker in theory. A significant elevated ratio
      can only be proven by analyses of pre-selected endotypes.
      Periostin can be quantified systemically in the plasma.
      Periostin plays a role in the development of fibrosis by
      interaction with ECM-proteins as well as in the migration and
      adhesion of eosinophils. The up regulation of POSTN proved in
      TH2-endotypes can be positively correlated with the
      eosinophilic cellular phenotype. There is also a significant
      correlation between the TH2-high gene-signature in general
      and the peripheral levels of periostin, when analyzing the
      molecular defined TH2-endotype (by 3-gene-panel). It can be
      proven that after stratifying by means of the peripheral
      periostin level an IL-13-blockade by mAB leads to significant
      results. Insofar periostin can serve as a suitable,
      peripheral and reliable biomarker for the identification of
      the TH2-endotype.