Integrative diagnosis of sickle cell disease patients for personalized medicine

Abstract

La malaltia de cèl·lules falciformes (MCF) és un trastorn multiorgànic autosòmic recessiu poc freqüent, causat per la producció d’una variant anòmala de l’hemoglobina adulta (HbA), anomenada hemoglobina falciforme (HbS). El terme MCF engloba diferents tipus d’herència de l’al·lel βS. Pot presentarse per herència homozigota de dos al·lels βS (βSβS), responsable de la forma més comuna i greu de la malaltia. Alternativament, l’herència pot ser heterozigota composta; les formes més habituals són la coherència de l’al·lel βS amb un al·lel de βtalassèmia, que dona lloc a la talassèmia HbSβ⁰ o HbSβ⁺, o la coherència de l’al·lel βS amb l’al·lel βC, originant la malaltia HbSC. La HbS modifica les propietats reològiques dels eritròcits (RBC), provocant oclusió vascular i hemòlisi crònica, els principals signes distintius de la malaltia. A més, aquestes complicacions desencadenen nombroses manifestacions cròniques i agudes, complexes i imprevisibles, que empitjoren amb el temps. La hidroxiurea (HU) continua sent el tractament convencional de referència, ja que augmenta la síntesi d’hemoglobina fetal (HbF) i redueix la falciformació, mentre que els intercanvis crònics de RBC s’indiquen habitualment en pacients amb complicacions greus o recurrents per prevenir la seva reaparició. L’ectacito¬metria és un mètode consolidat per mesurar la deformabilitat dels RBC. Recentment, s’ha desenvolupat un complement denominat oxygenscan, que a més d’avaluar la deformabilitat, mesura la tendència dels RBC a falciformar se quan s’exposen a un gradient d’oxigen sota tensió de cisallament. Fins ara, la validació clínica de l’oxygenscan s’ha limitat a estudis amb mostres reduïdes i resultats sovint inconclusius. Per superar aquestes limitacions, en l’estudi d’oxygenscan més extens fins a dia d’avui en pacients amb MCF, es van definir dos paràmetres nous: Slope, que mesura la velocitat amb la qual els eritròcits falciformen durant la desoxigenació, i EI₂₀, que avalua la deformabilitat cel·lular a una tensió d’oxigen fixa (pO₂), permetent una caracterització més profunda del comportament dels eritròcits. Mitjançant anàlisis de regressió lineal i logística en un estudi multicèntric amb 679 mostres, es va demostrar que tant els paràmetres convencionals com els nous de l’oxygenscan discriminaven eficaçment entre els genotips de MCF i valoraven l’eficàcia del tractament amb HU, subratllant la seva utilitat potencial en la fenotipificació i l’avaluació clínica. Tot i que els pacients amb HbSβ⁰ sovint s’agrupen amb els de HbSS per la similitud en la presentació clínica, els resultats indiquen que els individus amb HbSβ⁰ presenten perfils inflamatoris i associacions amb dany renal distintius, mentre que els pacients amb HbSS mostren un perfil hemolític diferent. A més de l’anàlisi transversal, es va fer un seguiment longitudinal d’un subgrup de pacients sotmesos a intercanvi de RBC. En aquesta cohort, l’oxygenscan va resultar especialment valuós per al seguiment a llarg termini, ja que les variacions dels paràmetres de laboratori es reflectien en els paràmetres de l’oxygenscan. Tot i això, l’anàlisi individual va revelar que aquest assaig aporta informació clínica rellevant més enllà de la quantificació de HbS i HbF. En conclusió, l’oxygenscan és una tècnica altament sensible per avaluar l’eficàcia del tractament i per a la fenotipificació dels pacients. Donada la complexitat de la MCF i la possible insuficiència dels models estadístics simples per captar ne tota la complexitat, calen futurs estudis longitudinals que apliquin enfocaments avançats d’aprenentatge automàtic. D’aquesta manera, es podran contemplar relacions no lineals i interaccions entre múltiples variables i explorar més a fons les capacitats predictives dels paràmetres de l’oxygenscan sobre els resultats clínics en pacients amb MCF.

La enfermedad de células falciformes (ECF) es un trastorno multiorgánico autosómico recesivo poco frecuente, causado por la producción de una variante anómala de la hemoglobina adulta (HbA), denominada hemoglobina falciforme (HbS). La ECF agrupa diferentes patrones de herencia del alelo βS. Puede presentarse como herencia homocigota de dos alelos βS (βSβS), responsable de la forma más frecuente y grave de la enfermedad. Alternativamente, la herencia puede ser heterocigota compuesta; las formas más comunes incluyen la coherencia del alelo βS con un alelo de βtalasemia, que da lugar a la talasemia HbSβ⁰ o HbSβ⁺, o la coherencia del alelo βS con el alelo βC, produciendo la enfermedad HbSC. La HbS altera las propiedades reológicas de los eritrocitos (RBC), conduciendo a vasooclusión y hemólisis crónica, los principales rasgos patognomónicos de la enfermedad. Además, estas complicaciones provocan múltiples manifestaciones crónicas y agudas, complejas e impredecibles, que se agravan con el tiempo. La hidroxiurea (HU) sigue siendo el tratamiento convencional de referencia, pues incrementa la síntesis de hemoglobina fetal (HbF) y reduce el proceso de falciformación, mientras que el recambio crónico de eritrocitos se indica habitualmente en pacientes con complicaciones graves o recurrentes para prevenir su reaparición. La ectacitometría es un método consolidado para medir la deformabilidad de los RBC. Más recientemente, se ha desarrollado un complemento llamado oxygenscan, que además de evaluar la deformabilidad, mide la tendencia de los RBC a falciformar cuando se exponen a un gradiente de oxígeno bajo tensión de cizallamiento. Hasta la fecha, la validación clínica del oxygenscan se ha limitado a estudios con tamaños de muestra reducidos y resultados a menudo inconcluyentes. Para superar estas limitaciones, en el estudio de oxygenscan más extenso realizado hasta hoy con pacientes de ECF, se definieron dos parámetros novedosos: Slope, que cuantifica la rapidez con la que los eritrocitos falciforman durante la desoxigenación, y EI20, que mide la deformabilidad celular a una tensión de oxígeno fija (pO₂), permitiendo así una caracterización más profunda del comportamiento de los eritrocitos. Mediante análisis de regresión lineal y logística en un estudio multicéntrico con 679 muestras, se demostró que tanto los parámetros convencionales como los nuevos de oxygenscan discriminan eficazmente entre los genotipos de ECF y evalúan la eficacia del tratamiento con HU, resaltando su utilidad potencial en la fenotipificación y valoración clínica. Aunque los pacientes con HbSβ⁰ suelen agruparse con los de HbSS dada la similitud en la presentación clínica, los hallazgos sugieren que los individuos con HbSβ⁰ presentan perfiles inflamatorios y asociaciones con daño renal distintivos, mientras que los pacientes con HbSS muestran un perfil hemolítico diferente. Además del análisis transversal, se realizó un seguimiento longitudinal en un subgrupo de pacientes sometidos a recambio de RBC. En esta cohorte, el oxygenscan resultó especialmente valioso para el monitoreo a lo largo del tiempo, ya que las variaciones en los parámetros de laboratorio se reflejaron en los parámetros de oxygenscan. No obstante, el análisis individual reveló que este ensayo aporta información clínica relevante que trasciende la cuantificación de HbS y HbF. En conclusión, el oxygenscan es una técnica altamente sensible para evaluar la eficacia del tratamiento y para la fenotipificación de los pacientes. Dada la complejidad de la ECF y la posible insuficiencia de modelos estadísticos simples para capturarla, se necesitan futuros estudios longitudinales que apliquen enfoques avanzados de aprendizaje automático. De esta manera, podrán contemplarse relaciones no lineales e interacciones entre múltiples variables y explorarse aún más las capacidades predictivas de los parámetros de oxygenscan sobre los resultados clínicos en pacientes con ECF.

Sickle cell disease (SCD) is rare, autosomal recessive, multiorgan disorder caused by production of an abnormal variant of adult hemoglobin (HbA), called sickled hemoglobin (HbS). SCD is an umbrella term for different types of inheritance of βS allele. It can be homozygous inheritance of two βS alleles (βSβS) responsible for the most common and most severe type of SCD. Otherwise, the inheritance can be compound heterozygous, and most common forms are coinheritance of βS allele with a β-thalassemia allele, causing HbSβ0-thalassemia, HbSβ+-thalassemia or coinheritance of βS allele with βC causing the HbSC disease. HbS alters the rheological properties of red blood cells (RBCs) leading to vaso-occlusion and chronic hemolysis, the main hallmarks of the disease. Further, these complications cause myriads of complex and unpredictable chronic and acute complications that worsen over time. Hydroxyurea (HU) remains the standard conventional treatment that elevates fetal hemoglobin (HbF) synthesis and reduces sickling, while chronic RBC exchange procedures are typically indicated to patients with severe chronic and acute complications, to prevent their recurrence. Ektacytometry is a well-established method for measuring deformability of RBCs. More recently, a novel add-on, called the oxygenscan, has been developed. Besides RBC deformability, it also assesses the tendency of RBCs to sickle when exposed to an oxygen gradient, under shear stress. Clinical validation of oxygenscan has thus far been limited to a few studies with modest sample sizes and inconclusive results. To address these limitations, in this globally largest oxygenscan study in SCD patients, two novel oxygenscan parameters were developed: Slope that measures how rapidly RBCs sickle during deoxygenation and EI20 that measures RBC deformability at fixed oxygen tension (pO2), to enable deeper characterization of RBC behavior. Using linear and logistic regression analysis in a multi-centric study with 679 samples, it was demonstrated that both conventional and novel oxygenscan parameters effectively discriminate among SCD genotypes and HU treatment efficacy, underscoring their potential utility in phenotype characterization and clinical evaluation. Although HbSβ⁰ patients are often grouped with HbSS patients due to their comparable clinical presentation, findings from this research project suggest that HbSβ⁰ individuals may have distinct inflammatory profiles and associations with kidney damage, whereas HbSS patients show a different hemolytic profile. Apart from cross-sectional analysis, a group of patients that underwent RBC exchange were followed longitudinally. Within this cohort, oxygenscan analysis proved particularly valuable for longitudinal monitoring, as the changes in laboratory parameters were mirrored by oxygenscan parameters. However, patient-specific analysis indicated that this assay captures additional, clinically relevant information beyond HbS and HbF. Ultimately, oxygenscan is a highly sensitive technique useful to assess treatment efficacy and phenotyping of patients. As SCD is very complex and simple statistical models may be insufficient for capturing its complexity, future longitudinal studies applying complex machine learning approaches are needed. This way the complexity beyond linear relationships and interactions among different variables can be captured and the potential of oxygenscan parameters in predicting clinical outcomes in SCD patients can be further explored.