Potential non-invasive predictive biomarkers of Chronic Lung Allograft Dysfunction

Abstract

El trasplantament pulmonar (TP) continua sent l’opció terapèutica definitiva per a pacients amb malalties respiratòries avançades. Malgrat els avenços significatius, el TP continua presentant els pitjors resultats de supervivència a llarg termini entre tots els trasplantaments d’òrgans sòlids (TOS). El principal factor que limita la supervivència posttrasplantament és la disfunció crònica de l’empelt (DCE), que representa la causa principal de morbiditat i mortalitat després del primer any posttrasplantament, amb una taxa de mortalitat propera al 30% i un impacte important en la supervivència als cinc anys. Actualment, la DCE es classifica en tres fenotips principals: síndrome de bronquiolitis obliterant (BOS), síndrome restrictiu de l’al·loempelt (RAS) i un fenotip mixt.

La detecció precoç de la DCE mitjançant biomarcadors fiables podria millorar les estratègies terapèutiques i preventives, optimitzant els resultats en els pacients. Per això, ha augmentat l’interès en la identificació de biomarcadors capaços de detectar el dany i la disfunció de l’empelt en etapes inicials. Krebs von den Lungen 6 (KL-6), una mucina secretada principalment per pneumòcits tipus II danyats, ha emergit com un biomarcador prometedor per al diagnòstic del fenotip RAS. A més, l’ADN lliure circulant derivat del donant (dd-cfDNA) ha demostrat potencial com a marcador sensible de lesió de l’empelt pulmonar i ha estat investigat en el context del rebuig de l’al·loempelt.

L’objectiu principal d’aquesta tesi va ser avaluar la utilitat diagnòstica de dos biomarcadors —KL-6 (Part 1) i dd-cfDNA (Part 2)— en la DCE. Tots dos biomarcadors es van mesurar de manera longitudinal en dues cohortes diferents de receptors de trasplantament pulmonar i van ser analitzats en relació amb el desenvolupament de la DCE al llarg del temps.

El primer estudi (Part 1) va revelar que, encara que els nivells de KL-6 no van diferir significativament en comparar tots els pacients amb DCE amb aquells que no la van desenvolupar, l’estratificació segons fenotip de DCE va mostrar que els pacients amb fenotips RAS/mixt presentaven nivells significativament més alts de KL-6 al llarg del temps en comparació amb pacients estables i amb BOS, amb diferències evidents als 12 mesos posttrasplantament. A més, l’anàlisi dels nivells de KL-6 als sis mesos posttrasplantament va identificar un llindar que podria predir els pacients amb major risc de desenvolupar DCE tipus RAS.

En el segon estudi (Part 2), es van analitzar les dinàmiques temporals dels nivells de dd-cfDNA. Es va observar un augment de dd-cfDNA a partir dels sis mesos posttrasplantament. Encara que no es va detectar una associació estadísticament significativa entre els nivells de dd-cfDNA i el deteriorament de la funció pulmonar, els pacients amb nivells progressivament creixents de dd-cfDNA van mostrar un major risc de desenvolupar DCE i una major mortalitat. De manera consistent amb la literatura prèvia, també es van observar nivells elevats de dd-cfDNA en alguns pacients que no van desenvolupar DCE, la qual cosa dona suport al seu possible paper com a marcador de lesió de l’empelt pulmonar.

En conclusió, els estudis presentats en aquesta tesi contribueixen a l’avenç de l’ús de biomarcadors en la monitorització dels pacients després del trasplantament pulmonar i donen suport a la utilitat potencial de KL-6 i dd-cfDNA en el diagnòstic precoç i l’estratificació del risc de la DCE. Aquests descobriments podrien facilitar la identificació de pacients amb un major risc de desenvolupar aquesta complicació, permetent una millora en la cura posttrasplantament i en els resultats clínics. Calen futures investigacions per validar aquests biomarcadors en cohortes més àmplies i explorar-ne la integració en la pràctica clínica com a part d’estratègies de monitorització personalitzades.

El trasplante pulmonar (TP) sigue siendo la opción terapéutica definitiva para pacientes con enfermedades respiratorias avanzadas. A pesar de los avances significativos, el TP continúa presentando los peores resultados de supervivencia a largo plazo entre todos los trasplantes de órganos sólidos (TOS). El principal factor que limita la supervivencia postrasplante es la disfunción crónica del injerto (DCI), que representa la principal causa de morbilidad y mortalidad después del primer año postrasplante, con una tasa de mortalidad cercana al 30% y un impacto importante en la supervivencia a cinco años. Actualmente, la DCI se clasifica en tres fenotipos principales: síndrome de bronquiolitis obliterante (BOS), síndrome restrictivo del aloinjerto (RAS) y un fenotipo mixto.

La detección temprana de la DCI mediante biomarcadores fiables podría mejorar las estrategias terapéuticas y preventivas, optimizando los resultados en los pacientes. Por ello, ha aumentado el interés en la identificación de biomarcadores capaces de detectar el daño y la disfunción del injerto en etapas iniciales. Krebs von den Lungen 6 (KL-6), una mucina secretada principalmente por neumocitos tipo II dañados, ha surgido como un biomarcador prometedor para el diagnóstico del fenotipo RAS. Además, el ADN libre circulante derivado del donante (dd-cfDNA) ha mostrado potencial como marcador sensible de lesión del injerto pulmonar y ha sido investigado en el contexto del rechazo del aloinjerto.

El objetivo principal de esta tesis fue evaluar la utilidad diagnóstica de dos biomarcadores — KL-6 (Parte 1) y dd-cfDNA (Parte 2) — en la DCI. Ambos biomarcadores fueron medidos de forma longitudinal en dos cohortes distintas de receptores de trasplante pulmonar y analizados en relación con el desarrollo de DCI a lo largo del tiempo.

El primer estudio (Parte 1) reveló que, aunque los niveles de KL-6 no difirieron significativamente al comparar a todos los pacientes con DCI frente a los que no la desarrollaron, la estratificación según fenotipo de DCI mostró que los pacientes con fenotipos RAS/mixto presentaron niveles significativamente más altos de KL-6 a lo largo del tiempo en comparación con pacientes estables y con BOS, con diferencias evidentes a los 12 meses postrasplante. Además, el análisis de los niveles de KL-6 a los seis meses postrasplante identificó un umbral que podría predecir a los pacientes con mayor riesgo de desarrollar DCI tipo RAS.

En el segundo estudio (Parte 2), se analizaron las dinámicas temporales de los niveles de dd-cfDNA. Se observó un aumento de dd-cfDNA a partir de los seis meses postrasplante. Aunque no se detectó una asociación estadísticamente significativa entre los niveles de dd-cfDNA y el deterioro de la función pulmonar, los pacientes con niveles progresivamente crecientes de dd-cfDNA mostraron un mayor riesgo de desarrollar DCI y una mayor mortalidad. Consistente con la literatura previa, también se observaron niveles elevados de dd-cfDNA en algunos pacientes que no desarrollaron DCI, lo que respalda su posible papel como marcador de lesión del injerto pulmonar.

En conclusión, los estudios presentados en esta tesis contribuyen al avance del uso de biomarcadores en la monitorización de los pacientes tras el trasplante pulmonar y respaldan la utilidad potencial de KL-6 y dd-cfDNA en el diagnóstico precoz y la estratificación de riesgo de la DCI. Estos hallazgos podrían facilitar la identificación de pacientes con mayor riesgo de desarrollar esta complicación, permitiendo una mejora en el cuidado postrasplante y en los resultados clínicos. Se requieren futuras investigaciones para validar estos biomarcadores en cohortes más amplias y explorar su integración en la práctica clínica como parte de estrategias de monitorización personalizadas.

Lung transplantation (LT) remains the definitive treatment for patients with advanced respiratory diseases. Despite significant advances, LT continues to have the poorest long-term survival outcomes among all solid organ transplants (SOT). The primary factor limiting post-transplant survival is chronic lung allograft dysfunction (CLAD), which is the leading cause of morbidity and mortality beyond the first year post-transplant, with a mortality rate approaching 30% and a major impact on five-year survival. CLAD is currently classified into three main phenotypes: bronchiolitis obliterans syndrome (BOS), restrictive allograft syndrome (RAS), and a mixed phenotype.

Early detection of CLAD through reliable biomarkers could enhance therapeutic and preventive strategies, improving patient outcomes. Consequently, there has been growing interest in identifying biomarkers capable of detecting graft injury and dysfunction at early stages. Krebs von den Lungen 6 (KL-6), a mucin primarily secreted by injured type II pneumocytes, has emerged as a promising biomarker for diagnosing the RAS phenotype. Additionally, donor-derived cellfree DNA (dd-cfDNA) has shown potential as a sensitive marker of lung graft injury and has been investigated in the context of allograft rejection.

The main objective of this thesis was to evaluate the diagnostic utility of two biomarkers —KL-6 (Part 1) and dd-cfDNA (Part 2) — for CLAD. Both biomarkers were measured longitudinally in two separate cohorts of lung transplant recipients and analyzed in relation to CLAD development over time.

The first study (Part 1) revealed that while KL 6 levels did not differ significantly when comparing all patients with CLAD to those without, stratification by CLAD phenotype uncovered that patients with RAS/mixed phenotypes had significantly higher KL-6 levels over time compared to stable and BOS patients, with differences emerging by 12 months post-transplant. Moreover, analysis of KL-6 levels at six months post-transplant identified a threshold that could predict patients at increased risk of developing RAS-type CLAD.

In the second study (Part 2), the temporal dynamics of dd-cfDNA levels were analyzed. An increase in dd-cfDNA was observed from six months posttransplant onwards. While no statistically significant association was detected between dd-cfDNA levels and pulmonary function decline, patients with progressively increasing dd-cfDNA over time showed a higher risk of developing CLAD and greater mortality risk. Consistent with previous literature, elevated ddcfDNA levels were also observed in some patients who did not develop CLAD, supporting its potential role as a marker of lung graft injury.

In conclusion, the studies presented in this thesis advance biomarker-based monitoring in lung transplant recipients and support the potential utility of KL-6 and dd-cfDNA for early diagnosis and risk stratification of CLAD. These findings may facilitate identification of patients at increased risk, enabling improved posttransplant care and outcomes. Further research is warranted to validate these biomarkers in larger cohorts and explore their integration into personalized posttransplant monitoring strategies in clinical practice.