Številka ARRS projekta: J3-3075 

Projektna skupina: 

UKC Ljubljana:

• Bojan Vrtovec (vodja projekta)
• Sabina Frljak
• Gregor Poglajen
• Gregor Zemljič
• Andraž Cerar
• Miran Šebeštjen
• Renata Okrajšek
• Neža Žorž
• Vesna Andročec

Inštitut Jožef Stefan:

• Anton Gradišek
• Erik Dovgan
• Matjaž Gams

Faza in realizacija: Študija je v teku

Opis raziskave: 

1 ZNANSTVENA IZHODIŠČA

Kljub pomembnemu napredku v medikamentozni in nemedikamentozni obravnavi srčnega popuščanja (SP) v zadnjih desetletjih, je ta bolezen tudi danes vse pogostejša, bolniki s SP pa imajo še vedno zelo slabo prognozo z visoko stopnjo zgodnje in pozne umrljivosti¹. Kljub temu, da lahko s sodobno obravnavo bolnikov s SP pomembno izboljšamo simptome in znake bolezni, zmanjšamo potrebo po pogostih bolnišničnih obravnavah zaradi poslabšanja SP in izboljšamo preživetje teh bolnikov², pa nobena od navedenih oblik zdralvjenja ne temelji na regeneraciji poškodovane/odmrle srčne mišice. Slednje predstavlja temeljni patofiziološki mehanizem nastanka in napredovanja srčnega popušanja, ki pa ni neposredno odvisen od načina poškodbe srčne mišice. 

Objava prve študije, ki je pokazala učinkovitost zdravljenja z matičnimi celicami na živalskem modelu akutnega miokardnega infarkta³, je vzbudila zanimanje za uporabo tovrstnega načina zdravljenja tudi  pri bolnikih s kroničnim SP. Večina kliničnih študij, ki so pri tej populaciji bolnikov preučevale klinične učinke zdravljenja z matičnimi celicami, se je osredotočala zlasti na bolnike z ishemičnim SP. Rezultati prvih, manjših, študij so sicer nakazali, da bi zdravljenje z matičnimi celicami pri bolnikih s SP utegnilo imeti ugodne klinične učinke in izboljšati delovanje levega prekata, vendar teh spodbudnih preliminarnih rezultatov kasnejše, večje, študije niso v celoti potrdile. Ravno tako je nedavno objavljena metaanaliza 38 randomiziranih prospektivnih kliničnih študij, ki so preučevale učinkovitost  matičnih celic pri zdravljenju ishemičnega SP, pokazala le nizkokakovostne dokaze, da zdravljenje z matičnimi celicami, pridobljenimi iz kostnega mozga, pomembno zmanjšuje umrljivost bolnikov s SP in izboljša delovanje levega prekata⁴. V zadnjem desetletju pa beležimo naraščajoče zanimanje za uporabo zdravljenja z matičnimi celicami tudi pri bolnikih z nehemičnim SP. Slednje predstavlja, pri nas in v svetovnem merilu, v zadnjih letih vodilni vzrok SP, saj več kot 50 % vseh presaditev srca napravimo ravno pri bolnikih z neishemičnim SP¹. Ti podatki kažejo, da bolniki z neishemičnim SP danes  predstavljajo največjo in naraščajočo podskupino bolnikov s SP, pri katerih še posebej potrebujemo  dodatne/alternativne načine zdravljenja SP, kamor sodi tudi zdravljenje z matičnimi celicami⁵. Zadnje populacijske analize kažejo tudi, da s staranjem prebivalstva močno narašča tudi pojavnost bolnikov s SP z ohranjenim iztisnim deležem. Zaenkrat so učinki medikamentoznega in nemedikamentoznega zdravljenja pri teh bolnikih omejeni zlasti na zdravljenje simptomov srčnega popuščanja in spremljajočih bolezni⁶, učinkovite terapije SP, ki bi izboljšala prognozo pa pri tej podskupini bolnikov zaenkrat ne poznamo. Zato je klnično zelo pomembno, da bedavno objavljeni podatki kažejo, da bi zdravljenje s matičnimi celicami utegnilo pomembno izboljšati delovanje levega prekata in telesno zmogljivost bolnikov tudi pri tej obliki SP⁷. 

 

2 PREDSTAVITEV PROBLEMA

Čeprav objavljeni klinični dokazi načeloma kažejo, da je zdravljenje SP z matičnimi celicami lahko učinkovito pri različnih podskupinah bolnikov s SP, pa so rezultati do sedaj objavljenih kliničnih študij nekonsistentni, kar pa močno otežuje širšo implementacijo zdravljenja SP z matičnimi celicami v vsakdanjo klinično prakso. Ključni dejavniki, ki močno otežujejo medsebojno primerjavo rezultatov do sedaj obljavljenih študij in njihovo širšo klinično uporabnost so zlasti razlike v kliničnih značilnostih vključenih bolnikov, vrsti uporabljenih matičnih celic in njihovem številu ter načinih aplikacije matičnih celic (Slika 1).

 

Slika 1. Ključni parametri, ki določajo klinični odziv bolnikov s SP na zdravljenje z matičnimi celicami

 

Klinične značilnosti bolnikov. V primerjavi z bolniki z ishemičnim SP imajo bolniki z neishemičnim SP v srčni mišici pomembno manjše brazgotinsko breme, brazgotina pa redkeje zajema celotno debelino stene srčne mišice.  Ta razlika nakazuje, da je temeljni patofiziološki mehanizem okvare srčne mišice pri bolnikih z neishemičnim SP bolj reverzibilen kot pri bolnikih z ishemičnim SP⁸. Poleg tega so pri neishemičnem SP epikardne koronarne arterije normalno prehodne in tako pri tej skupini bolnikov edino tarčo zdravljenja z matičnimi celicami predstavlja neustrezno delujoča srčna mišica. Slednje bi lahko razložilo različen klinični odziv na zdravljenje z matičnimi celicami med bolnikih z ishemičnim in neishemičnim SP⁵. 

Vrste matičnih celic. Dosedanje klinične študije, ki so analizirale učinkovitost in varnost zdravljenja s matičnimi celicami pri bolnikih s kroničnim SP,  so se med seboj pomembno razlikovale tudi glede vrste uporabljenih matičnih celic⁹. Medtem, ko so v zgodnejših študijah najpogosteje uporabljali skeletne mioblaste in nefrakcionirane mononuklearne celice, pridobljene iz kostnega mozga, pa novejše klinične študije večinoma uporabljajo specifične subpopulacije mononuklearnih matičnih celic, pridobljenih iz kostnega mozga, avtologne ali alogenske mezencimske matične celice, kardiosfere in kardiopoetske matične celice. Ker imajo različni tipi matičnih celic v tarčni srčni mišici pomembno različne mehanizme delovanja, lahko to ključno določa njihove klinične učinke pri zdravljenju bolnikov s SP. 

Število matičnih celic. Kljub čedalje več dokazom, da lahko večje število matičnih celic privede do boljšega kliničnega učinka zdravljenja SP^10,11, pa trenutno še ni dosežen širši dogovor o optimalnem številu matičnih celic za zdravljenje SP, ki bi ga uporabljali v prihodnjih kliničnih študijah. Zaenkrat pri obravnavi SP ostaja realtivno neopredeljena tudi učinkovitost ponavljajočega zdravljena z matičnimi celicami¹². 

Načini aplikacije matičnih celic. V predkliničnih in kliničnih študijah je bilo do danes analiziranih več možnih načinov aplikacije matičnih celic. Do sedaj je najpogosteje uporabljen pristop v kliničnih študijah predstavljala intrakoronarna infuzija suspenzije matičnih celic. Čeprav se je izkazalo, da je ta način aplikacije matičnih celic preprost, poceni, varen in relativno učinkovit, pa je ta način aplikacije matičnih celic močno omejen zlasti pri bolnikih z ishemičnim SP in difuzno aterosklerotično prizadetostjo koronarnih arterij. Sodobne študije tako pri aplikaciji matičnih celic uporabljajo transendokardi pristop, pri katem matične celice injiciramo neposredno v srčno mišico, mesta injekcij pa določimo na osnovi elektromehanskih lastnosti tarčne srčne mišice. Transendokardna aplikacija matičnih celic je, v primerjavi z intrakoronarno infuzijo, dokazano povezana tudi z znatno višjo stopnjo zadrževanja (retence) matičnih celic v srčni mišici¹³.

 

3 CILJI RAZISKAVE

Splošni cilj projekta CELL-HF je razviti personaliziran pristop zdravljenja SP z matičnimi celicami, ki bo uporaben pri široki populaciji bolnikov s kroničnim SP. V sklopu projekta CELL-HF želimo  (1) vzpostaviti široko podatkovno bazo bolnikov s kroničnim SP, ki so bili zdravljeni z matičnimi celicami, in sicer z združevanjem podatkov iz več registrov in kliničnih študij, ki so zajemale različne podskupine bolnikov s SP. To podatkovno bazo bomo nato analizirali z (2) analitičnimi algoritmi umetne inteligence, s čemer želimo ugotoviti ključna merila za napovedovanje ugodnega kliničnega izhoda zdravljenja z matičnimi celicami pri splošni populaciji bolnikov s SP. Tako dobljena napovedna merila bomo nato validirali s (3) potrditveno klinično študijo, v katero bomo vključili le tiste bolnike s SP, pri katerih bomo na osnovi ugotovljenih meril napovedali ugoden klinični izid zdravljenja SP za matičnimi celicami. Na podlagi teh splošnih ciljev so specifični cilji projekta CELL-HF naslednji:

Primarni cilj projekta je opredeliti merila za optomalni izbor bolnikov za zdravljenje z matičnimi celicami v splošni populaciji bolnikov s kroničnim SP. 

Sekundarni cilj projekta je bolje opredeliti učinke števila in vrste matičnih celic ter načinov aplikacije matičnih celic na učinkovitost zdravljenja z matičnimi celicami v splošni populaciji bolnikov s kroničnim SP.

 

 4 OPIS ŠTUDIJE

Prvi del

Razvoj modelov strojnega učenja. V tej nalogi uporabljamo algoritme za razvrščanje, temelječe na  umetni inteligenci, da bi ugotovili, kateri bolniki s SP se lahko ugodno odzovejo na zdravljenje z matičnimi celicamu na podlagi značilnosti, izdelanih v tej nalogi. Uporabljamo različne pristope. Algoritmi gručenja lahko odkrijejo skupne lastnosti bolnikov s podobnim odzivom na zdravljenje. Klasično strojno učenje, ki vključuje modele, kot so odločitvena drevesa z izpeljanimi modeli ali »support vector machines«, ponuja določeno mero razumevanja, zakaj je bila sprejeta določena odločitev. Po drugi strani pa so se metode globokega učenja z uporabo različnih vrst nevronskih mrež izkazale za zelo uspešne pri reševanju zapletenih klasifikacijskih nalog, pogosto delujejo na osnovi surovih signalov brez potrebe po predhodni obdelavi, vendar delujejo kot "črne skrinjice", kjer algoritemska odločitev človeku ni razumljiva. Odvisno od modelov in podatkov jerezultat binarni (pacient se bo dobro odzval na zdravljenje ali pa se ne nanj bo dobro odzval) ali kompleksen (ta vrsta bolnikov se bo dobro odzvala na neko določeno zdravljenje). 

Razvoj platforme za uporabo v klinični praksi. Cilj te naloge je razviti platformo, ki bo zdravnikom omogočila nalaganje bolnikovih podatkov na strežnik. Podatke analiziramo z algoritmi, razvitimi v predhodno opisani nalogi, rezultate pa nato predstavimo zdravnikom.

 

Drugi del

Zastavili smo prospektivno, randomizirano dvojno slepo, s placebom kontrolirano klinično študijo, v katero bomo vključili 30 bolnikov s SP. Po vključitvi v študijo bomo pri vseh bolnikih najprej opravili 5-dnevno stimulacijo in mobilizacijo matičnih celic z granulocite stimulirajočim faktorjem (G-CSF). Nato bomo bolnike v razmerju 2:1 randomizirali v aktivno (skupina SC) ali kontrolno skupino (Kontrolna skupina). Pri bolnikih  v skupini SC bomo po opravljeni stimulaciji in mobilizaciji opravili aferezo; tako dobljene celice bomo nato še dodatno selekcionirali z imunomagnetno selekcijo, končni celični produkt (6 ml suspenzije CD34+ celic) pa bomo nato s transendokardimi injekcijami injicirali v tarčni del srčne mišice. Slednje bomo določili z elektroanatomsko kartografijo srčne mišice levega prekata. V kontrolni skupini afereze in imunomagnetne selekcije ne bomo izvedli, opravili pa bomo transendokardne injekcije placeba po enakem protokolu eletroanatomske kartografije, kot smo ga uporabili v skupini SC (Slika 2). Bolnike bomo v sklopu študije spremljali 1 leto. Ob vključitvi v študijo, po 6 mesecih in po enem letu, bomo opravili celovito klinično oceno bolnikov. Vse podatke bomo vnesli v varno centralno bazo podatkov, njihovo analizo pa bomo z integracijskimi algortimi opravili, ko bodo s študijsko obravnavo zaključili vsi bolniki (last patient-last visit). Analizo z integracijskimi algoritmi bomo opravili v sodelovanju s Stanford Cardiovascular Institute.

 

Slika 2: Diagram zasnove klinične študije

 

Opazovani dogodki

Primarni opazovani dogodek bo vključeval spremembo iztisnega deleža levega prekata med izhodiščem in 1 letom po presaditvi matičnih celic.

Sekundarni opazovani dogodki bodo vključevali:

• Spremembe telesne zmogljivosti, funkcionalnega razreda NYHA in kakovosti življenja med izhodiščem in 1 letom po presaditvi matičnih celic.
• Spremembe v dimenzijah levega prekata in funkciji desnega prekata med izhodiščem in 1 letom po presaditvi matičnih celic.
• Spremembe serumske koncentracije NT-proBNP med izhodiščem in 1 letom po presaditvi matičnih celic.
• Spremembe v elektrofizioloških lastnosti miokarda, ocenjene z visokoločljivostnim EKG med začetkom in 1 letom po presaditvi matičnih celic.

Eksploratorni opazovani dogodki bodo vključevali hospitalizacije zaradi poslabšanja srčnega popuščanja, preživetje brez presaditve srca, umrljivost zaradi črpalne odpovedi srčne mišice in umrljivost zaradi nenadne srčne smrti v 1 letu po presaditvi matičnih celic.

Varnostni opazovani dogodki bodo vključevale neželene dogodke (AE) in resne neželene dogodke (SAE) in jih bo v času študije zbiral in spremljal neodvisni odbor za nadzor varnosti podatkov v skladu s trenutno veljavno zakonodajo.

 

Reference

1. Benjamin EJ, Blaha MJ, Chiuve SE, Cushman M, Das SR, Deo R, et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2017 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 2017;135:e146-e603.
2. Ponikowski P, Voors AA, Anker SD, et al.. 2016 ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure: The Task Force for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure of the European Society of Cardiology (ESC). Developed with the special contribution of the Heart Failure Association (HFA) of the ESC. Eur J Heart Fail. 2016;18:891-975.
3. Orlic D, Kajstura J, Chimenti S, et al. Bone marrow cells regenerate infarcted myocardium. Nature. 2001;410:701–705.
4. Fisher SA, Doree C, Mathur A, Taggart DP, Martin-Rendon E. Cochrane Corner: stem cell therapy for chronic ischaemic heart disease and congestive heart failure. Heart. 2018;104:8-10.
5. Vrtovec B. Cell Therapy for Nonischemic Cardiomyopathy: Current Status and Future Perspectives. Circ Res. 2018;122:28-30.
6. Nair N. Epidemiology and pathogenesis of heart failure with preserved ejection fraction. Rev Cardiovasc Med. 2020;21:531-540.
7. Vrtovec B, Frljak S, Poglajen G, Zemljic G, Cerar A, Sever M, Haddad F, Wu JC. Cell Therapy in Heart Failure With Preserved Ejection Fraction (CELLpEF). Circulation 2020;142:Suppl 3.
8. Bello D, Shah DJ, Farah GM, et al. Gadolinium cardiovascular magnetic resonance predicts reversible myocardial dysfunction and remodeling in patients with heart failure undergoing beta-blocker therapy. Circulation. 2003;108:1945-1953.
9. Poglajen G, Vrtovec B. Stem cell therapy for chronic heart failure. Curr Opin Cardiol. 2015;30(3):301-10.
10. Vrtovec B, Poglajen G, Lezaic L, Sever M, Domanovic D, Cernelc P, Socan A, Schrepfer S, Torre-Amione G, Haddad F, Wu JC. Effects of intracoronary CD34+ stem cell transplantation in nonischemic dilated cardiomyopathy patients: 5-year follow-up. Circ Res. 2013 Jan 4;112:165-73.
11. Vrtovec B, Poglajen G, Sever M, Zemljic G, Frljak S, Cerar A, Cukjati M, Jaklic M, Cernelc P, Haddad F, Wu JC. Effects of Repetitive Transendocardial CD34+ Cell Transplantation in Patients With Nonischemic Dilated Cardiomyopathy. Circ Res. 2018;123:389-396.
12. Vrtovec B, Bolli R. Potential Strategies for Clinical Translation of Repeated Cell Therapy. Circ Res. 2019;124:690-692.
13. Vrtovec B, Poglajen G, Lezaic L, Sever M, Socan A, Domanovic D, Cernelc P, Torre-Amione G, Haddad F, Wu JC. Comparison of transendocardial and intracoronary CD34+ cell transplantation in patients with nonischemic dilated cardiomyopathy. Circulation. 2013;128(11 Suppl 1):S42-9.