Abstract

intravesical Bacillus Calmette Guérin (BCG) imunoterapia é considerada o padrão de cuidados para o tratamento de não-muscular câncer de bexiga invasivo; No entanto, os parâmetros de tratamento foram estabelecidos empiricamente. A fim de avaliar o potencial de optimização de parâmetros clínicos de terapia de indução com BCG, e construiu-se um novo consultado modelo matemático. Especificamente, avaliou o impacto da (1) duração entre ressecção com a primeira instilação; (2) a dose de BCG; (3) Tempo de habitação; e (4) intervalo de tratamento de terapia de indução – usando taxa de cura como desfecho primário. Com base em dados clínicos disponíveis e

In vitro

dados experimentais, nós construímos e parametrizada um modelo matemático que descreve estocástica as interacções entre o BCG, o sistema imunitário, células da mucosa da bexiga e tumores. O objectivo primário do modelo era a probabilidade de extinção tumoral após a terapia de indução BCG em pacientes com alto risco de recorrência do tumor. Nós teoricamente demonstrar que se estende a duração entre a ressecção e a primeira instilação BCG influencia negativamente o resultado do tratamento. Simulações de altas doses de BCG e tempos de demora mais longos ambos melhorou a probabilidade de extinção tumor. A descoberta notável foi que uma inter-instilação intervalo de duas vezes mais do que o intervalo de sete dias utilizado no actual nível de cuidados melhoraria substancialmente o resultado do tratamento. Nós fornecer informações sobre questões clínicas relevantes usando um modelo matemático novela de BCG imunoterapia. Nosso modelo prevê um regime alterado que pode diminuir os efeitos colaterais do tratamento, melhorando a resposta à terapia

Citation:. Rentsch CA, Biot C, Gsponer JR, Bachmann A, Albert ML, Breban R (2013) BCG-Mediated a imunoterapia do cancro de bexiga: Identificando Determinantes da resposta ao tratamento Usando um Modelo matemático calibrado. PLoS ONE 8 (2): e56327. doi: 10.1371 /journal.pone.0056327

Autor: David J. Klinke, West Virginia University, Estados Unidos da América

Recebido: 23 Setembro, 2012; Aceito: 08 de janeiro de 2013; Publicação: 25 de fevereiro de 2013

Direitos de autor: © 2013 Rentsch et al. . Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Attribution, que permite uso irrestrito, distribuição e reprodução em qualquer meio, desde que o autor original ea fonte sejam creditados

Financiamento: Conceder um apoio Este trabalho foi apoiado por La Ligue Contre Cancer le e Association pour la Recherche sur le Câncer. CAR reconhece o apoio da Fundação Nacional da Suíça. As opiniões e declarações contidas neste artigo são de responsabilidade dos autores e não representam a política oficial, endosso, ou vistas de Instituto Pasteur. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta de dados e análise, decisão de publicar ou preparação do manuscrito

CONFLITO DE INTERESSES:.. Os autores declararam que não existem interesses conflitantes

Introdução

O tratamento adjuvante de não-muscular câncer de bexiga invasivo (NMIBC) usando Bacillus Calmette-Guérin intravesical (BCG) após a ressecção transuretral foi estabelecida empiricamente há quase 40 anos [1]. Embora a terapia BCG continua a ser o padrão de atendimento, os parâmetros críticos que influenciam o resultado do tratamento ainda são pouco conhecidos. Num estudo anterior, construímos um modelo matemático que foi calibrado com dados clínicos disponíveis para avaliar a capacidade do sistema imune inato que o braço efectora princípio responsável pela resposta a terapia. Foi demonstrado que a função efectora da resposta imune inata não é potente o suficiente para se obterem as taxas de cura observados na prática clínica [2]. Concluímos, portanto, que os componentes do sistema imunitário adaptativo deve desempenhar um papel fundamental na eliminação de tumores. Adaptive células efectoras imunes (por exemplo, linfócitos T) são distintos dos povoa mais inatas como eles são de longa duração, possuem propriedades de especificidade de antigénio e a memória imunológica, com a possibilidade de interagir com várias células alvo durante um único ciclo de activação. As estimativas baseadas em dados experimentais sugerem que um único linfócito T citolítico tem o potencial para matar dez células alvo, antes que requer a reactivação por uma célula apresentadora de antigénio [3]. Além disso, a existência de um conjunto de memória de células T específicas para o antigénio permite uma resposta celular efectora imune adaptativa mais robusto após re-exposição secundária ao BCG.

Usando um modelo matemático sofisticado, que inclui as funções efectoras adaptativas do sistema imunológico, abordamos vários parâmetros clínicos, a fim de aprender sobre o seu impacto para um protocolo ideal de imunoterapia BCG bem sucedido. Especificamente, integrado disponível clínica e

In vitro

dados experimentais para construir e parametrizar um novo modelo matemático estocástica descrever as interacções entre o BCG, o sistema imunológico, e as células tumorais com o objectivo primário é a probabilidade de extinção do tumor. Nós não apontar para resultados quantitativos precisos, mas sim para uma compreensão qualitativa robusto que permaneceria válido para modelos futuros, que poderiam integrar a níveis crescentes de detalhes. Nisto, avaliou-se o impacto de: (1) variando o tempo de ressecção ao BCG instilação, (2) modular a dose de vacina utilizada durante a instilação intravesical, (3) o tempo residente de BCG, e (4) o intervalo inter-instilação .

Apesar de todos os parâmetros influenciaram o resultado do tratamento, o resultado mais surpreendente em causa o impacto do intervalo inter-instilação onde simulações sugeriu que um intervalo de duas vezes mais do que o intervalo de sete dias utilizado no actual nível de cuidados, melhoraria substancialmente o resultado do tratamento. Nosso estudo fornece uma visão útil e hipóteses testáveis ​​que poderia levar a uma melhor gestão em NMIBC.

Materiais e Métodos

O nosso modelo matemático faz suposições sobre as interacções desencadeadas por instilações de BCG e simula a dinâmica das populações de células. Antes do início da terapia com BCG, três populações de células estão presentes: o tecido saudável urotelial, tumor e células do sistema imune inato. As interações entre estas populações de células são desprezíveis. Os processos que ocorrem em cada uma destas populações de células antes do tratamento são a migração celular e /ou proliferação e morte locais (Figuras 1 e S1 para esquemática; e Figura S2 para a simulação do crescimento do tumor). Digno de nota, as células imunitárias adaptativas activado (por exemplo, células T específicas para o antigénio) não estão presentes terapia pré-BCG, como a sua entrada requer priming. Durante instilações de BCG, ao vivo BCG é capaz de interagir ativamente com células enquanto BCG mortos podem ser internalizados pelas células; referimo-nos a BCG como tornando-se “associado às células,” para denotar qualquer uma destas duas possibilidades. Como resultado da associação com BCG, quatro novas populações de células emergem que são ligados por interacções dinâmicas às anteriormente presentes populações de células na bexiga: (1) células uroteliais BCG-associados, (2) células tumorais BCG-associados, (3) células imunitárias inatas activados e (4) activado células imunitárias adaptativas. BCG associados a células uroteliais saudáveis ​​e células tumorais, que por sua vez causa o aumento da migração e activação de células imunes inatas na bexiga. as células efectoras da imunidade inata como alvo células tumorais uroteliais e BCG associada, destruindo-os, bem como a sua vizinha mucosa sã e células não infectadas de tumor [2]. A inflamação repetida e impulsionado desencadeia a iniciação e eventual recrutamento de células efectoras imunitárias adaptativas. As células do sistema imunitário adaptativo pode ser específico para o antigénio BCG, visando assim urothelial células tumorais e BCG associada; mas eles também podem incluir células efectoras específicas para o antigénio de tumor, permitindo assim o direccionamento directo de células tumorais não infectadas.

O modelo dinâmico representa a interacção entre tecido saudável uroteliais, células tumorais, e a sua associação com BCG (interacção representado por linha verde), que por sua vez, resulta na geração de células de tecidos tumorais e saudáveis ​​BCG-associados. As populações de células últimos possuem a capacidade para desencadear a activação de células efectoras imunitárias inatas e por sua vez o escorvamento de células efectoras imunitárias adaptativas. linhas vermelhas que terminam em círculos indicam os estímulos de entrada que influenciam o recrutamento das populações de células imunes indicados. Setas pretas indicam qualquer aumento (por exemplo, o recrutamento ou a proliferação) ou diminuir (por exemplo, morte ou celular turn-over) da respectiva população de células. Linhas com extremidades rombas indicam morte directa das populações de células alvo (linhas sólidas) ou morte circunstante (linhas tracejadas). O modelo foi parametrizado usando

in vivo

dados clínicos e disponíveis e ajustado para atingir 50% de probabilidade de extinção tumor após seis injeções intravesical semanais de BCG. Uma versão mais detalhada desta figura é fornecida pela Figura S1 do material suplementar.

O modelo qualitativo apresentado acima foi realizado como uma cadeia de Markov de tempo contínuo em que as populações celulares são dadas por variáveis ​​estocásticos inteiros (Tabela S1). Cada interacção foi definida pelo seu impacto sobre as populações de células e atribuído uma taxa de ocorrência (Tabela S2). Uma vez que o modelo matemático foi definida, que integrou numericamente usando o

algoritmo de pular tau eficiente

[4], que foi implementado em C /C ++. Os valores dos parâmetros do modelo (Tabela S3) foram estabelecidas por um dos três métodos. Em primeiro lugar, eles foram obtidos a partir da literatura, onde foram directamente calculado a partir de dados [2], [5]. Em segundo lugar, eles foram escolhidos de tal forma que as simulações da dinâmica populacional celular estão de acordo com clínicas disponíveis e

in vivo

dados [5]; ver Figura S3 para uma simulação amostra. Terceiro, eles foram extraídos a partir de calibrar o modelo de tal forma que a probabilidade de eliminação do tumor é ~ 50%, de acordo com dados clínicos. Assim, pela primeira vez, obteve-se um modelo matemático que combina dados imunológicos e clínicos em imunoterapia de BCG. A descrição completa de o modelo matemático e sua parametrização estão incluídas no material suplementar

O modelo foi usado para simular vários regimes de BCG para avaliar a extinção do tumor é influenciada por:. (1), variando o tempo de ressecção de BCG instilação, (2) modular a dose de vacina utilizada durante a instilação intravesical, (3) o tempo residente de BCG, e (4) o intervalo inter-instilação. Cada probabilidade de extinção tumor foi calculado pela execução 1.000 simulações estocásticas, de tal forma que é resultante de 95% de intervalo de confiança tornou-se razoavelmente pequeno. O código de computador também foi empregado na incerteza e análises de sensibilidade para avaliar a robustez dos resultados (Figura S4).

Resultados

Usando o modelo matemático parametrizado, avaliou parâmetros de tratamento que se acredita influenciar clínica resposta. Em primeiro lugar, determinou-se a influência do intervalo de tempo entre a cirurgia e a iniciação do tratamento com BCG. O modelo calculada a probabilidade de extinção do tumor após seis instilações semanalmente como uma função do tempo pós-ressecção (Figura 2A). Quanto mais curto o intervalo de uma cirurgia a terapia com BCG, maior é a possibilidade de alcançar a resposta clínica.

(A) Probabilidade de extinção do tumor com o tempo variando de uma cirurgia para o início da terapia com BCG. A área sombreada cinzenta representa o tempo da cirurgia para a iniciação da terapia com BCG típico (isto é, 2 semanas). A taxa de crescimento do cancro utilizada baseia-se na observação clínica de que lesões de alto grau tornar-se visível por 3 meses na ausência do tratamento (a definição detalhada da dinâmica de tumor é fornecida na Figura informações suplementares e S2). A probabilidade de extinção do tumor após seis instilações de BCG semanais foi modelada como uma função da dose de BCG (B) e (C) Tempo de Permanência BCG.

O modelo foi ainda interrogado para determinar o impacto da dose de BCG e tempo de permanência na bexiga. Notamos uma clara correlação positiva entre a dose de BCG e probabilidade de extinção do tumor (Figura 2B). Surpreendentemente, as pequenas alterações na dose de BCG são previstos para ter um impacto significativo no sucesso terapêutico. BCG é comumente entregues na faixa entre 10

8 a 10

9 UFC /frasco. De acordo com o modelo preditivo, uma tal diferença de 10 vezes na dose clinicamente aplicada pode explicar a resposta diferencial ~ 40% para tratamento. Como um corolário, examinámos o tempo de paragem (isto é, a duração de instilação de BCG). Mais uma vez, vemos que uma maior exposição da mucosa da bexiga para BCG resulta em um aumento da probabilidade de extinção do tumor (Figura 2C).

Os dados recentes sobre o timing tardio de priming de células T após a infecção por micobactérias [6], ou BCG instilação intravesical [7], sugeriu que o programa de tratamento atual não pode ser ajustado adequadamente para a cinética da resposta imune adaptativa. Por conseguinte, o impacto das variáveis ​​tempo inter-instilação foi avaliada. Mantivemos as três primeiras doses semanais, pois isso é necessário para aprontar resposta imune adaptativa e iniciando a inflamação da bexiga [5]; e modelamos o intervalo de tempo ideal entre a terceira através da dose de tratamento sexto, designado pelo

N

na Figura 3A. Na sequência das condições de parametrização, seis instilações semanais resultou na taxa de cura de 50% esperado. Menor duração inter-instilação impactado negativamente resposta clínica (Figura 3B). Notavelmente, o modelo indica um intervalo de tratamento ideal que é duas vezes maior do que o padrão atual de tratamento, sem impacto negativo se estendido para até 30 dias (Figura 3B).

(A) Representação esquemática do modelada ponto de tempo de cirurgia seguido por intravesical pontos de tempo de tratamento (setas). O símbolo * indica o momento da ressecção transuretral (TUR), seguido por o intervalo de 2 semanas antes do início da terapia com BCG. Três instilações semanais são dadas para iniciar respostas imune inata e adaptativa. O intervalo de tempo entre a terceira dose do tratamento através sexta foi variado e designado pelo

N

(medido em semanas). (B) A probabilidade de extinção do tumor como uma função de

N

, o intervalo inter-instilação durante o 3

rd – 6

th doses de tratamento. A linha pontilhada marca o desfecho após o intervalo recomendado de

N

= 1 semana.

Realizamos incerteza e análises de sensibilidade para avaliar a robustez dos resultados numéricos. Descobrimos que as características qualitativas das Figuras 2B 2C são preservados com uma ligeira variação de parâmetros. Os resultados apresentados nas figuras 2A e 3, também foram investigados. Descobrimos que, em cima da recalibração dos modelos, variando a contagem de células tumorais no início da terapia ou modelo de chave de parâmetros impactos pouco sobre as nossas previsões. Detalhes destas análises estão incluídos no material suplementar (Figura S4).

Discussão

Usando um modelo matemático que avaliou questões clinicamente relevantes da terapia com BCG em NMIBC. O modelo revelou que o sucesso terapêutico depende fortemente do tempo do regime de BCG. Um início precoce da terapia BCG após TUR, combinado com um tempo de permanência óptimo e tratamento intervalo inter-instilação, fazer, de fato, têm profunda influência sobre o resultado do tratamento, de acordo com o nosso modelo.

Não há diretrizes atuais aconselhando quando começar a terapia com BCG após a cirurgia. Atraso é considerada importante para a cicatrização da parede da bexiga, e na prevenção de complicações sistêmicas devido a terapia com BCG. Portanto, a maioria dos urologistas esperar 2-6 semanas antes de iniciar a terapia com BCG; No entanto, em alguns estudos, o tratamento intravesical foi iniciado tão cedo quanto uma semana após a ressecção transuretral [8], [9]. Até o momento, não há comparações potenciais de diferentes atrasos para o início do tratamento com BCG foram realizados. Nosso modelo indica que um atraso prolongado na iniciar a terapia BCG poderia impactar negativamente as taxas de recorrência (Figura 2A). A análise do modelo sugerido que o aumento do risco de recidiva foi relacionada com crescimento de células tumorais residuais. Este resultado deve-se à contínua expansão das células tumorais residuais pós-ressecção, aumentando o peso da doença e desafiando a capacidade de matar limitada do sistema imunológico.

As mudanças na dose e do tempo de permanência foram previamente discutidas no literatura na base de reduzir os efeitos colaterais. A redução da dose foi avaliada em vários ensaios clínicos [10], [11], [12], [13], [14], [15]. Reduzir a dose de BCG a um terço foi considerado como uma estratégia pensada para diminuir os efeitos colaterais. Esta dose inferior permaneceu significativamente melhor do que a mitomicina; Considerando que um sexto da dose de BCG não foi melhor do que o uso de mitomicina sozinho [13], [14]. Esses achados corroboram os resultados de modelagem sobre a influência da dose na taxa de cura (Figura 2B). Nosso modelo também mostra que o aumento da dose aumenta o sucesso terapêutico. No entanto, esta provavelmente ocorrem à custa de efeitos secundários melhorados.

A redução do tempo de permanência foi classificado como uma possibilidade de melhorar a terapia e como uma alternativa à redução da dose em pacientes com graves efeitos secundários [16], mas nenhum estudo prospectivo comparou BCG tempo de permanência como uma variável. O modelo indica que o aumento do tempo de permanência pode também influenciar o resultado do tratamento (Figura 2C). Isso poderia ser de especial importância em pacientes com sintomas mínimos que podem beneficiar de ativação imune mediada por BCG reforçada. Estes resultados fornecem uma forte lembrança da importância de cumprir, no mínimo, as diretrizes atuais para BCG imunoterapia.

Talvez a descoberta mais surpreendente é a observação de que o intervalo de tratamento ideal poderia ser duas vezes, enquanto a corrente programação para tratamento de pacientes (Figura 3). Este achado é provavelmente relacionado com a cinética de T e ativação de células B, e a persistência destas células efetoras relativamente longa duração na bexiga. Ao estender o intervalo do tratamento durante a fase efectora, fomos bem sucedidos na melhoria do período de tempo no qual o sistema imunitário pode exercer uma pressão negativa na carga tumoral residual. É limitada a informação disponível a partir de estudos clínicos em que o intervalo de tratamento foi modificado durante a terapia de indução BCG. Estudos em ratinhos indicaram que o número e a temporização das instilações são importantes na determinação de perfis de citoquinas diferentes locais, o que por sua vez, pode influenciar o recrutamento qualitativa e quantitativa de células efectoras adaptativas [17]. Tais achados em combinação com o resultado do nosso modelo de apoiar a necessidade de novas investigações para determinar o tempo ideal de instilações de BCG. Finalmente, deve ser dada atenção à perda abrupta do efeito do tratamento após um determinado intervalo (Figura 3), uma descoberta que pode ter implicações para o momento da terapia de manutenção.

Estes dados são intrigantes como o tratamento modificado regime engata a resposta imune aferente durante a fase inicial de tratamento e benefícios maximamente a partir do potencial de longa vida efector da resposta adaptativa eferente. Tal regime com cursos longos de tratamento pode ser mais bem tolerado pelos pacientes [18]. Além disso, é intrigante que considerar que a extensão das primeiras seis doses de BCG poderia obviar a necessidade de terapia de manutenção. Claramente, estes resultados necessitam de validação em modelos experimentais pré-clínicos e clínicos antes de serem adoptados para a gestão paciente. No entanto, somos encorajados pelos resultados e apoiar o uso de modelos matemáticos para estabelecer um quadro para a optimização de práticas de tratamento.

O campo da modelagem matemática na BCG imunoterapia de câncer de bexiga surgiu apenas recentemente [19], [20], [21], [22]. Os tópicos abordados até agora foram: dose de BCG e número de injeções necessárias para alcançar a cura, eo efeito combinado de IL-2 e BCG. Modelos anteriores [19], [20], [21], [22] tem um número de limitações, as quais foram violadas neste trabalho. Primeiro, em vez de equações diferenciais ordinárias, onde os números de células são dadas por números reais, nós escolhemos um modelo estocástico, onde o número de células assumir valores inteiros. Por isso, o nosso modelo é mais adequado para descrever a eliminação do tumor. Em segundo lugar, ao contrário dos modelos anteriores [19], [20], [21], [22], o nosso inclui a dinâmica das células uroteliais saudáveis ​​BCG-associados, que são mais numerosos do que as células tumorais BCG-associados – ambos servindo como iniciadores de inato e imunidade adaptativa. Em terceiro lugar, nós somos o primeiro a modelar a resposta impulso principal do sistema imunológico, um fenómeno que se acredita ser de importância crítica para a imunoterapia BCG [5]. Estes avanços metodológicos, além dos resultados apresentados aqui, vai ajudar a promover o uso de modelos matemáticos para otimização de estratégias de tratamento de base imunológica.

Conclusões

Embora por definição imperfeita, modelos matemáticos são ferramentas úteis para o gerenciamento de conhecimentos empíricos para extrair informações qualitativas e quantitativas. Os novos conhecimentos adquiridos em tratamento BCG continuam a ser clinicamente testados e validados a fim de confirmar a coerência do modelo e seus pressupostos. Um modelo como o apresentado aqui, pode, portanto, ser considerados para a concepção de novas estratégias terapêuticas e estudos clínicos.

Em suma, o nosso modelo implica que a gestão do tempo rigorosa dos doentes com cancro da bexiga pode ser crucial para BCG sucesso tratamento e que os pacientes podem beneficiar consideravelmente de um plano de instilação com intervalos de tratamento prolongados. Nossos resultados justificam mais estudos visando otimizar a terapia BCG em pacientes com NMIBC.

Informações de Apoio

Figura S1. Diagrama de Fluxo

do modelo de interacções entre o sistema imune inato e tumor da bexiga durante a instilação de BCG.

doi: 10.1371 /journal.pone.0056327.s001

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Figura S2.

Simulação do crescimento do tumor logística, ressecção e tumor re-crescimento. A linha horizontal tracejada representa o tamanho aproximado do tumor quando o tumor é visível na parede da bexiga

doi:. 10.1371 /journal.pone.0056327.s002

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Figura S3.

Simulação da dinâmica das populações de células durante e após um curso de seis semanas da terapia BCG intravesical. BCG (painel A), células tumorais (painel B), células tumorais BCG-associados (Painel C), as células do tecido BCG-associados (painel D), células efectoras inatas (painel E), células efectoras adaptativas (painel F). Note-se a modelagem da resposta prime /boost do inata e adaptado sistema imunológico que ocorrem após a terceira instilação (em particular, os painéis de notas E e F)

doi:. 10.1371 /journal.pone.0056327.s003

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Figura S4. analisa

Sensibilidade de figos. 2A e 3 do texto principal. A. Análise de sensibilidade da Fig. 3 com a alteração da taxa de perda de efetores adaptados,

μ

Ea

. O azul, preto (também mostrado na Fig. 3) e curvas vermelhas correspondem a

μ

Ea

= 0,4, 0,8 e 1,6 dias

-1, respectivamente. Para cada conjunto de parâmetros, o modelo foi re-calibrados de modo que seis instilação semanal de BCG rendimento terapia ~ 50% de chance de cura. B. A análise de sensibilidade da Fig. 3 com a variação do número de células de tumor encontrados na bexiga antes de iniciar a terapia com BCG,

T

(0). O preto (também mostrado na Fig. 3), azul, magenta e curvas vermelhas correspondem a

T

(0) = 10

6, 10

5, 10

4 e 10

3 tumorais. O modelo foi re-calibrados para cada valor de

T

(0), em conformidade. Estes valores numéricos sugerem que a nossa previsão de um melhor resultado terapêutico por uma de duas semanas de intervalo inter-instilação é robusto. C. Análise de sensibilidade da Fig. 2A com a alteração do número de células tumorais antes de iniciar a terapia com BCG, T (0). O preto (., Também mostrado na Figura 2A) e curvas vermelhas correspondem a

T

(0) = 10

6 e 10

3 células tumorais, respectivamente

doi:. 10.1371 /journal .pone.0056327.s004

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Tabela S1. Variáveis ​​de estado

do modelo, juntamente com a sua descrição biológica. As variáveis ​​de estado representam contagens de vários tipos de células envolvidos nas interações entre o sistema imunológico, as células tumorais e BCG

doi:. 10.1371 /journal.pone.0056327.s005

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Tabela S2. processos estocásticos

e suas taxas correspondentes.

doi: 10.1371 /journal.pone.0056327.s006

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Tabela S3.

parâmetros do modelo.

doi: 10.1371 /journal.pone.0056327.s007

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texto S1.

descrição detalhada e análise numérica do modelo matemático estocástica.

doi: 10.1371 /journal.pone.0056327.s008

(PDF)