In silico identification of predictive markers for precision medicine in pediatric diseases

This PhD project aimed to identify pharmacogenomics biomarkers for precision medicine in the pediatric population, through an in silico approach, focusing in particular on three case studies. The first study investigated the pharmacogenomics of IBD using transcriptomic profiling of pediatric organoids to understand IBD pathogenesis and glucocorticoid treatment response. No significant differences were found between IBD and non-IBD organoids, though over 200 hypervariable genes, including MUC12, LYZ, and PIGR, were identified. These genes are linked to immune responses and epithelial barriers, both altered in IBD. Despite this, variability in gene expression due to patient differences, organoid differentiation, and IBD heterogeneity posed challenges. The study also assessed methylprednisolone (MTPR) treatment, revealing limited gene expression changes. VSTM2L and KRT6A were consistently altered by MTPR, but patient-specific variability and inflammation influenced results, hindering the possible MTPR effects. The second part focused on identifying genetic variants related to thiopurine response in pediatric leukemia using genome-wide (GWAS) and transcriptome-wide association studies (TWAS). GWAS identified SNPs in TPMT and NUDT15, key genes in thiopurine metabolism and adverse drug reactions (ADRs) like myelosuppression. In addition, novel putative genes, including SLC28A3 (6MP uptake), GNMT, and MTHFR (folate metabolism), were found to be associated with 6MP response. TWAS offered further insights by integrating transcriptomic data, enhancing understanding of how genetic variants affect drug metabolism. These findings suggest that incorporating pharmacogenetic markers into clinical practice could improve ADR detection and treatment efficacy. The third study aimed to find miRNA biomarkers that could predict ketamine-induced ADRs in pediatric sedation, like vomiting and recovery agitation, by using neuron-derived extracellular vesicles (NDEVs). Three miRNAs (hsa-miR-18a-3p, hsa-miR-484, hsa-miR-548az-5p) were identified as potential predictors of ADRs. Differentially expressed miRNAs in ADR patients targeted genes involved mainly in glutamatergic signaling and dopaminergic signaling. Thus, dysregulation in NMDAR, AMPAR, and dopaminergic signaling pathways may impair synaptic plasticity, leading to the onset of ADRs. Particularly, miR-484 emerged as a potential biomarker for predicting ketamine ADRs. Together, these findings provide insights into the molecular mechanisms driving drug response variability and underscore the importance of integrating pharmacogenomics in pediatric clinical practice for more effective and individualized treatments.

Questo progetto di dottorato è mirato a identificare biomarcatori farmacogenomici per la medicina di precisione nella popolazione pediatrica attraverso un approccio in silico, concentrandosi in particolare su tre casi di studio. Il primo studio ha indagato la farmacogenomica delle malattie infiammatorie intestinali (IBD) utilizzando il profilo trascrittomico di organoidi pediatrici per comprendere la patogenesi delle IBD e la risposta al trattamento con glucocorticoidi. Non sono state trovate differenze significative tra organoidi con e senza IBD, sebbene siano stati identificati oltre 200 geni ipervariabili, tra cui MUC12, LYZ e PIGR. Questi geni sono collegati alle risposte immunitarie e alla barriera epiteliale, entrambe alterate nelle IBD. Tuttavia, la variabilità nell'espressione genica dovuta alle differenze tra pazienti, alla differenziazione degli organoidi e all'eterogeneità della IBD ha posto sfide importanti. Lo studio ha inoltre valutato il trattamento con metilprednisolone (MTPR), rivelando un effetto limitato del MTPR sull'espressione genica. VSTM2L e KRT6A sono risultati costantemente alterati dal MTPR, ma la variabilità specifica del paziente e l'infiammazione hanno influenzato i risultati, ostacolando l'individuazione dei potenziali effetti del MTPR. La seconda parte si è concentrata sull'identificazione di varianti genetiche associate alla risposta alle tiopurine nella leucemia pediatrica, utilizzando approcci di genome-wide association studies (GWAS) e transcriptome-wide association studies (TWAS). Il GWAS ha identificato SNP in TPMT e NUDT15, geni chiave nel metabolismo delle tiopurine e nelle reazioni avverse ai farmaci come la mielosoppressione. Inoltre, sono stati trovati nuovi geni potenziali, tra cui SLC28A3 (assorbimento di 6MP), GNMT e MTHFR (metabolismo dei folati), associati alla risposta al 6MP. Il TWAS ha offerto ulteriori approfondimenti integrando i dati trascrittomici, migliorando la comprensione di come le varianti genetiche influenzino il metabolismo dei farmaci. Questi risultati suggeriscono che l'integrazione dei marker farmacogenetici nella pratica clinica potrebbe migliorare l'efficacia del trattamento e la predizione di effetti avversi. Il terzo studio ha cercato di identificare miRNA in grado di prevedere gli effetti avversi indotti dalla ketamina nella sedazione pediatrica, come vomito e agitazione post-risveglio, utilizzando vescicole extracellulari derivate dai neuroni (NDEV). Sono stati identificati tre miRNA (hsa-miR-18a-3p, hsa-miR-484, hsa-miR-548az-5p) come potenziali predittori di efetti avversi. I miRNA espressi in modo differenziale nei pazienti con ADR bersagliavano principalmente geni coinvolti nella segnalazione glutammatergica e dopaminergica. Pertanto, la disregolazione nelle vie di segnalazione NMDAR, AMPAR e dopaminergica potrebbe compromettere la plasticità sinaptica, portando all'insorgenza di effetti avversi. In particolare, il miR-484 è emerso come potenziale biomarcatore per la previsione di effetti avversi indotti da ketamina. Nel complesso, questi risultati forniscono nuovi approfondimenti sui meccanismi molecolari che determinano la variabilità nella risposta ai farmaci e sottolineano l'importanza di integrare la farmacogenomica nella pratica clinica pediatrica per ottenere trattamenti più efficaci e personalizzati.