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Analytic summary
Starting with a description of the state of the art in the management of bronchial asthma, this dissertation aims to pinpoint how and in which parts the current diagnostic and therapeutic algorithm might be improved in order to achieve a tailored clinical management and deeper understanding of the multiple pathophysiological pathways underlying common asthmatic symptoms and signs.
Bronchial asthma is a chronic airway disease affecting more than three hundred million patients worldwide. Given the high prevalence of this disease and the social and economic burden resulting from under- or mistreatment, the optimal management of this condition represents therefore a key goal.
During the last decades, it came to light that asthma represents an umbrella term encompassing different disease subtypes. In the last years, the scientific Literature tried to define a more precise classification, based on clinical and instrumental features, that categorises different asthmatic patient subpopulations as different phenotypes. Although some progress has been made in terms of tailored therapy, such classification contributes only partially to the full and deep understanding of the multiple inflammatory pathways underlying this remarkable heterogeneity. Therefore, in order to investigate the pathophysiological roots of the disease, a rather new trend in the Literature suggests categorising different asthmatic patient subpopulations on the basis of their specific molecular patterns, which are supposed to represent the key pathological determinant leading to one particular group of symptoms and signs – i.e. a phenotype – rather than another one. Therefore, asthma endotypes are the key for understanding such heterogeneity and treating asthmatic patients with a precision medicine approach.
Different diagnostic methods enabling such personalised patient assessment are described in this dissertation. Firstly, a clinical study led by Pisa and Oxford Universities investigates the differences in the expression levels of multiple inflammatory molecules between different subpopulations of asthmatic patients, previously labelled on the basis of their sputum differential cell count as affected by eosinophilic, neutrophilic, mixed, or paucigranulocytic asthma. The results of the study show that sputum IL-8, IL-17 and TNF-α are leading molecules in the neutrophilic asthma endotype, while sputum IL-5 and IL-33 underlie eosinophilic asthma. The mixed endotype is defined by high levels of sputum IL-5, IL-8 and IL-33. There are no significant results regarding paucigranulocytic asthma. The serum levels of these inflammatory molecules provide no useful information for defining and differentiating the aforementioned asthma endotypes. These pathophysiologic differences might be used in a compact, multi-cytokine assessment test that defines univocally the specific patient’s inflammatory pattern. Such results, which would benefit from higher numbers of patients for attaining higher levels of evidence, shed light on the multifaceted inflammatory environment in bronchial asthma and might promote further research in order to define new targeted-therapy strategies for those patients with difficult-to-treat asthma.
The prognostic and therapeutic potential of other diagnostic tools, which are already in use or might be adopted in a clinical environment, is subsequently examined. The techniques taken into consideration are sputum-guided therapy, quantitative measurement of bronchial wall remodelling markers, fractional exhaled nitric oxide (FeNO) measurement, and chest high-resolution computed tomography (HRCT). For each one of these, the state of the art and current use of the diagnostic tool is described. Each technique has its own distinctive features and is (or might be) used in different ways and for various purposes. More specifically, sputum-guided therapy represents a precision medicine approach to different asthma endotypes whereby treatment is tailored to the characteristics of induced sputum in the individual patient. The definition of specific sputum bronchial wall remodelling biomarkers might allow to understand which mediators lead to fixed airway obstruction, a condition that worsens the prognosis of asthmatic patients. Fractional exhaled nitric oxide provides useful information during the diagnostic assessment and follow-up of eosinophilic asthma patients. A new chest HRCT scoring system uses key imaging features to differentiate eosinophilic from non-eosinophilic asthmatic patients.
In conclusion, patient endotyping is a modern concept of precision medicine that will enable in the near future personalised treatment in the individual patient. Although the heterogeneity of asthma is far from being understood in its entirety, every single diagnostic tool takes us a step closer to understanding the multiple and often intertwined pathways underlying the condition in the individual patient.

Riassunto analitico
Prendendo le mosse dalla descrizione dello stato dell’arte nella gestione del paziente affetto da asma bronchiale, la tesi di Laurea si prefigge di analizzare come ed in quali sue parti l’attuale protocollo diagnostico e terapeutico possa essere migliorato affinché si possano raggiungere un management personalizzato del paziente ed una più completa comprensione delle molteplici vie fisiopatologiche sottendenti la sintomatologia asmatica.
L’asma bronchiale è una patologia cronica delle vie aeree che interessa più di trecento milioni di pazienti in tutto il mondo. Considerate tale elevata prevalenza e le implicazioni socio-economiche derivanti da un trattamento non appropriato, un approccio di medicina di precisione risulta pertanto di fondamentale interesse ed attualità.
Durante le ultime decadi, è diventato evidente come il concetto di “asma” rappresenti in effetti un termine ombrello sotto cui si raggruppano distinti sottotipi di patologia. Negli ultimi anni la Letteratura scientifica ha infatti tentato di definire in maniera più precisa tali sottotipi basandosi su caratteristiche cliniche e strumentali, classificando le diverse sottopopolazioni di pazienti come fenotipi distinti. Nonostante il fatto che tale suddivisione abbia permesso di compiere dei progressi nell’ambito della tailored therapy, i meccanismi sottostanti a tale eterogeneità sono rimasti ancora un ambito da esplorare. Per questo motivo una nuova scuola di pensiero suggerisce in Letteratura di categorizzare le differenti sottopopolazioni asmatiche sulla base dei loro specifici pattern molecolari, ritenuti i determinanti di patologia chiave per un particolare insieme di caratteristiche cliniche – cioè un fenotipo – piuttosto che un altro. Appare quindi evidente come tali endotipi asmatici rappresentino la chiave per comprendere l’eterogeneità della patologia asmatica e trattare i singoli pazienti con un approccio di medicina di precisione.
Vari metodi di inquadramento diagnostico personalizzato sono descritti nella tesi. In primo luogo, uno studio clinico condotto congiuntamente dalle Università di Pisa ed Oxford esplora le differenze tra diverse sottopopolazioni asmatiche, suddivise a priori sulla base della cellularità dell’espettorato come affette da asma eosinofilico, neutrofilico, misto o paucigranulocitico, nei livelli di espressione di numerose molecole infiammatorie. I risultati mostrano che le molecole IL-8, IL-17 e TNF- α, rilevate nell’espettorato, determinano un asma neutrofilico, mentre le molecole IL-5 e IL-33, anch’esse quantificate su campioni di espettorato, sottendono un asma di tipo eosinofilico. L’endotipo misto è definito da una combinazione di IL-5, IL-8 e IL-33. Non ci sono risultati statisticamente significativi inerenti l’asma paucigranulocitico. I livelli plasmatici di queste molecole infiammatorie non forniscono informazioni utili nella definizione e differenziazione dei suddetti endotipi asmatici. Queste differenze fisiopatologiche offrono la possibilità di essere sfruttate in un test di inquadramento multi-citochina compatto che definisca in modo univoco il pattern infiammatorio dello specifico paziente. Tali risultati, che beneficerebbero di essere corroborati da una maggiore evidenza ottenuta da studi con campioni più ampi, fanno luce sullo sfaccettato panorama infiammatorio dell’asma bronchiale e promuovono future ricerche in questo ambito, in modo da definire con maggior chiarezza nuove strategie terapeutiche a bersaglio molecolare per i pazienti affetti da asma di difficile trattamento.
Successivamente viene analizzato il potenziale diagnostico e terapeutico di altri strumenti diagnostici, già in uso o di cui è prevedibile l’uso nell’ambito clinico. Le tecniche prese in considerazione sono la sputum-guided therapy, la misurazione quantitativa del rimodellamento bronchiale, l’ossido nitrico esalato (FeNO) e la tomografia computerizzata ad alta risoluzione (HRCT) del torace. Per ciascuna di esse vengono descritti lo stato dell’arte e le applicazioni diagnostiche. Ogni tecnica possiede le proprie caratteristiche distintive ed è o potrebbe essere sfruttata in modi e per scopi diversi. Più precisamente, la sputum-guided therapy rappresenta un approccio di medicina di precisione secondo il quale la terapia dello specifico paziente viene modificata sulla base delle caratteristiche del proprio espettorato indotto. La definizione di specifici biomarcatori di rimodellamento bronchiale permette di comprendere quali mediatori conducono ad una condizione di non completa reversibilità dell’ostruzione delle vie aeree, evenienza che aggrava la prognosi dei pazienti asmatici. L’ossido nitrico esalato permette di ricavare informazioni utili durante l’inquadramento diagnostico ed il follow-up di pazienti affetti da asma eosinofilico. Un nuovo score radiologico basato sui risultati della tomografia computerizzata ad alta risoluzione del torace permette di differenziare pazienti con asma eosinofilico da quelli con asma non eosinofilico.
Concludendo, l’endotyping rappresenta un moderno concetto di medicina di precisione che permetterà nel prossimo futuro il trattamento personalizzato dello specifico paziente. Sebbene la completa comprensione dell’eterogeneità dell’asma bronchiale è un obiettivo ancora lontano, ogni strumento diagnostico avvicina progressivamente alla definizione delle molteplici e spesso interconnesse vie patogenetiche determinanti la patologia del singolo paziente.