# name
A Systems Medicine approach to multimorbidity. Towards personalised care for patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Medicina

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] BACKGROUND:

Multimorbidity (i.e. the presence of more than one chronic disease in the same patient) and comorbidity (i.e. the presence of more than one chronic disease in the presence of an index disease) are main sources of dysfunction in chronic patients and avoidable costs in conventional health systems worldwide. By affecting a majority of elderly population worldwide, multimorbidity prompts the need for revisiting the single disease approach followed by contemporary clinical practice and elaborate strategies that target shared mechanisms of associated diseases with the potential of preventing, decelerating or even halting multimorbid disease progression. However, our current understanding on disease interactions is rather limited, and although many disorders have been associated based on their shared molecular traits and their observed co-occurrence in different populations, no comprehensive approach has been outlined to translate this knowledge into clinical practice.
The advent of novel measurement technologies (e.g. omics) and recent initiatives on digital health (e.g. registries, electronic health records) are facilitating access to an enormous amount of patient-related information from whole populations to molecular levels. State-of-the art computational models and machine learning tools demonstrate high potential for health prediction and together with systems biology are shaping the practicalities of systems medicine. Given the extremely long and expensive bench to clinics cycles of the biomedical sector, systems medicine promises a fast track approach where scientific evidence support clinical care, while simultaneously collected insights from daily clinical practice promote new scientific discoveries and optimize healthcare.
The PhD thesis aims to explore multimorbidity from a systems medicine perspective on the concrete and practical use case of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). COPD constitutes an ideal use case due to several factors, including: i) its high impact on healthcare and its ever-increasing burden; ii) its heterogeneous disease manifestations, and progress, often involving extra-pulmonary effects, including highly prevalent comorbidities (e.g. type 2 diabetes mellitus, cardiovascular disorders, anxiety-depression and lung cancer); and, iii) its well described systemic effects that are suggested associations with comorbidities in terms of underlying mechanisms.
 
HYPOTHESIS:

The central hypothesis of the PhD thesis builds on the emerging biological evidence that clustering of comorbid conditions, a phenomenon seen in complex chronic patients, could be due to shared abnormalities in relevant biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation and tissue remodelling). It is assumed that a systems understanding of the patient conditions may help to uncover the molecular mechanisms and lead to the design of preventive and targeted therapeutic strategies aiming at modulating patient prognosis.
The PhD thesis focuses on non-pulmonary phenomena of COPD; that is, systemic effects and comorbidities, often observed in patients with COPD as a paradigm of complex chronic disease.

OBJECTIVES:

The general objective of the PhD thesis is threefold: i) to investigate molecular disturbances at body systems level that may lead to a better understanding of characteristic systemic effects and comorbidities of patients with COPD; ii) to analyse population level patterns of COPD comorbidities and investigate their role in the health risk of patients with COPD; and, iii) to explore technological strategies and tools that facilitate the transfer of the collected knowledge on comorbidity into clinical practice.

MAIN FINDINGS:

Firstly, the PhD thesis introduced a novel knowledge management tool for targeted molecular analysis of underlying disease mechanisms of skeletal muscle dysfunction in patients with COPD. Second, a network analysis approach was outlined to further study this systemic effect, as well as the causes of abnormal adaptation of COPD muscle to exercise training. Furthermore, this work together with three other studies also aimed to reveal the general underlying causes of comorbidity clustering in COPD, using different modelling approaches. Overarching outcome of these studies indicates abnormalities in the complex co-regulation of core biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation, oxidative stress and tissue remodelling) both on muscle and body systems level (blood, lung), which paves the way for the development of novel pharmacological and non-pharmacological preventive interventions on non- pulmonary phenomena in patients with COPD. Furthermore, results indicated strong relation of muscle related dysregulations to aerobic capacity, in opposed to pulmonary
 
severity of COPD. These findings have far reaching potential in COPD care, starting from defining the need for better characterization of exercise performance in the clinic practice and the promotion of physical activity from early stages of the disease. This PhD thesis also generated outcomes with respect to the risk of multimorbidity in patients with COPD using a population health approach. The thesis validated that patients with COPD are in increased risk to co-occur with other diseases compared to non-COPD patients, regardless of the population and healthcare system specificities of different regions (i.e. Catalonia, US). These findings indicated the potential role of multimorbidity as a risk factor for COPD, that was evaluated in the PhD thesis by constructing health risk assessment models to predict unexpected medical events in patients with COPD. The promising performance of the models and the prominent role of multimorbidity in these models presented a powerful argument for its role in clinical staging of the disease and their potential in clinical decision support.

CONCLUSIONS:

The PhD thesis achieved main points of the general objectives, namely: i) to perform a systems analysis of patients with COPD by investigating molecular disturbances at body systems level leading to a better understanding of characteristic systemic effects and comorbidities of patient with COPD; ii) to analyse population level patterns of COPD comorbidities and investigate their role in the health risk of patients with COPD;  and
iii) to explore technological strategies and tools that facilitate the transfer of the collected knowledge on comorbidity into clinical practice. Accordingly, the following conclusions arise:
1.	Non-pulmonary manifestations in patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) have a major negative impact on: highly relevant clinical events, use of healthcare resources and prognosis. Accordingly, the following indications were made:
a.	Actionable insights on non-pulmonary phenomena should be included in the clinical staging of these patients in an operational manner.
b.	Management of patients with COPD should be revisited to incorporate an integrative approach to non-pulmonary phenomena.
c.	Innovative cost-effective interventions, and pharmacological and non- pharmacological treatments targeting prevention of non-pulmonary manifestations in patients with COPD should be developed, and properly assessed.
 
2.	Abnormal co-regulation of core biological pathways (i.e. bioenergetics, inflammation, tissue remodelling and oxidative stress), both in skeletal muscle and at body systems level, are common characteristics of patients with COPD, which potentially play a major role in comorbidity clustering.
3.	Consistent relationships between cardiovascular health, skeletal muscle dysfunction and clinical outcomes in patients with COPD was identified, which makes it a priority to characterize patient exercise performance and physical activity in the clinic, and to adopt early cardiopulmonary rehabilitation strategies to modulate prognosis and prevent comorbidity clustering in these patients.
4.	Multimorbidity is a strong predictor of unplanned medical events in patients with COPD and shows high potential to be used for personalized health risk prediction and service workflow selection.
5.	Personalized health risk prediction was identified as a high potential tool for the integration and transfer of scientific evidence on multimorbidity to daily clinical practice. Limiting factors of its present applicability were explored and implementation strategies based on cloud computing solutions were  proposed.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] INTRODUCCIÓ:

Tant la multimorbiditat (la presència de més d'una malaltia crònica en el mateix pacient), com la comorbiditat (la presència de més d'una malaltia crònica quan hi ha una malaltia de referència) són una font important de disfuncions en l’atenció sanitària dels pacients crònics i generen importants despeses evitables en sistemes de salut arreu del món. La multimorbiditat/comorbiditat afecta la majoria de població de més de 65 anys. El seu gran impacte sanitari i social fa necessària la revisió d’aspectes essencials de la pràctica mèdica convencional, molt enfocada al tractament de cada malaltia de forma aïllada. En aquest sentit, cal elaborar estratègies que considerin els mecanismes biològics comuns entre patologies, per tal de prevenir, retardar o fins i tot aturar la progressió del fenomen. Malauradament, el poc coneixement dels mecanismes biològics que modulen les interaccions entre malalties és un factor limitant important. Hi ha estudis sobre els mecanismes moleculars comuns entre malalties i s’han realitzat anàlisis poblacionals de la multimorbiditat, però no existeix encara una aproximació holística per tal de traduir aquest coneixement a la pràctica clínica.
L’aparició de noves tecnologies òmiques, així com iniciatives recents en l’àmbit de la salut digital, han facilitat l'accés a una quantitat enorme d'informació dels pacients, tant a nivell poblacional com a nivell molecular. A més, les eines computacionals i d'aprenentatge automàtic existents estan demostrant un gran potencial predictiu que, conjuntament amb les metodologies de la biologia de sistemes, estan conformant els aspectes pràctics del desplegament de la medicina de sistemes. De forma progressiva, aquesta última esdevé una via efectiva per accelerar el rol de l’evidència científica com a suport a la atenció clínica. De forma recíproca, la digitalització sistemàtica de la pràctica clínica diària, permet la generació de noves descobertes científiques i la optimització de l’assistència sanitària.
Aquesta tesis doctoral pretén explorar la multimorbiditat des d’una perspectiva de medicina de sistemes, considerant com a cas d'ús concret i pràctic la malaltia pulmonar obstructiva crònica (MPOC). La MPOC constitueix un cas d'ús ideal a causa de diversos factors: i) el seu alt impacte a nivell sanitari; ii) la heterogeneïtat en quant a manifestacions i progrés, sovint amb efectes extra-pulmonars, incloent de forma freqüent comorbiditats com la diabetis mellitus tipus 2, trastorns cardiovasculars, l'ansietat-depressió i el càncer de pulmó; i, iii) els efectes sistèmics de la malaltia
 
pulmonar, que podrien presentar mecanismes biològics comuns a algunes comorbiditats.

HIPÒTESIS:

La hipòtesi central d’aquesta tesis doctoral considera que la multimorbiditat podria explicar-se per alteracions en les xarxes de regulació de mecanismes biològics rellevants com la bioenergètica, inflamació i remodelació de teixits. En aquest sentit, l’anàlisi holística del problema podria millorar la comprensió dels mecanismes moleculars que modulen les associacions entre malalties i, per tant, facilitar el disseny d'estratègies terapèutiques preventives i dirigides a modular el pronòstic dels pacients.
Aquesta tesis doctoral estudia els fenòmens extra-pulmonars de la MPOC; és a dir, efectes sistèmics (disfunció del múscul esquelètic) i comorbiditats, com a paradigma de malalties cròniques complexes.

OBJECTIUS:

L'objectiu general d’aquesta tesis doctoral és triple: i) l’anàlisi holístic de pacients amb MPOC amb focus en la disfunció muscular i les comorbiditats; ii) avaluar el paper de les comorbiditats en el risc de salut dels pacients amb MPOC, tant a nivell poblacional com individual; i, iii) explorar estratègies tecnològiques i eines de salut digital que facilitin la transferència de coneixement a la pràctica clínica diària.

RESULTATS:

El primer manuscrit de la tesi descriu una nova eina de gestió del coneixement per l’anàlisi molecular dels mecanismes de disfunció del múscul esquelètic en pacients amb MPOC. També dins el primer objectiu de la tesi, s’efectua un anàlisi de xarxes orientat a la identificació de mòduls biològics explicatius de la disfunció muscular i de l’adaptació anòmala d’aquests malalts a l’entrenament físic, tal com es descriu en el segon manuscrit. Els tres articles següents exploren, des de diferents perspectives, l’impacte i mecanismes de les comorbiditats en els pacients amb MPOC. Els principals resultats d'aquests estudis indiquen una complexa i anormal regulació de vies biològiques principals, com es el cas de la bioenergètica, inflamació, estrès oxidatiu i remodelació de teixits, tant a nivell del múscul com a nivell sistèmic (sang, pulmó). Aquests resultats obren noves vies per a intervencions preventives, tant farmacològiques com no farmacològiques, sobre els fenòmens no pulmonars que presenten  els  pacients  amb  MPOC.  Els  resultats  indiquen  una  associació  de  les
 
alteracions musculars amb la capacitat aeròbica, i no pas amb la gravetat de la malaltia pulmonar. Aquestes troballes tenen un gran potencial en la millora de la gestió dels pacients amb MPOC, començant per la necessitat d’una millor caracterització de la capacitat aeròbica en la pràctica clínica i la promoció d'activitat física des de les primeres etapes de la malaltia.
La tesi també ha generat resultats d’interès en relació amb el risc de multimorbiditat en pacients amb MPOC, mitjançant un enfocament de salut poblacional. Els resultats evidencien que els pacients amb MPOC presenten un risc mes elevat de comorbiditat que els pacients sense MPOC, independentment de les especificitats de la població i del sistema sanitari de les àrees analitzades (Catalunya, EUA). La tesi també demostra el paper de la multimorbiditat com a factor modulador del risc clínic dels pacients amb MPOC. Aquests resultats indiquen l’interès de l’ús de la multimobiditat en l’estadiatge dels pacients amb MPOC i en l’elaboració d’eines de suport al procés de decisió clínica.

CONCLUSIONS:

Aquesta tesi doctoral ha assolit els objectius generals plantejats i proposa les següents conclusions:
1.	Les manifestacions no pulmonars en els pacients amb malaltia pulmonar obstructiva crònica (MPOC) tenen un impacte negatiu respecte a esdeveniments de gran rellevància clínica, ús de recursos sanitaris i pronòstic. En conseqüència, es fan les següents recomanacions:
a.	Els fenòmens no pulmonars de la MPOC s’haurien d’incloure de manera operativa en l’estadiatge d'aquests pacients.
b.	S’hauria de redefinir la gestió clínica dels pacients amb MPOC tot incorporant un enfocament holístic dels fenòmens no  pulmonars.
c.	S’haurien de desenvolupar i avaluar correctament noves intervencions, farmacològiques i no farmacològiques, per a la prevenció de les manifestacions no pulmonars en pacients amb  MPOC.
2.	Les alteracions de la regulació de vies biològiques rellevants com la bioenergètica, inflamació, estrès oxidatiu i la remodelació de teixits a nivell del múscul esquelètic, i també a nivell sistèmic, s’observa en els pacients amb MPOC i pot tenir un paper important en les co-morbiditats.
3.	Les relacions entre alteracions cardiovasculars, disfunció del múscul esquelètic i altres aspectes clínics dels pacients amb MPOC, indiquen la necessitat de caracteritzar  la  capacitat aeròbica  i  els  nivells  d'activitat física  en la pràctica
 
clínica, així com la implementació d’estratègies de rehabilitació cardiopulmonar en les primeres etapes de la malaltia, per tal de modular la prognosis dels malalts i prevenir l’aparició de comorbiditats.
4.	La multimorbiditat és un bon predictor d’esdeveniments clínics rellevants en pacients amb MPOC i mostra un gran potencial per a personalitzar l’estimació de risc i la selecció de serveis.
5.	La predicció de risc de forma personalitzada s’ha identificat com una eina amb molt potencial per a la gestió de la multimorbiditat en la pràctica clínica diària. S’han explorat els factors limitants de la seva aplicabilitat i s’han proposat estratègies d'implementació d’eines predictives adients, basades en solucions de computació en el núvol.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[spa] INTRODUCCIÓN:

Tanto la multimorbilidad (la presencia de más de una enfermedad crónica en un mismo paciente) como la comorbilidad (la presencia de más de una enfermedad crónica en presencia de una enfermedad de referencia) son una fuente importante de disfunciones en la atención sanitaria de los pacientes crónicos y generan importantes costes evitables en los sistemas de salud de todo el mundo. La multimorbilidad/comorbilidad afecta a la mayoría de la población de más de 65 años. Debido a su gran impacto sanitario y social, resulta necesaria la revisión de aspectos esenciales de la práctica médica convencional, muy enfocada en el tratamiento de cada enfermedad de forma aislada. En este sentido, es necesario elaborar estrategias que consideren mecanismos biológicos comunes entre patologías, con el fin de prevenir, retrasar o incluso detener la progresión del fenómeno. Desgraciadamente,  el escaso conocimiento de los mecanismos biológicos que modulan las interacciones entre enfermedades es un factor limitante importante. Existen estudios sobre los mecanismos moleculares comunes entre enfermedades y se han realizados análisis poblaciones de la multimorbilidad, pero no existe aún una aproximación holística que permita traducir este conocimiento a la práctica clínica.
La aparición de nuevas tecnologías ómicas, así como recientes iniciativas en el ámbito de la salud digital, han facilitado el acceso a una cantidad enorme de información sobre los pacientes, tanto a nivel poblacional como a nivel molecular. Además, las herramientas computacionales y de aprendizaje automático existentes demuestran un gran potencial predictivo que, conjuntamente con las metodologías de biología de sistemas, están conformando los aspectos prácticos de la medicina de sistemas. De manera progresiva esta última se está convirtiendo en una vía efectiva para acelerar el papel de la evidencia científica como soporte a la atención clínica. De forma recíproca, la digitalización sistemática de la práctica clínica diaria permite la generación de nuevos descubrimientos científicos y la optimización de la asistencia sanitaria.
Esta tesis doctoral pretende explorar la multimorbilidad desde una perspectiva de medicina de sistemas, considerando como caso de uso concreto y práctico la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). La EPOC constituye un caso de uso ideal debido a diversos factores: i) su alto impacto a nivel sanitario; ii) la heterogeneidad en cuanto a manifestaciones y progreso, a menudo con efectos extra pulmonares, incluyendo de forma frecuente comorbilidades como la diabetes mellitus tipo 2, trastornos cardiovasculares, la ansiedad-depresión y el cáncer de pulmón;   y,
 
iii) los efectos sistémicos de la enfermedad pulmonar, que podrían presentar mecanismos biológicos comunes a algunas  comorbilidades.

HIPÓTESIS:

La hipótesis central de esta tesis doctoral considera que la multimorbilidad podría explicarse por alteraciones en las redes de regulación de mecanismos biológicos relevantes como la bioenergética, inflamación y remodelación de tejidos. En este sentido, el análisis holístico del problema podría mejorar la comprensión de los mecanismos moleculares que modulan las asociaciones entre enfermedades y, por tanto, facilitar el diseño de estrategias terapéuticas preventivas y dirigidas a modular el pronóstico de los pacientes.
Esta tesis doctoral estudia los fenómenos extra pulmonares de la EPOC; es decir, efectos sistémicos (disfunción del músculo esquelético) y comorbilidades, como paradigma de enfermedades crónicas complejas.

OBJETIVOS:

El objetivo general de esta tesis doctoral es triple: i) el análisis holístico de pacientes con EPOC focalizando en la disfunción muscular y la comorbilidades; ii) evaluar el papel de las comorbilidades en el riesgo de salud de los pacientes con EPOC, tanto a nivel poblacional como individual; y, iii) explorar estrategias tecnológicas y herramientas de salud digital que faciliten la transferencia de conocimiento a la práctica clínica diaria.

RESULTADOS:

El primer manuscrito de la tesis describe una nueva herramienta de gestión del conocimiento para el análisis molecular de los mecanismos de disfunción del músculo esquelético en pacientes con EPOC. Incluido en el primer objetivo de la tesis, se efectúa un análisis de redes orientado a la identificación de módulos biológicos que explican la disfunción muscular y la adaptación anómala de estos pacientes al entrenamiento físico, tal y cómo se describe en el segundo manuscrito. Los tres artículos siguientes exploran, desde perspectivas diferentes, el impacto y mecanismos de las comorbilidades en los pacientes con EPOC. Los principales resultados de estos estudios indican una compleja y anormal regulación de vías biológicas principales, como es el caso de la bioenergética, inflamación, estrés oxidativo y remodelación de tejidos, tanto a nivel del músculo como a nivel sistémico (sangre, pulmón). Estos resultados abren nuevas vías para intervenciones preventivas, tanto    farmacológicas
 
como no farmacológicas, sobre los fenómenos no pulmonares que presentan los pacientes con EPOC. Los resultados indican una asociación de las alteraciones musculares con la capacidad aeróbica, y no con la gravedad de la enfermedad pulmonar. Estos hallazgos tienen un gran potencial en la mejora de la gestión de los pacientes con EPOC, empezando por la necesidad de una mejor caracterización de la capacidad aeróbica en la práctica clínica y la promoción de actividad física desde etapas tempranas de la enfermedad.
La tesis también ha generado resultados de interés en relación con el riesgo de multimorbilidad en pacientes con EPOC, mediante un enfoque de salud poblacional. Los resultados evidencian que los pacientes con EPOC presentan un mayor riesgo de comorbilidad que los pacientes sin EPOC, independientemente de las especificidades de la población y del sistema sanitario de las áreas analizadas (Cataluña, EUA). La tesis demuestra también el papel de la multimorbilidad como factor modulador del riesgo clínico de los pacientes con EPOC. Estos resultados indican la conveniencia del uso de la multimorbilidad en el estadiaje de los pacientes con EPOC y en la elaboración de herramientas de soporte al proceso de decisión clínica.

CONCLUSIONES:

Esta tesis doctoral ha conseguido los objetivos generales planteados y propone las siguientes conclusiones:
1.	Las manifestaciones no pulmonares en los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) tienen un impacto negativo respecto a eventos de gran relevancia clínica, uso de recursos sanitarios y pronóstico. En consecuencia, se formulan las siguientes recomendaciones:
a)	Los fenómenos no pulmonares de la EPOC deberían incluirse de manera operativa en el estadiaje de estos pacientes.
b)	Se debería redefinir la gestión clínica de los pacientes con EPOC incorporando un enfoque holístico de los fenómenos no pulmonares.
c)	Se deberían desarrollar y evaluar correctamente nuevas intervenciones, farmacológicas y no farmacológicas, para la prevención de las manifestaciones no pulmonares en pacientes con  EPOC.
2.	Las alteraciones de la regulación de vías biológicas relevantes como la bioenergética, inflamación, estrés oxidativo y la remodelación de tejidos a nivel del músculo esquelético y también a nivel sistémico, se observa en pacientes con EPOC y puede tener un papel importante en las comorbilidades.
 
3.	Las relaciones entre alteraciones cardiovasculares, disfunción del músculo esquelético y otros aspectos clínicos de los pacientes con EPOC, indican la necesidad de caracterizar la capacidad aeróbica y los niveles de actividad física en la práctica clínica, así como la implementación de estrategias de rehabilitación cardiopulmonar en las primeras etapas de la enfermedad, con el fin de modular el pronóstico de los pacientes y prevenir la aparición de comorbilidades.
4.	La multimorbilidad es un buen predictor de eventos clínicos relevantes en pacientes con EPOC y muestra un gran potencial para personalizar la estimación de riesgo y la selección de servicios.
5.	La predicción del riesgo de forma personalizada se ha identificado como una herramienta con alto potencial para la gestión de la multimorbilidad en la práctica clínica diaria. Se han explorado los factores limitantes de su aplicabilidad y se han propuesto estrategias de implementación de herramientas predictivas adecuadas, basadas en soluciones de computación en la nube.

# metadata.dc.title[].value
A Systems Medicine approach to multimorbidity. Towards personalised care for patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease