Rationale: The Severe Asthma Research Program cohort includes subjects with persistent asthma who have undergone detailed phenotypic characterization. Previous univariate methods compared features of mild, moderate, and severe asthma.Objectives: To identify novel asthma phenotypes using an unsupervised hierarchical cluster analysis.Methods: Reduction of the initial 628 variables to 34 core variables was achieved by elimination of redundant data and transformation of categorical variables into ranked ordinal composite variables. Cluster analysis was performed on 726 subjects.Measurements and Main Results: Five groups were identified. Subjects in Cluster 1 (n = 110) have early onset atopic asthma with normal lung function treated with two or fewer controller medications (82%) and minimal health care utilization. Cluster 2 (n = 321) consists of subjects with early-onset atopic asthma and preserved lung function but increased medication requirements (29% on three or more medications) and health care utilization. Cluster 3 (n = 59) is a unique group of mostly older obese women with late-onset nonatopic asthma, moderate reductions in FEV1, and frequent oral corticosteroid use to manage exacerbations. Subjects in Clusters 4 (n = 120) and 5 (n = 116) have severe airflow obstruction with bronchodilator responsiveness but differ in to their ability to attain normal lung function, age of asthma onset, atopic status, and use of oral corticosteroids.Conclusions: Five distinct clinical phenotypes of asthma have been identified using unsupervised hierarchical cluster analysis. All clusters contain subjects who meet the American Thoracic Society definition of severe asthma, which supports clinical heterogeneity in asthma and the need for new approaches for the classification of disease severity in asthma.

Background

 Severe asthma causes the majority of asthma morbidity. Understanding mechanisms that contribute to the development of severe disease is important. 

Objective

 The goal of the Severe Asthma Research Program is to identify and characterize subjects with severe asthma to understand pathophysiologic mechanisms in severe asthma. 

Methods

 We performed a comprehensive phenotypic characterization (questionnaires, atopy and pulmonary function testing, phlebotomy, exhaled nitric oxide) in subjects with severe and not severe asthma. 

Results

 A total of 438 subjects with asthma were studied (204 severe, 70 moderate, 164 mild). Severe subjects with asthma were older with longer disease duration (P < .0001), more daily symptoms, intense urgent health care utilization, sinusitis, and pneumonia (P ≤ .0001). Lung function was lower in severe asthma with marked bronchodilator reversibility (P < .001). The severe group had less atopy by skin tests (P = .0007), but blood eosinophils, IgE, and exhaled nitric oxide levels did not differentiate disease severity. A reduced FEV₁, history of pneumonia, and fewer positive skin tests were risk factors for severe disease. Early disease onset (age < 12 years) in severe asthma was associated with longer disease duration (P < .0001) and more urgent health care, especially intensive care (P = .002). Later disease onset (age ≥ 12 years) was associated with lower lung function and sinopulmonary infections (P ≤ .02). 

Conclusion

 Severe asthma is characterized by abnormal lung function that is responsive to bronchodilators, a history of sinopulmonary infections, persistent symptoms, and increased health care utilization. 

Clinical implications

 Lung function abnormalities in severe asthma are reversible in most patients, and pneumonia is a risk factor for the development of severe disease.

Improvement in lung function after macrolide antibiotic therapy has been attributed to reduction in bronchial infection by specific bacteria. However, the airway might be populated by a more diverse microbiota, and clinical features of asthma might be associated with characteristics of the airway microbiota present.We sought to determine whether relationships exist between the composition of the airway bacterial microbiota and clinical features of asthma using culture-independent tools capable of detecting the presence and relative abundance of most known bacteria.In this pilot study bronchial epithelial brushings were collected from 65 adults with suboptimally controlled asthma participating in a multicenter study of the effects of clarithromycin on asthma control and 10 healthy control subjects. A combination of high-density 16S ribosomal RNA microarray and parallel clone library-sequencing analysis was used to profile the microbiota and examine relationships with clinical measurements.Compared with control subjects, 16S ribosomal RNA amplicon concentrations (a proxy for bacterial burden) and bacterial diversity were significantly higher among asthmatic patients. In multivariate analyses airway microbiota composition and diversity were significantly correlated with bronchial hyperresponsiveness. Specifically, the relative abundance of particular phylotypes, including members of the Comamonadaceae, Sphingomonadaceae, Oxalobacteraceae, and other bacterial families were highly correlated with the degree of bronchial hyperresponsiveness.The composition of bronchial airway microbiota is associated with the degree of bronchial hyperresponsiveness among patients with suboptimally controlled asthma. These findings support the need for further functional studies to examine the potential contribution of members of the airway microbiota in asthma pathogenesis.

Background The issue of whether regular use of an inhaled β2-adrenergic agonist worsens airflow and clinical outcomes in asthma is controversial. Retrospective studies have suggested that adverse effects occur in patients with a genetic polymorphism that results in homozygosity for arginine (Arg/Arg), rather than glycine (Gly/Gly), at aminoacid residue 16 of the β2-adrenergic receptor. However, the existence of any genotype-dependent difference has not been tested in a prospective clinical trial. Methods Patients with mild asthma, not using a controller medication, were enrolled in pairs matched for forced expiratory volume in 1 s (FEV1) according to whether they had the Arg/Arg (n=37; four of 41 matches withdrew before randomisation) or Gly/Gly (n=41) genotype. Regularly scheduled treatment with albuterol or placebo was given in a masked, cross-over design, for 16-week periods. During the study, as-needed albuterol use was discontinued and ipratropium bromide was used as needed. Morning peak expiratory flow rate (PEFR) was the primary outcome variable. The primary comparisons were between treatment period for each genotype; the secondary outcome was a treatment by genotype effect. Analyses were by intention to treat. Findings During the run-in period, when albuterol use was kept to a minimum, patients with the Arg/Arg genotype had an increase in morning PEFR of 23 L/min (p=0·0162); the change in patients with the Gly/Gly genotype was not significant (2 L/min; p=0·8399). During randomised treatment, patients with the Gly/Gly genotype had an increase in morning PEFR during treatment with regularly scheduled albuterol compared with placebo (14 L/min [95% CI 3 to 25]; p=0·0175). By contrast, patients with the Arg/Arg genotype had lower morning PEFR during treatment with albuterol than during the placebo period, when albuterol use was limited (–10 L/min [–19 to –2]; p=0·0209). The genotype-attributable treatment difference was therefore –24 L/min (–37 to –12; p=0·0003). There were similar genotype-specific effects in FEV1, symptoms, and use of supplementary reliever medication. Interpretation Genotype at the 16th aminoacid residue of the β2-adrenergic receptor affects the long-term response to albuterol use. Bronchodilator treatments avoiding albuterol may be appropriate for patients with the Arg/Arg genotype.

Abstract

 Background: A clinical model is needed to compare inhaled corticosteroids (ICSs) with respect to efficacy. Objective: The purpose of this investigation was to compare the relative beneficial and systemic effects in a dose-response relationship for 2 ICSs. Methods: A 24-week, parallel, open-label, multicenter trial examined the benefit-risk ratio of 2 ICSs in persistent asthma. Benefit was assessed by improvements in FEV₁ and PC₂₀; risk was assessed by overnight plasma cortisol suppression. Thirty subjects were randomized to either beclomethasone dipropionate (BDP) 168, 672, and 1344 μg/day (n = 15) or fluticasone propionate (FP) 88, 352, and 704 μg/day (n = 15), both administered by means of a metered dose inhaler (MDI) with chlorofluorocarbon propellant via a spacer, in 3 consecutive 6-week intervals; this was followed by 3 weeks of FP dry powder inhaler (DPI) 2000 μg/day. Results: Maximum FEV₁ response occurred with the low dose for FP-MDI and the medium dose for BDP-MDI and was not further increased by treatment with FP-DPI. Near-maximum methacholine PC₂₀ improvement occurred with the low dose for FP-MDI and the medium dose for BDP-MDI. Both BDP-MDI and FP-MDI caused dose-dependent cortisol suppression. Responsiveness to ICS treatment was found to vary markedly among subjects. Good (>15%) FEV₁ response, in contrast to poor (<5%) response, was found to be associated with high exhaled nitric oxide (median, 17.6 vs 11.1 ppb), high bronchodilator reversibility (25.2% vs 8.8%), and a low FEV₁/forced vital capacity ratio (0.63 vs 0.73) before treatment. Excellent (>3 doubling dilutions) improvement in PC₂₀, in contrast to poor (<1 doubling dilution) improvement, was found to be associated with high sputum eosinophil levels (3.4% vs 0.1%) and older age at onset of asthma (age, 20-29 years vs <10 years). Conclusions: Near-maximal FEV₁ and PC₂₀ effects occurred with low-medium dose for both ICSs in the subjects studied. High-dose ICS therapy did not significantly increase the efficacy measures that were evaluated, but it did increase the systemic effect measure, overnight cortisol secretion. Significant intersubject variability in response occurred with both ICSs. It is possible that higher doses of ICSs are necessary to manage more severe patients or to achieve goals of therapy not evaluated in this study, such as prevention of asthma exacerbations. (J Allergy Clin Immunol 2002;109:410-8.)

Inhaled β -adrenergic agonists are the most commonly used medications for the treatment of asthma although there is evidence that regular use may produce adverse effects in some patients. Polymorphisms of the β2-adrenergic receptor ( β2-AR) can affect regulation of the receptor. Smaller studies examining the effects of such polymorphisms on the response to β -agonist therapy have produced inconsistent results. We examined whether polymorphisms at codon 16 ( β2-AR-16) and codon 27 ( β2-AR-27) of the β2-AR might affect the response to regular versus as-needed use of albuterol by genotyping the 190 asthmatics who had participated in a trial examining the effects of regular versus as needed albuterol use. During the 16-wk treatment period there was a small decline in morning peak expiratory flow in patients homozygous for arginine at B2-AR-16 (Arg/Arg) who used albuterol regularly. This effect was magnified during a 4-wk run out period, during which all patients returned to using as-needed albuterol, so that by the end of the study Arg Arg patients who had regularly used albuterol had a morning peak expiratory flow 30. 5 ± 12.1 L/min lower (p = 0.012) than Arg/Arg patients who had used albuterol on an as needed basis. There was no decline in peak flow with regular use of albuterol in patients who were homozygous for glycine at β2-AR-16. Evening peak expiratory flow also declined in the Arg/Arg patients who used albuterol regularly but not in those who used albuterol on an as-needed basis. No significant differences in outcomes between regular and as-needed treatment were associated with polymorphisms at position 27 of the β2-AR. No other differences in asthma outcomes that we investigated occurred in relation to these β2-AR polymorphisms. Polymorphisms of the β2-AR may influence airway responses to regular inhaled β -agonist treatment.

BackgroundClinical cluster analysis from the Severe Asthma Research Program (SARP) identified 5 asthma subphenotypes that represent the severity spectrum of early-onset allergic asthma, late-onset severe asthma, and severe asthma with chronic obstructive pulmonary disease characteristics. Analysis of induced sputum from a subset of SARP subjects showed 4 sputum inflammatory cellular patterns. Subjects with concurrent increases in eosinophil (≥2%) and neutrophil (≥40%) percentages had characteristics of very severe asthma.ObjectiveTo better understand interactions between inflammation and clinical subphenotypes, we integrated inflammatory cellular measures and clinical variables in a new cluster analysis.MethodsParticipants in SARP who underwent sputum induction at 3 clinical sites were included in this analysis (n = 423). Fifteen variables, including clinical characteristics and blood and sputum inflammatory cell assessments, were selected using factor analysis for unsupervised cluster analysis.ResultsFour phenotypic clusters were identified. Cluster A (n = 132) and B (n = 127) subjects had mild-to-moderate early-onset allergic asthma with paucigranulocytic or eosinophilic sputum inflammatory cell patterns. In contrast, these inflammatory patterns were present in only 7% of cluster C (n = 117) and D (n = 47) subjects who had moderate-to-severe asthma with frequent health care use despite treatment with high doses of inhaled or oral corticosteroids and, in cluster D, reduced lung function. The majority of these subjects (>83%) had sputum neutrophilia either alone or with concurrent sputum eosinophilia. Baseline lung function and sputum neutrophil percentages were the most important variables determining cluster assignment.ConclusionThis multivariate approach identified 4 asthma subphenotypes representing the severity spectrum from mild-to-moderate allergic asthma with minimal or eosinophil-predominant sputum inflammation to moderate-to-severe asthma with neutrophil-predominant or mixed granulocytic inflammation. Clinical cluster analysis from the Severe Asthma Research Program (SARP) identified 5 asthma subphenotypes that represent the severity spectrum of early-onset allergic asthma, late-onset severe asthma, and severe asthma with chronic obstructive pulmonary disease characteristics. Analysis of induced sputum from a subset of SARP subjects showed 4 sputum inflammatory cellular patterns. Subjects with concurrent increases in eosinophil (≥2%) and neutrophil (≥40%) percentages had characteristics of very severe asthma. To better understand interactions between inflammation and clinical subphenotypes, we integrated inflammatory cellular measures and clinical variables in a new cluster analysis. Participants in SARP who underwent sputum induction at 3 clinical sites were included in this analysis (n = 423). Fifteen variables, including clinical characteristics and blood and sputum inflammatory cell assessments, were selected using factor analysis for unsupervised cluster analysis. Four phenotypic clusters were identified. Cluster A (n = 132) and B (n = 127) subjects had mild-to-moderate early-onset allergic asthma with paucigranulocytic or eosinophilic sputum inflammatory cell patterns. In contrast, these inflammatory patterns were present in only 7% of cluster C (n = 117) and D (n = 47) subjects who had moderate-to-severe asthma with frequent health care use despite treatment with high doses of inhaled or oral corticosteroids and, in cluster D, reduced lung function. The majority of these subjects (>83%) had sputum neutrophilia either alone or with concurrent sputum eosinophilia. Baseline lung function and sputum neutrophil percentages were the most important variables determining cluster assignment. This multivariate approach identified 4 asthma subphenotypes representing the severity spectrum from mild-to-moderate allergic asthma with minimal or eosinophil-predominant sputum inflammation to moderate-to-severe asthma with neutrophil-predominant or mixed granulocytic inflammation.

Long-acting beta-agonist (LABA) therapy improves symptoms in patients whose asthma is poorly controlled by an inhaled glucocorticoid alone. Alternative treatments for adults with uncontrolled asthma are needed.

Rationale: One-quarter to one-third of individuals with asthma smoke, which may affect response to therapy and contribute to poor asthma control.Objectives: To determine if the response to an inhaled corticosteroid or a leukotriene receptor antagonist is attenuated in individuals with asthma who smoke.Methods: In a multicenter, placebo-controlled, double-blind, double-dummy, crossover trial, 44 nonsmokers and 39 light smokers with mild asthma were assigned randomly to treatment twice daily with inhaled beclomethasone and once daily with oral montelukast.Measurements and Main Results: Primary outcome was change in prebronchodilator FEV1 in smokers versus nonsmokers. Secondary outcomes included peak flow, PC20 methacholine, symptoms, quality of life, and markers of airway inflammation. Despite similar FEV1, bronchodilator response, and sensitivity to methacholine at baseline, subjects with asthma who smoked had significantly more symptoms, worse quality of life, and lower daily peak flow than nonsmokers. Adherence to therapy did not differ significantly between smokers and nonsmokers, or between treatment arms. Beclomethasone significantly reduced sputum eosinophils and eosinophil cationic protein (ECP) in both smokers and nonsmokers, but increased FEV1 (170 ml, p = 0.0003) only in nonsmokers. Montelukast significantly increased a.m. peak flow in smokers (12.6 L/min, p = 0.002), but not in nonsmokers.Conclusions: In subjects with mild asthma who smoke, the response to inhaled corticosteroids is attenuated, suggesting that adjustments to standard therapy may be required to attain asthma control. The greater improvement seen in some outcomes in smokers treated with montelukast suggests that leukotrienes may be important in this setting. Larger prospective studies are required to determine whether leukotriene modifiers can be recommended for managing asthma in patients who smoke.

Background

 Patients with severe asthma have increased granulocytes in their sputum compared with patients with mild to moderate asthma. 

Objective

 We hypothesized that inflammatory granulocytes in sputum may identify specific asthma severity phenotypes and are associated with different patterns of inflammatory proteins in sputum supernatants. 

Methods

 This hypothesis was tested in 242 patients with asthma enrolled in the Severe Asthma Research Program who provided sputum samples for cell count, differential cell determinations, cell lysates for Western blot, and supernatant analyses by inflammatory protein microarrays and ELISAs. ANOVA and multiple linear regression models tested mediator associations. 

Results

 Stratified by sputum granulocytes, <2% or ≥2% eosinophils and <40% or ≥40% neutrophils, subjects with both increased eosinophils and neutrophils had the lowest lung function and increased symptoms and health care use. Subjects with elevated eosinophils with or without increased neutrophils had significantly increased fraction exhaled nitric oxide (FeNO) and serum eosinophils and greater frequency of daily β-agonist use. Microarray data stratified by granulocytes revealed 25 to 28 inflammatory proteins increased >2-fold in sputa with ≥40% neutrophils. Microarray analyses stratified by severity of asthma identified 6 to 9 proteins increased >2-fold in sputa in subjects with severe asthma compared with nonsevere asthma. ELISA data stratified by sputum granulocytes showed significant increases in brain-derived neurotrophic factor, IL-1β, and macrophage inflammatory protein 3α/CCL20 for those with ≥40% neutrophils; these mediators demonstrated positive associations with neutrophil counts. 

Conclusion

 Combined increased sputum eosinophils and neutrophils identified patients with asthma with the lowest lung function, worse asthma control, and increased symptoms and health care requirements. Inflammatory protein analyses of sputum supernatants found novel mediators increased in patients with asthma, predominantly associated with increased sputum neutrophils.