Contribution to the diagnosis and control of mycobacterium tuberculosis infection in Portugal

Abstract

ABSTRACT - Introduction Early diagnosis and treatment of tuberculosis (TB) is essential for an effective control of the TB epidemic, as it reduces the probability of transmission and improves the chances of a successful treatment. To help achieve a prompt diagnosis and beginning of treatment, the present thesis comprised three distinct objectives. The first objective was to characterize the two immunological tests, the tuberculin test (TST) and the interferon-gamma release assay (IGRA), used in Portugal for screening for Mycobacterium tuberculosis infection through: (i) comparison of the sensitivity and false negative rate of TST and IGRA; (ii) identification of clinical and sociodemographic factors that could be associated with the occurrence of false negative results in both tests; (iii) determination of the agreement between the two tests. The second objective was to (i) characterize the delay between symptoms onset and first contact with healthcare (patient delay), between first contact with healthcare and diagnosis (healthcare delay), and between symptoms onset and diagnosis (Total delay) and identify clinical and sociodemographic factors that influence these delays; (ii) identify critical geographic areas, characterize the different delays in the different areas and identify clinical and sociodemographic factors that influence these delays. The third objective was to characterize, through spatial analysis, pulmonary TB hospitalizations in continental Portugal. Materials and Methods Two types of observational research study design were implemented, a retrospective cohort study design (Studies 1 to 5) and ecological study design (Study 6). Data was retrieved from three key databases: (i) the Sistema de Vigilância da Tuberculose database (SVIG-TB), used in Studies 1 through 5; (ii) Base de dados de Morbilidade Hospitalar (BDMH), that was used in Study 6; (iii) the Portuguese resident population database from the Instituto Nacional de Estatística (INE), which was used in Studies 5 and 6. Different statistical methods were used throughout the different studies, namely descriptive analysis, sensitivity, logistic regression analysis, Kappa coefficient, survival analysis (Kaplan-Meier estimates, logrank test, Cox proportional hazards model) and space-time clustering and temporal trends analysis. Results Regarding the two immunological tests used for screening for M. tuberculosis infection, TST presented an overall sensitivity of 63.8% (TST-5 mm) and 56.1% (TST-10 mm), with HIV infection being the risk factor with the strongest association with false negative results (aOR 4.65 - TST-5mm; aOR 5.05 - TST-10mm). Other factors such as chronic renal failure, alcohol and drug abuse, or older age (≥ 65 years) were also associated with a probability of false negative results. The IGRA presented an overall sensitivity of 82.4%. When the results of the two tests were combined, IGRA/TST-5mm sensitivity was 91.7% and IGRA/TST- 10mm sensitivity was 90.6%. Inflammatory diseases and pulmonary TB were statistically associated with false negative IGRA results, while older age, alcohol abuse, and pulmonary TB were associated with indeterminate IGRA results. The tests presented only a slight agreement, with Kappa coefficient between IGRA/TST-5mm and IGRA/TST-10mm being 0.402 (p <0.001) and 0.351 (p <0.001), respectively. In terms of delays in the diagnosis of pulmonary TB, patient, healthcare and total delays were characterized globally and in critical and non-critical areas. The critical and non-critical areas were established through spatial analysis. Two clusters with significantly higher pulmonary TB rates were identified, with the municipalities that comprised these two clusters being considered critical areas and the remaining municipalities as non-critical areas. Globally, patient, healthcare and total median delays were 37, 8 and 62 days, respectively. Delays in critical and non-critical areas presented similar results, with healthcare delay exhibiting the lowest median delay (7 and 10 days), followed by patient (41 and 31 days) and total delay (63 and 61 days). Patient and total delays presented an increasing trend, nationally and in critical and non-critical areas. Healthcare delay remained relatively constant over time, nationally and in critical areas. In non-critical areas, healthcare median delay steadily increased and in recent years was double the healthcare delay in critical areas. Most of the risk factors identified nationally also emerged in the analysis of critical and noncritical areas. In both areas, being from a high TB incidence country and alcohol abuse were associated with longer patient delays. Being female, older age and oncologic diseases were associated with longer healthcare delays. Respiratory diseases were only associated with healthcare delays in non-critical areas. Being female, older age and being from a high TB incidence country were associated with a longer total delay in both areas. Unemployment was the only risk factor associated with delayed diagnosis, more specifically with delay in seeking treatment, that was not reflected in either critical or non-critical areas. Regarding pulmonary TB hospitalizations, overall hospitalization rate was 17.7/105 population/year, with hospitalization rates decreasing by 64.9% during the study period (2002:29.4/105 population; 2016:9.6/105 population). Space-time analysis of the overall period identified five different clusters, with the clusters that include Lisboa and Porto metropolitan areas presenting the highest hospitalization rates (51.5/105 and 43.6/105 population, respectively). In a more recent period (2011-2016), we identified four clusters, with the cluster that included Lisboa metropolitan area and a northeast rural region presenting the highest hospitalization rates (27.6/105 and 46.2/105 population, respectively). In terms of temporal trends, we observed a - 7.2% mean annual percentage change in rate with only one of the identified clusters (out of 6) presenting an increase trend in hospitalizations (+ 4.34%). In the more recent period, we observed a mean annual percentage change in rate of - 8.12% with only one cluster identified but with an increase trend in hospitalizations (+ 9.53%). Conclusions Both immunological tests used in Portugal to screen for M. tuberculosis infection presented factors that affected their performance, promoting the occurrence of false negative results. Regarding the TST, our study identified several risk factors for false negative results, such as HIV infection, chronic renal failure, older age, diabetes, alcohol and drug abuse. These results alert that in certain groups of the population, a negative TST result should be interpreted with caution as they have a high risk of false negative results. With respect to IGRA, our study identified two independent risk factors for false negative results, inflammatory diseases and pulmonary TB. Additionally, we identified older age, alcohol abuse and pulmonary TB as factors associated with the occurrence of indetermined IGRA results. The agreement between the TST and IGRA was only slight, however, the combined results of the two tests increased the ability to identify cases of M. tuberculosis infection. Therefore, our results suggest that performing both tests in parallel, especially among vulnerable populations (e.g., immunocompromised patients), could maximize the diagnostic sensitivity of screening for M. tuberculosis infection. Delayed TB diagnosis is a multifaceted problem, with factors influencing the occurrence of longer patient delays (born in a high TB incidence country, alcohol abuse, unemployment) as well as healthcare delays (older age, being female, oncologic and respiratory diseases). Most of these factors are present in critical and non-critical areas. Our results highlight the need for the development of public health strategies targeted at the population groups with the identified risk factors for delay, in order to help reverse the increasing trend of delayed diagnosis observed in our studies. Space-time clustering and temporal trends of pulmonary TB hospitalizations allowed to identified a region in the northeast of the country that in the last six years presented an increasing trend of pulmonary TB hospitalizations (+ 9.53%), a trend opposite to the country's trend (- 8.12%). This cluster was in a predominantly rural area and the majority of cases were male (72.1%) with a median age of 55 years. Additionally, pulmonary TB hospitalization rate was 19.3/105 population and pulmonary TB was the principal diagnosis in 72.4% of the cases. This region in the northeast of the country needs a closer observation to better understand which factors are contributing to the increase in pulmonary TB hospitalizations, especially since it is an area of low TB incidence. Our results show that space-time clustering and temporal trends analysis can be an invaluable resource to monitor the dynamic of the disease and contribute to the design of more effective, focused interventions.

RESUMO - Introdução O diagnóstico e tratamento precoce são essenciais para um controle eficaz da epidemia da tuberculose (TB), reduzindo a possibilidade de transmissão e aumentando a probabilidade de sucesso terapêutico. De forma a contribuir para um diagnóstico e tratamento atempado, a presente tese compreendeu três objetivos distintos. O primeiro objetivo foi caracterizar os dois testes imunológicos, o teste tuberculínico (TST) e o ensaio de libertação de interferão-gama (IGRA), utilizados em Portugal para o rastreio da infeção por Mycobacterium tuberculosis, através da: (i) determinação e comparação da sensibilidade e taxa de falsos negativos do TST e IGRA; (ii) identificação de fatores clínicos e sociodemográficos que pudessem estar associados à ocorrência de resultados falso negativos nos dois testes; (iii) determinação da concordância entre os dois testes. O segundo objetivo foi (i) caracterizar a demora entre o início dos sintomas e o primeiro contato com os cuidados de saúde (demora do paciente), entre o primeiro contato com os cuidados de saúde e o diagnóstico (demora dos cuidados de saúde), e entre o início dos sintomas e o diagnóstico (demora total) e identificar fatores clínicos e sociodemográficos que pudessem influenciar estas demoras; (ii) identificar áreas geográficas críticas, caracterizar os diferentes atrasos nas diferentes áreas e identificar os fatores clínicos e sociodemográficos que pudessem influenciar os diferentes atrasos. O terceiro objetivo foi caracterizar, através da análise espacial, as hospitalizações por TB pulmonar em Portugal continental. Material e métodos Dois tipos de desenho de estudo observacional foram implementados, um desenho de estudo de coorte retrospetivo (Estudos 1 a 5) e um desenho de estudo ecológico (Estudo 6). Os dados foram obtidos a partir de três bases de dados: (i) Sistema de Vigilância da Tuberculose (SVIG-TB), usada nos Estudos 1 a 5; (ii) Base de Dados de Morbilidade Hospitalar (BDMH), utilizada no Estudo 6; (iii) base de dados da população residente em Portugal do Instituto Nacional de Estatística (INE), utilizada nos Estudos 5 e 6. Diferentes métodos estatísticos foram usados nos diferentes estudos, nomeadamente análise descritiva, sensibilidade, regressão logística, coeficiente Kappa, análise de sobrevivência (estimativas de Kaplan-Meier, teste de logrank, modelo de risco proporcional de Cox) e análise espácio-temporal de clusters e tendências temporais. VIII Resultados Em relação aos dois testes imunológicos utilizados no rastreio da infeção por M. tuberculosis, o TST apresentou uma sensibilidade de 63,8% (TST-5 mm) e 56,1% (TST- 10 mm), sendo a infeção VIH o fator de risco com a mais forte associação com resultados falso negativos (aOR 4,65 - TST-5 mm; aOR 5,05 - TST-10 mm). Outros fatores como insuficiência renal crónica, abuso de álcool, abuso de drogas ou idade avançada (≥ 65 anos) foram igualmente associados a uma maior probabilidade de resultados falso negativos. O IGRA apresentou uma sensibilidade de 82,4%. Quando os resultados dos dois testes foram combinados, a sensibilidade IGRA/TST-5 mm foi de 91,7% e a sensibilidade IGRA/TST-10 mm foi de 90,6%. Doenças inflamatórias e TB pulmonar foram estatisticamente associados a resultados de IGRA falso negativos, enquanto idade avançada, abuso de álcool e TB pulmonar foram associados a resultados IGRA indeterminados. Os testes apresentaram apenas uma leve concordância, com IGRA/TST-5mm a apresentar um coeficiente Kappa de 0,402 (p <0,001) e IGRA/TST-10mm a apresentar um coeficiente Kappa de 0,351 (p <0,001). Em termos de demora no diagnóstico de TB pulmonar, a demora do paciente, dos cuidados de saúde e total foi caracterizada a nível nacional e em áreas críticas e não críticas. As áreas críticas e não críticas foram estabelecidas por meio de análise espacial. Foram identificados dois clusters com taxas de TB pulmonar significativamente mais elevadas, em que os municípios que compunham estes dois clusters foram considerados áreas críticas e os demais municípios considerados áreas não críticas. Globalmente, a mediana das demoras do paciente, dos cuidados de saúde e total foi de 37, 8 e 62 dias, respetivamente. Demoras nas áreas críticas e não críticas apresentaram resultados semelhantes, sendo que a demora dos cuidados de saúde apresentou o menor valor (7 e 10 dias), seguida da demora do paciente (41 e 31 dias) e da demora total (63 e 61 dias). A demora do paciente e total apresentaram uma tendência crescente, a nível nacional e nas áreas críticas e não críticas. A demora dos cuidados de saúde permaneceu relativamente constante ao longo do tempo, a nível nacional e nas áreas críticas. Em áreas não críticas, a mediana da demora dos cuidados de saúde aumentou de forma constante e, nos últimos anos, foi o dobro da demora dos cuidados de saúde em áreas críticas. A maioria dos fatores de risco identificados a nível nacional, surgiram igualmente na análise de áreas críticas e não críticas. Em ambas as áreas, ser de um país de elevada incidência de TB e abuso de álcool estiveram associados a maiores demoras do paciente. Ser do sexo feminino, idade avançada e doenças oncológicas estiveram associados a maiores demoras IX dos cuidados de saúde. Doenças respiratórias foram associadas à demora dos cuidados de saúde, mas apenas em áreas não críticas. Ser do sexo feminino, idade avançada e ser de um país de elevada incidência de TB foram associados a uma maior demora total em ambas as áreas. O desemprego foi o único fator de risco associado à demora do diagnóstico a nível nacional, mais especificamente à demora do paciente, que não se refletiu nas áreas críticas ou não críticas. Em relação às hospitalizações por TB pulmonar, globalmente a taxa de hospitalizações foi de 17,7/105 população/ano, tendo apresentado um decréscimo de 64.9% entre 2002 e 2016 (2002: 29,4/105 população; 2016: 9,6/105 população). A análise espácio-temporal identificou cinco clusters distintos, em que os clusters que incluíam as áreas metropolitanas de Lisboa e Porto apresentaram as taxas de hospitalização mais elevadas (51,5/105 e 43,6/105 população, respetivamente). Num período mais recente (2011-2016), identificámos quatro clusters, em que o cluster que incluía a área metropolitana de Lisboa e uma região rural do Noroeste apresentaram as taxas mais elevadas de hospitalização (27,6/105 e 46,2/105 população, respetivamente). Em termos de evolução temporal, observou-se uma variação percentual média anual da taxa de hospitalizações de - 7.2%, com apenas um dos clusters identificados (em 6) a apresentar uma tendência crescente de hospitalizações (+ 4,34%). No período mais recente, observou-se uma variação percentual média anual da taxa de hospitalizações de - 8,12%, tendo sido identificado apenas um cluster. Este cluster apresentou uma tendência crescente de hospitalizações (+ 9,53%). Conclusões Os dois testes imunológicos utilizados em Portugal para rastreio da infeção por M. tuberculosis apresentaram fatores que afetaram o seu desempenho, promovendo a ocorrência de resultados falso negativos. Em relação ao TST, foram identificados vários fatores de risco para ocorrência de resultados falso negativos, como infeção VIH, insuficiência renal crónica, idade avançada, diabetes, abuso de álcool e drogas. Estes resultados alertam para que, em determinados grupos da população, um TST negativo deve ser interpretado com precaução uma vez que apresentam um elevado risco de resultados falso negativos. Relativamente ao IGRA, foram identificados dois fatores de risco para resultados falso negativos, as doenças inflamatórias e TB pulmonar. Mais ainda, idade avançada, abuso de álcool e TB pulmonar foram identificados como fatores associados à ocorrência de resultados IGRA indeterminados. A concordância entre o TST e o IGRA foi X baixa, porém, os resultados combinados dos dois testes aumentaram a capacidade de identificação de casos de infeção por M. tuberculosis. Estes resultados sugerem que a realização dos dois testes de forma combinada, especialmente em populações vulneráveis (por exemplo, doentes imunocomprometidos), pode maximizar a sensibilidade do diagnóstico no rastreio da infeção por M. tuberculosis. A demora no diagnóstico de TB é um problema multifacetado, com fatores a influenciar negativamente tanto a demora na procura dos cuidados de saúde (ser de um país de elevada incidência de TB, abuso de álcool, desemprego) como a demora do sistema de saúde em realizar um diagnóstico (idade avançada, sexo feminino, doenças oncológicas e respiratórias). A maioria destes fatores está presente quer em áreas críticas como em áreas não críticas. Estes resultados evidenciam a necessidade do desenvolvimento de estratégias de saúde pública direcionadas aos grupos populacionais com fatores de risco associados à demora, de forma a inverter a tendência crescente da demora no diagnóstico observada nos nossos estudos. A análise espácio-temporal das hospitalizações por TB pulmonar permitiram identificar uma região do Noroeste do país que nos últimos seis anos apresentou uma tendência crescente de hospitalizações por TB pulmonar (+ 9,53%), tendência oposta à do país (- 8,12%). Este cluster foi numa região predominantemente rural e a maioria dos casos foram do sexo masculino (72,1%), com mediana de idade de 55 anos. Mais ainda, a taxa de hospitalização por TB pulmonar foi de 19,3/105 habitantes e a TB pulmonar foi o diagnóstico principal em 72,4% dos casos. Assim, é necessária uma observação mais atenta desta região, de forma a entender quais os fatores que estão a contribuir para o aumento das hospitalizações por TB pulmonar, principalmente numa área de baixa incidência de TB. Os resultados mostram que as análises espácio-temporal e de tendências temporais podem ser um recurso importante para monitorizar a dinâmica da doença e contribuir para o desenho de intervenções mais eficazes.