The role of amniotic fluid exosome, hypoxia inducible fator-1α, and inflammatory cytokine in cervical insufficiency

Abstract

Cervical insufficiency (CI) has been defined as painless cervical

dilatation, leading to recurrent second trimester births. Physical

examination-indicated cerclage (PEIC) is an obstetric salvage

procedure for CI patients with dilated cervix and prolapsed

membrane. Hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α) has been

reported to activate inflammatory cascade. Recently, exosomes

have been known to have pivotal roles in intercellular

communication. The aim of this study was to compare the

concentration of amniotic fluid (AF) HIF-1α, exosomal HIF-1α,

and inflammatory cytokines such as interleukin-1α (IL-1α),

interleukin-1ß (IL-1ß), interleukin-6 (IL-6), and tumor necrosis

factor-α (TNF-α) between PEIC and control group. We also

investigated the associations between biomarkers and

amniocentesis-to-delivery interval and the correlations of

inflammatory cytokines, HIF-1α, and exosomal HIF-1α.

Case-control study was performed. Cases were defined as 16

patients who underwent PEIC and controls were 19 women who

underwent amniocentesis for confirming chromosomal

abnormalities. The concentration of IL-1α, IL-1ß, IL-6, TNF-α,

HIF-1α, exosomal HIF-1α were measured using enzyme-linked

immunosorbent assay (ELISA). Exosomes were confirmed by

Tumor Susceptibility Gene 101 (TSG 101) and transmission

electron microscopy (TEM). The mean HIF-1α in PEIC group

was higher than control group (PEIC, 15.03 ± 9.60 pg/mL vs.

control, 2.96 ± 1.99 pg/mL

p < 0.01). There were significant

differences in inflammatory cytokines between two groups. A

significant difference in exosomal HIF-1α was shown between

two groups (PEIC, 27.97 ± 28.61 µg/mL vs. control, 12.42 ± 8.20

µg/mL

p < 0.01). HIF-1α, IL-1α, IL-6, TNF-α, and exosomal

HIF-1α showed significantly negative association with

cerclage-to-delivery interval. However, IL-1ß was not associated

with cerclage-to-delivery interval. HIF-1α was positively

correlated with exosomal HIF-1α (rho=0.93, p<0.01). Both HIF-1α

and exosomal HIF-1α were significantly associated with TNF-α

(rho=0.94, p<0.01

rho=0.97, p<0.01, respectively). Both HIF-1α

and exosomal HIF-1α had positive correlation with IL-1α

(rho=0.96, p<0.01

rho=0.91, p<0.01, respectively). However, IL-1ß

showed no correlations with HIF-1α and exosomal HIF-1α. A

positive correlation between HIF-1α and IL-6 was observed

(rho=0.58, p=0.01). Exosomal HIF-1α also had correlation with

IL-6 (rho=0.52, p=0.03). This study demonstrated that AF HIF-1α

and AF exosomal HIF-1α were higher in PEIC group than

control group. AF HIF-1α and AF exosomal HIF-1α were

associated with shorter amniocentesis-to-delivery interval. More

importantly, they had positive correlations with AF inflammatory

cytokines such as IL-1α, IL-6, and TNF-α. Our results may

indicate that AF HIF-1α and AF exosomes interact with AF

inflammatory cytokines and contribute to inflammatory response

in complicated pregnancies.

자궁경부무력증은 임신 2분기에 진통 없이 자궁경부가 개대되어

조산에 이르게 하는 질환으로 염증 반응과 연관이 있을 것으로

여겨지나 명확한 병태생리가 밝혀지지 않았다. 응급자궁경부원형

결찰술은 자궁경부가 개대되고, 질 내로 양막이 돌출된 자궁경부무

력증 환자에서 임신 유지를 위해 시행하는 수술이다. 응급자궁경부

원형결찰술을 받더라도 조산의 위험성은 매우 크다. 엑소솜은 최근

세포 간 신호전달에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 나노

미터 물질이나, 양수내 엑소솜에 대한 연구는 제한적이었다.

HIF-1α는 염증 연쇄반응을 활성화 시키는 물질로 알려져 있으나,

양수 내 HIF-1α의 역할을 규명된 바 없다. IL-1, IL-6, TNF-α는

조산의 병태생리와 밀접한 관련이 있는 염증성 사이토카인들이다.

본 연구 에서는 응급자궁경부원형결찰술을 받은 자궁경부무력증

환자의 임신예후에 미치는 양수내 엑소솜과 HIF-1α, IL-1α, IL-1ß,

IL-6, TNF-α의 역할에 대해 알아보고자 한다.

환자-대조군 연구를 시행하였다. 환자군은 응급자궁경부원형결

찰술을 받은 자궁경부무력증 산모 16명, 대조군은 태아 염색체

이상을 검사하기 위해 양수검사를 시행한 산모 19명으로 하였다.

ELISA를 이용하여 양수내 HIF-1α, IL-1α, IL-1ß, IL-6, TNF-α

농도 및 엑소솜내 HIF-1α를 측정하였다. 양수내 엑소솜은 전자현미

경 및 엑소솜 마커인 TSG 101을 이용하여 확인하였다.

자궁경부무력증 환자군에서 대조군에 비해 의미 있게 높은

양수내 HIF-1α 수치를 보였다. 양수내 IL-6, TNF-α 또한 자궁경부

무력증 환자군에서 의미 있게 높은 수치를 보였다. 양수내 IL-1α,

IL-1ß는 자궁경부무력증 환자군이 대조군에 비해 높은 수치를 보이

기는 하였으나, 통계학적 의미는 없었다. 전자현미경 및 TSG 101

마커를 통해 양수내 엑소솜을 확인할 수 있었다. 엑소솜내 HIF-1α

는 자궁경부무력증 환자에서 유의하게 높았다. 응급자궁경부원형결

찰술 후 분만까지의 기간과 양수 내 HIF-1α, IL-1α, IL-1ß, IL-6,

TNF-α 및 엑소솜내 HIF-1α의 연관성 분석에서 HIF-1α, IL-1α,

IL-6, TNF-α 및 엑소솜내 HIF-1α 농도가 높을수록 임신연장기간

이 짧았다. 양수 내 HIF-1α, IL-1α, IL-1ß, IL-6, TNF-α 및 엑소솜

내 HIF-1α의 상호 연관성 분석에서 HIF-1α는 IL-1α, IL-6, TNF-α

및 엑소솜내 HIF-1α와 양의 상관관계를 보였다. 엑소솜내 HIF-1α

또한 IL-1α, IL-6, TNF-α와 양의 상관관계를 보였으며, TNF-α는

IL-1α, IL-6와 양의 상관관계를 보였다.

본 연구에서는 양수내 HIF-1α, IL-1α, IL-6, TNF-α 및

엑소솜내 HIF-1α 농도와 자궁경부무력증환자의 수술 후 임신연장

기간과의 상관관계를 밝히는 한편, 양수내 HIF-1α및 엑소솜내

HIF-1α와 기존에 알려진 염증 사이토카인인 IL-1α, IL-6, TNF-α와

의 상관관계에 대해서도 분석하였다. 향후 양수내 HIF-1α와 엑소솜

이 자궁경부무력증 환자의 염증연쇄반응 병태생리 규명에 도움을

줄 수 있을 것으로 사료된다.