Integrated analysis of microbiome and in-depth proteome in chronic rhinosinusitis with nasal polyps

Abstract

Chronic rhinosinusitis (CRS) is defined as inflammation of the nasal and paranasal sinus mucosa and exhibits remarkable heterogeneity. Although antibiotics are prescribed frequently to reduce inflammation, effects of antibiotics on nasal environment and host response in CRS is clearly unknown. Therefore, I aimed to reveal the associations between nasal environment and host response using integrated analysis. For in-depth investigation, filter papers were used to obtain nasal secretions from middle meatus. The nasal secretions were collected from 29 controls, 30 patients with CRS without nasal polyp (CRSsNP), and 40 patients with CRS with nasal polyp (CRSwNP). To identify the effects of antibiotics, 99 subjects were divided on whether they had taken antibiotics 3 months prior to sampling. Then, metagenomic sequencing and mass spectrometry-based proteomic analysis were performed. I revealed the associations between the microbiome and secreted proteome could be altered in relation to the use of antibiotics. Furthermore, I identified the use of antibiotics might have stronger effects on not only nasal microbiome and secreted proteome, but also associations between them in CRSwNP compared to those in control and CRSsNP subjects. Although it is not clear whether the global changes caused by antibiotics are favorable or unfavorable to treat CRS, I suggest that the use of antibiotics need to be regarded as an essential confounding factor in the microbiome and proteome analysis. These findings allow us to obtain new insight on the nasal environment and host response in CRS.

만성 비부비동염(CRS)은 비강 내에 12주 이상 지속되는 염증질환으로 동서양을 막론하고 가장 빈번히 발생하는 상기도 질환이다. 이 질환은 이질성이 높아, 연구자들은 cytokine, 증상과 미생물의 구성 등의 여러 측면에서 endotype을 밝히고자 하였다. endotype을 연구하기 위한 비강 샘플은 대부분 biopsy, lavages, swabs, scraping 등의 방법으로 얻었다. 하지만 lavages, swabs와 같이 비침습적 방법으로 얻은 비강 샘플에서는 소변이나 타액 등 다른 비침습적 방식으로 얻은 샘플들에 비해 적은 수의 단백질만을 얻을 수 있었다. 그래서 이 논문에서는 단백질이 쉽게 흡착되고 보존될 수 있는 filter papers를 이용하여 비침습적 방법으로 상대적으로 많은 수의 비강 단백질을 얻고자 하였다. 항생제가 CRS의 증상을 완화시키는데 효과가 있는지는 논란의 여지가 있지만 환자들에게 빈번히 처방이 되고 있다. 하지만 기존의 대부분의 CRS 연구에서는 환자의 항생제 복용 이력은 고려되지 않았다. 그렇기 때문에 현재까지 항생제가 비강 내 미생물과 상피세포에 어떠한 영향을 미치는지 밝혀진 바가 없다. 본 연구는 29명의 질환이 없는 대조군, 30명의 폴립을 동반하지 않은 만성 비부비동염 환자 (CRSsNP) 그리고 40명의 폴립을 동반한 만성 비부비동염 환자 (CRSwNP)를 대상으로 진행되었다. 이 연구를 통해 비강 내 미생물과 분비된 단백질의 연관성이 질환의 상태에 따라 달라질 수 있음을 확인하였다. 더 나아가서 항생제 복용 여부에 따라 미생물과 분비된 단백질의 연관성도 달라짐을 확인하였다. 흥미롭게도 항생제 복용 여부의 영향은 NP (nasal polyps; CRSwNP) 환자와 Non-NP (대조군과 CRSsNP) 그룹에서 다르게 나타났다. Non-NP 그룹에 비해, 항생제는 NP 그룹의 미생물과 분비된 단백질 그리고 그 둘의 상관관계에 더 크게 작용했다. 여전히 항생제가 CRS의 증상 완화에 도움이 되는지는 명확히 알지 못하지만 앞으로 CRS에서의 미생물과 단백질 연구에서 항생제 복용 여부를 중요한 교란 변수로 여겨야 함을 보여주었다. 따라서 본 연구는 CRS에서 비강 내 환경과 host의 반응의 연관성을 통해 질환의 이해를 높이고자 하였으며 항생제가 미생물과 host에 미치는 영향에 대한 새로운 관점을 제시하였다.