Alteration of gut microbiome in patients with Graves disease

Abstract

목적: 그레이브스병은 유전적 감수성과 환경적 요인을 가진 환자의 갑상선 자가 항원에 대한 면역 내성 장애로 발생하는 갑상선의 대표적 기관-특이 자가 면역 질환이다. 수 많은 환경적 요인 중의 하나가 인간의 면역계 전반에 영향을 끼쳐 전신 염증 반응에 변화를 가져올 수 있는 장내 미생물 군집 불균형이다. 본 연구는 그레이브스병 환자의 장내 미생물 군집 특성을 규명한 후, 장내 미생물 군집의 특정 변화가 환자의 임상 경과에 미치는 영향을 확인하고, 말초 T 세포 활성 또는 혈청 지질 다당류 농도 변화와 장내 미생물 군집 변화 간의 연관성을 확인하는데 목적이 있다. 방법: 2018년 4월부터 2020년 6월까지 서울대학교병원을 방문한 치료 전 그레이브스병 환자 75명과 연령, 성별, 체중이 일치하는 225명의 건강한 대조군을 연구 대상자로 모집하였다. 평균 연령은 40.0 ± 12.9세였고, 76.0%의 여성이 포함되었다. 갑상선 중독증 상태의 환자에서 16S rRNA 유전자 기반 장내 미생물 군집 정보와 말초 T 세포의 분획 정보, 혈청 LPS 농도 결과를 수집한 후, 그레이브스병 환자와 건강 대조군을 비교 분석 하였다. 그리고 그레이브스병 환자에서 항 갑상선 약제에 대한 치료 반응과 치료 후 체중 변화 정도에 따른 장내 미생물 군집 차이를 분석하였다. 결과: 건강 대조군과 비교하여 그레이브스병 환자의 장내 미생물 풍부도와 다양성 감소가 현저했다. 특히 치료 전 갑상선 중독증이 더 심하거나, 치료 후 2kg 이상의 체중 증가를 보인 그레이브스 병 환자 또는 항 갑상선 약제에 대한 치료 반응이 더 나쁜 환자의 경우, 치료 전 장내 미생물 불균형이 더 심했다. Ruminococcaceae계통의 Oscillibacter속의 장내 유의한 감소는 치료 후 더 많은 체중 증가와 치료에 대한 나쁜 반응을 예측하는데 유용한 지표가 될 수 있을 것으로 보이며, Clostridium 속 Clostridium celatum 종의 증가는 그레이브스병 환자의 Th17 세포 활성도를 증가 시키는데 중요한 역할을 담당할 것으로 추정된다. 또한 Proteobacter 문의 Enterobacteraceae 계통의 증가는 혈청 지질 다당류 농도 증가를 통해 그레이브스병 환자의 전신 염증 반응 증가에 기여할 것으로 확인되었다. 결론: 이 연구를 통해 그레이브스병 환자의 특정 장내 미생물 변화가 CD4+ T 세포의 Th17 세포로의 분화를 촉진하거나, 혈청 지질 다당류 농도 증가를 유발함으로써 면역 활성도 변화를 유발할 수 있다는 것을 확인하였다. 특징적인 장내 미생물 군집 불균형을 진단함으로써 그레이브스병으로의 진행 또는 재발 가능성이나, 항 갑상선약제 치료에 대한 반응 정도 또는 치료 중의 체중 증가 정도를 예측하는 데 보조적인 수단으로 활용할 수 있을 것이다. 또한 변형이 가능한 환경적 인자로서 재발 또는 좋지 않은 임상 경과의 발생을 예방하는 수단으로의 임상적 가치도 기대가 된다.

Objective: Graves disease is the organ specific autoimmune disease that results from disruption of immune tolerance to self-thyroid antigens in subjects with genetic susceptibility and environmental factors. One of the key environmental factor is imbalance of gut microbiome (=dysbiosis) that can affect immune system and promote inflammation. This study aimed to identify changes in gut microbiome that are characteristic of GD patients, may affect clinical outcome in GD, and to confirm their relevance to changes in peripheral T cell activity or serum LPS level. Methods: Untreated 75 GD patients who visited a Seoul National University Hospital from April 2018 to June 2020 and 225 age, sex and body weight matched 225 healthy controls were recruited. The mean age was 40.0 ± 12.9 years and 76.0% was female. 16S rRNA gene-based gut microbial profiles, the proportion of peripheral CD4+ T cells and serum LPS concentration at the time of thyrotoxicosis status were collected. We compared them between GD patients and matched healthy controls. We performed additional analyses according to the treatment response and degree of weight change after treatment in GD patients. Results: It is clearly confirmed that GD patients had gut microbial dysbiosis at time of diagnosis compared to healthy controls. In particular, GD patients with worse pre-treatment thyrotoxicosis, greater weight gain than 2kg after treatment, or patients with worse response to ATD therapy had worse gut microbial dysbiosis before treatment. A significant decrease in Oscillibacter genus in the family Ruminococcaceae in random forest model and LOOCV after LEfSe analysis results was identified as a useful differential change of microbial composition to predict more weight gain and bad treatment response to ATD after treatment. In addition, by analysis among peripheral T cell subsets, serum LPS concentration and gut microbial dysbiosis in GD patients, a significant increase in Clostridium celatum group species in the genus Clostridium identified to plays a powerful pivotal role in increasing peripheral Th17 cell activity in GD. Independantly, the increase of Enterobacteraceae family in the phylum Proteobacter has been proven to contribute to the increase of pro-inflammatory signal through the increase of serum LPS in GD. Conclusion: This study has shown that changes in certain gut microbial composition in patients with GD can increase differentiation to Th17 cell in naive CD4+ T cell, or increase pro-inflammatory condition in serum to promote LPS, a bacteria-derived endotoxin, resulting in changes in immune activity in host. Dysbiosis of gut microbiome in GD has been proven to be one of the environmental factor that can be modified to promote progression to GD, increase the likelihood of recurrence, make GD patients' response to treatment worse, or contribute to more weight gain after treatment. It is therefore expected that the results of the gut microbiome analysis will be used as an adjunct to diagnosis and treatment in future GD patient care.