Characteristics of tonsillar and gut microbiota in IgA nephropathy and their association with clinical features

Abstract

Background Recent studies have revealed that alteration in microbiota has a remarkable effect on the host immune responses, particularly in autoimmune diseases. Patients with immunoglobulin A nephropathy (IgAN) commonly manifest recurrent gross hematuria with upper airway or gastrointestinal infection. Moreover, the mucosal immune system in the tonsil and gut is considered the initial site of IgAN inflammation; however, the characteristics of the tonsillar and gut microbiota in IgAN have not been fully elucidated.

Methods To characterize the tonsillar and gut microbiota in IgAN, they were compared among three groups: IgAN, other glomerular diseases, and healthy controls. For tonsillar microbiota, 80 tonsil swab samples were obtained from patients with IgAN (n = 21), patients with other glomerular diseases (n = 36), and healthy controls (n = 23). For gut microbiota, 194 fecal samples were collected from patients with IgAN (n = 100), patients with membranous nephropathy (n = 30), and healthy controls (n = 64). The microbiota from tonsil swabs and fecal samples was analyzed using the Illumina MiSeq system based on the 16S rRNA gene. The function of the 16s rRNA gene sequence was predicted using the Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States 2 (PICRUSt 2).

Results Tonsillar bacterial diversity was higher in IgAN than in other glomerular diseases; however, it did not differ from that in the healthy controls. Moreover, principal coordinates analysis revealed differences between the tonsillar microbiota of the IgAN group and both healthy and disease controls. The proportions of Rahnella, Ruminococcus_g2, and Clostridium_g21 were significantly higher in patients with IgAN than in healthy controls (corrected p < 0.05). The relative abundances of several taxa were correlated with the estimated glomerular filtration rate, blood urea nitrogen, hemoglobin, and serum albumin levels. Furthermore, gut bacterial diversity was similar in the three groups. The relative abundance of Blautia in the IgAN group was significantly higher, whereas that of Sporobacter was lower than that in the control or membranous nephropathy group (corrected p < 0.01). Using KEGG orthology analysis, 14 significantly altered pathways were identified in the IgAN group, and the two genera significantly associated with IgAN were correlated (corrected p < 0.05).

Conclusion Based on the aforementioned findings, tonsillar and gut microbiota may be associated with clinical features and immunological pathogenesis of IgAN.

제목: IgA 신병증에서 편도 및 장내 미생물총의 특징과 임상 양상과의 연관성

배경 최근 연구에서 인간 미생물총의 변화가 숙주의 면역 반응에 중대한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌으며, 이는 특히 자가면역질환에서 보고되어 있다. IgA 신병증 환자는 흔히 상기도 감염 또는 위장관 감염과 더불어 육안적 혈뇨를 반복적으로 보인다. 편도와 장에 있는 점막 면역 체계는 IgA 신병증에서 염증의 시작점으로 생각된다. 그러나 IgA 신병증에서의 편도 및 장내 미생물총의 특징은 아직 완전히 밝혀져 있지 않다.

방법 IgA 신병증에서의 편도 및 장내 미생물총의 특징을 알아보기 위해, IgA 신병증과 다른 사구체 질환, 건강인으로 이루어진 3개의 그룹에서 편도와 장내 미생물총을 비교하였다. 편도 미생물총은 총 80개의 편도 스왑 검체를 IgA 신병증 환자 21명, 다른 사구체 질환 36명, 건강인 23명에게서 얻어 분석하였다. 장내 미생물총은 총 194개의 분변 검체를 IgA 신병증 환자 100명, 막성 신장병 36명, 건강인 23명에게서 얻어 분석하였다. 미생물총은 편도 스왑 검체와 분변 검체에서 16S rRNA 유전체를 기반으로 한 Illumina MiSeq system을 사용하여 분석하였다. Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States 2를 이용하여 16S rRNA 유전체 염기서열을 기반으로 기능적 예측을 시행하였다.

결과 IgA 신병증 환자군의 편도 미생물총의 다양성은 다른 사구체 질환군에 비해 높았으나, 건강인 군과 비교했을 때는 차이가 없었다. 주성분 분석에서 IgA 신병증 환자군의 편도 미생물총은 다른 사구체 질환군, 건강인군과 뚜렷한 차이를 보였다. Rahnella, Ruminococcus_g2, Clostridium_g21 속의 비율은 건강인군에 비해 IgA 신병증 환자군에서 유의하게 높았다 (corrected p < 0.05), 그 외 몇몇 속의 상대빈도가 예측 사구체여과율, 혈액 요소질소, 혈색소, 알부민과 상관관계를 보였다. 장내 미생물총의 다양성은 세 개의 군에서 차이가 없었다. IgA 신병증 환자군에서 막성 신장병군, 건강인 군에 비해 Blautia 속의 상대빈도는 유의하게 높았고, Sporobacter 속의 상대빈도는 유의하게 낮았다 (corrected p < 0.01). 총 14개의 KEGG Orthology 경로가 면역글로불린 A 신장병 환자군에서 유의한 차이를 보이면서, 해당 군에서 유의하게 확인된 2개의 속과도 연관성이 있는 것으로 확인되었다 (corrected p < 0.05).

결론 위의 결과로 미루어, 편도와 장내 미생물총은 IgA 신병증의 임상적 특징 및 면역학적 발병기전과 관련이 있을 가능성이 있다.