Correlation between the microbiome and blood lactate concentration in canines with insulin-dependent diabetes mellitus

Abstract

The correlation between the intestinal microbiome and endocrine disorders has recently been drawing attention as an important key for determining their pathology and clinical assessment. Recent evidence suggests a correlation between dysbiosis and the pathogenesis of insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM). However, these studies remain controversial, and further studies are needed to define a gut microbiome imbalance in IDDM and identify the causative factors. Poor diabetes management can increase the blood lactic acid in dogs as well as humans. Previous studies have reported a correlation between intestinal dysbiosis and lactate concentration. In this study, the microbiome of dogs with IDDM were evaluated with respect to blood lactate. All subjects were categorized into diabetic and healthy (non-diabetic) dogs. Dogs with naturally occurring IDDM (n = 11) and healthy dogs (n = 6) were enrolled and also dogs with IDDM were divided into two groups: those with normal blood lactate levels (N-DM, n=5) and those with levels above the normal range (L-DM, n=6). All groups diabetes mellitus control indicators were measured. Using RT-qPCR, lactate producing bacteria and dysbiosis associated bacteria are measured by relative expression with universal mRNA. Expression levels of the lactate-producing bacteria Lactobacillus spp., Enterococcus spp., and Bifidobacterium spp., were confirmed in IDDM patients comparing with healthy dogs. In diabetes mellitus dogs, relative mRNA expression of Enterococcus spp. and Bifidobacterium spp. increased 6.23, 3.90-fold respectively compared to healthy dogs. When blood lactate concentration increased in diabetes dogs, relative mRNA expression of Bifidobacterium spp. increased 3.90-fold compared to diabetes dogs with normal blood lactate levels. In conclusion, blood lactate levels influence the gut microbiome in dogs with IDDM. It is noteworthy that these findings are related to previously studied intestinal microbial flora. And the intestinal flora of diabetic patients changed according to their blood lactate levels, which means that the blood lactate concentration could be a major indicator of intestinal dysbiosis in diabetic patients. Our study will help understand the gut microbiota in the context of diabetes in human and veterinary medicine.

장내 마이크로바이옴과 내분비 질환의 상관관계가 최근 관련 질환의 병리적, 임상적 접근의 중요한 열쇠로 주목받고 있다. 관련하여 인슐린 의존성 당뇨와 장내 세균 불균형 사이의 상관관계 또한 많은 연구결과에서 시사하고 있다. 그러나 이러한 연구는 insulin dependent diabetes mellitus(IDDM)과 장내 미생물 불균형의 인과관계와 원인 요인의 식별이 되지 않는다는 점에서 추가연구가 필요하다. 관리되지 않은 당뇨 질환은 사람뿐만 아니라 개에서 또한 혈중 젖산농도를 증가시킬 수 있다. 증가된 혈중 젖산농도와 장내 세균 불균형에 대한 보고는 연구된 바 있다. 따라서 본 연구에서는 혈중 젖산 농도와 관련하여 인슐린 의존성 당뇨병을 가진 개의 마이크로바이옴을 평가했다. 모든 실험 대상은 당뇨병이 있는 개와 건강한 개로 분류하였다. 자연적 발생 인슐린 의존성 당뇨를 가진 개(n = 11)와 건강한 개(n = 6)이 실험에 참여하였으며, 또한 인슐린 의존성 당뇨를 가진 개는 정상 혈중 젖산 수치를 가진 개(N-DM, n = 5)와 이상 젖산 수치를 가진 개(L-DM, n = 6)가 분류되었다. 모든 실험 대상 개들의 당뇨병 관리 혈액검사 지표를 측정하여 비교하였다. RT-qPCR을 이용해 젖산 생성균과 장내 세균 불균형 지표 균을 세균 범용 유전자와 비교하여 상대적 발현 경향을 확인하였다. 당뇨 환견과 건강한 환견의 Enterococcus spp.와 Bifidobacterium spp.의 상대적 mRNA 표현을 비교하였을 시 각각 6.23, 3.90 배 증가하는 경향을 확인하였다. 또한 혈중 젖산 농도가 증가한 당뇨 환견은 정상 젖산 농도를 가진 당뇨 환견에 비해 Bifidobacterium spp.의 상대적 mRNA 표현형이 3.90배 증가하는 경향을 확인하였다. 결론적으로, 혈중 젖산 농도는 IDDM을 앓는 개의 장 내 마이크로바이옴에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이는 이전 진행되었던 장내 세균총 연구와 관련하여 한걸음 진보하였다는 의미가 있다. 또한 당뇨병 환자의 장내 세균총이 혈중 젖산 농도에 따라 달라짐으로 혈중 젖산농도가 당뇨 환자의 장내 세균 불균형 유발 요인에 주요하게 작용함을 확인하였다. 본 연구는 임상수의학에서 뿐만 아니라 인의에서도 당뇨병과 관련한 장 내 마이크로바이옴의 이해에 교량 역할을 할 것으로 사료된다.