Effect of disease-modifying antirheumatic drugs on pathophysiology and clinical course of rheumatoid arthritis-associated interstitial lung disease

Abstract

서론: 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환 (RA-ILD)는 류마티스 관절염 환자의 사망률 증가에 기여하는 중요한 폐 외 증상 중 하나이다. 하지만 현재까지 류마티스 약물의 폐에 대한 영향을 포함한 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환에 대한 병태생리나 자연 경과에 대하여 잘 알려지지 않았다. 이 연구에서는 첫째 전향적 환자 코호트를 사용하여 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환에 대한 항류마티스 제제의 영향을 분석하고, 둘째 질환 동물 모델을 이용하여 항류마티스제제가 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환의 폐의 미세환경에 미치는 변화를 전사체 분석을 통해 규명하였다.

방법: 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환 환자의 임상경과 분석은, 코호트 분석을 위해 국내 6개 의료기관이 참여한 한국인 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환 코호트 (KORAIL cohort) 데이터를 이용하여 분석하였다. 폐 섬유화 점수는 흉부 CT검사에서 망상 혼탁 점수와 견인 기관지 확장증/기관지 확장증 점수의 합으로 정의하였다. 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환 질환 동물모델은 SKG 마우스를 이용하였다. 자이모산과 PBS, 자이모산과 메토트렉세이트, 자이모산과 종양 괴사인자 차단제, 그리고 아무런 투약을 하지 않은 총 4군의 SKG 마우스의 폐 조직에서 단일핵 RNA 시퀀싱 (single nucleus RNA sequencing)을 시행하였다.

결과: 30% 이상의 폐침범을 동반한 중증 류마티스 관절염 연관 간질성 폐질환 환자에서, 폐섬유화의 점수는 2년 및 3년 추적에서 메토트렉세이트 치료군에서 유의하게 증가하였다. 다른 그룹과 비교하여 자이모산 A 및 메토트렉세이트 투여를 받은 SKG 마우스에서 조직학적으로 명백한 폐 염증이 관찰되었다. 자이모산 A 주입에 의한 면역 세포, 섬유아세포 및 폐포 상피 세포에서의 전사체 변화가 메토트렉세이트 투여로 더욱 강화된 반면, 종양 괴사인자 차단제 투여는 이러한 전사체 변화를 완화하여 자이모산 A 주입이 없는 SKG 마우스와 유사한 변화를 보였다. 흥미롭게도, 자이모산 A 가 투여된 마우스의 중 메토트렉세이트를 투여 받은 군의 제 II형 폐포 세포에서 고유한 하위 세포 클러스터가 관찰되었습니다. 이 독특한 클러스터는 염증성 사이토 카인 자극에 의해 발현이 증가되는 유전자들이 유의하게 발현되어 있었다. 또한, 이 클러스터는 폐의 자가 재생에 필수적인 BMI1 이 결핍된 마우스와 유의하게 유사한 유전자 발현이 관찰되었다.

결론: 중증 간질성 폐질환 환자에서 메토트렉세이트 투여는 폐 섬유화를 악화시켰다. 질환 동물 모델인 자이모산 A을 주사한 SKG 마우스에서 메토트렉세이트 투여한 개체에서도, 염증에 의한 제 II형 폐포 세포의 재생 능력 감소로 심한 폐렴을 유발하였다.

Introduction: Rheumatoid arthritis-associated interstitial lung disease (RA-ILD) is one of the pivotal extrapulmonary conditions contributing to increased mortality in rheumatoid arthritis patients. However, the pathophysiology of RA-ILD, including the effect of disease-modifying anti-rheumatoid drugs (DMARDs) is largely unknown.

Objectives: The current study aimed to study the effect of DMARDs on the clinical course of RA-ILD and on the lung microenvironment.

Methods: The clinical course of patients was analyzed using data from the Korean Rheumatoid Arthritis-related Interstitial Lung Disease (KORAIL) cohort, a prospective observational cohort in which patients were followed up and examined annually for three years. Six tertiary medical centers in the Republic of Korea participated in KORAIL cohort. Fibrosis score was defined as the sum of reticular opacity score and traction bronchiectasis/bronchiectasis score on a computed tomography chest scan. Mice of the SKG strain were used as an animal model for RA-ILD. Single-nucleus ribonucleic acid (RNA) sequencing was performed using the lung tissue of SKG mice from four groups: (1) those without zymosan A injection, (2) those injected with zymosan A and treated with phosphate-buffered saline, (3) those injected with zymosan A and treated with methotrexate, and (4) those injected with zymosan A and treated with a tumor necrosis factor α inhibitor (TNFi).

Results: In patients with severe RA-ILD, defined as more than 30% lung involvement, fibrosis score rose significantly in the methotrexate-treated group at the two-year and three-year follow-ups. Histologically evident inflammation was seen more often in the mice of group 3 (zymosan A injected and methotrexate treated) than in the other groups. Methotrexate treatment heightened transcriptome changes by zymosan A injection in immune cells, fibroblasts, and alveolar epithelial cells, while TNFi treatment alleviated those transcriptome changes, with results resembling those of the mice in group 1 (no zymosan A injection). Interestingly, a unique type II alveolar cell subcluster was seen in the methotrexate-treated mice. This unique cluster was enriched by inflammatory cytokine-responsive genes and showed reduced regenerative capacity.

Conclusion: In the KORAIL cohort, methotrexate administration worsened pulmonary fibrosis in patients with severe RA-ILD. In the mouse model, methotrexate induced severe pneumonia due to the reduced regeneration capacity of type II alveolar cells associated with an inflammatory response.