Metabolomic analysis of follicular fluid in women with endometriosis

Abstract

Background: Endometriosis (EMS) is a benign gynecologic disease defined as ectopic proliferation of endometrial gland and stroma. Although the strong relationship between EMS and infertility is well known, its mechanism is still a conundrum. Recently, metabolomics has been spotlighted as a tool to elucidate the etiology, pathophysiology and mechanism of various diseases. Despite follicular fluid (FF) provides the microenvironment for follicular development and affects the quality of oocytes, there are only a limited number of metabolomic studies analyzing FF in EMS. The aim of this study is comparing the metabolomic and microbiome composition of FF of unilateral ovarian EMS with non-EMS patients. Method: Ten women receiving oocyte retrieval were enrolled prospectively from July 2021 to July 2022 at Seoul National University Bundang Hospital. Five patients were diagnosed with unilateral EMS and the other five patients were non-EMS control group. In EMS group, FF from EMS-affected ovary was collected. Targeted quantitative metabolomics kit, which can detect 188 metabolites, and twenty bile acid (BA) quantification kit are used for metabolomic analysis. Multivariate analysis (principal component analysis) was performed to identify discriminative the differences of composition. Result: There were six metabolites with statistical differences. In EMS group, acylcarnitine propenoylcarnitine (C3:1) was significantly increased, whereas amino acid valine, alanine, acylcarnitine butyrylcarnitine (C4), butenylcarnitine (C4:1), and phosphatidylcholine diacyl C 38:3 (PC aa C38:3) were significantly elevated in non-EMS control group. Since antimullerian hormone level and the presence of DOR showed significant difference between EMS group and non-EMS group, the correlation with these factors and the six metabolites were performed. Valine was showed statistically significant positive correlation with AMH and C3:1 and valine had negative and positive correlation with DOR, respectively. Also, the BA kit analysis did not show any statistical difference between EMS and non-EMS patients. Conclusion: The different levels of acylcarnitines, amino acids, and glycerophospholipids suggest that endometriosis has altered mitochondria energy metabolism in cellular level. The gut microbiome may not affect the pathophysiology of follicular development in EMS since BA kit did not show significantly different patterns.

자궁내막증은 자궁 내막의 분비선 및 기질이 자궁 외의 장소에서 증식하는 양성 부인과 질환이다. 자궁내막증과 난임의 높은 연관성은 많은 연구에서 입증되었으나, 자궁내막증이 난임에 작용하는 기전은 아직도 완전히 밝혀지지 않았다. 최근, 대사체학이 다양한 질환의 병인, 병태생리, 기전을 밝히는 도구로 각광받고 있다. 난포액은 난포의 발달에 필요한 미세 환경을 제공하고 난자의 질에 영향을 주는 물질이다. 그러나 자궁내막증 환자에서 그 난포액을 분석한 대사체학 연구는 제한적이다. 본 연구의 목적은 단측성 난소 자궁내막증에서 난포액의 대사체 구성과 마이크로바이옴 조성을 비자궁내막증 군과 비교하는 것이다. 단측성 난소 자궁내막증 환자의 검체는 모두 자궁내막증에 이환된 쪽의 난소에서 채취한 난포액을 이용하여 분석하였다. 2021년 7월부터 2022년 07월에 걸쳐 분당서울대학교병원에서 10명의 난자 채취 예정 환자가 전향적으로 연구에 참여하였다. 5명은 단측성 난소 자궁내막증으로 진단된 환자였고, 나머지 5명은 비자궁내막증 대조군이었다. 이후 키트를 사용한 표적 대사체 분석이 진행되었다. 188개의 대사체를 분석할 수 있는 키트와 20개의 담즙산을 분석할 수 있는 정량 키트가 사용되었다. 다변량 분석과 주 성분 분석을 통해 난포액 구성 성분의 유의한 차이를 확인하였다. 6개의 대사체에서 통계적 유의성이 확인되었다. 자궁내막증 군에서는 아실카르티닌 C3:1 (propenoylcarnitine)이 통계적으로 유의하게 증가하였고, 비 자궁내막증 군에서는 발린, 알라닌, 아실카르티닌 C4:1 (butenylcarnitine), C4, PC aa C38:3이 유의하게 증가하였다. 한편, 자궁내막증 군과 비자궁내막증 군의 임상적 지표에서 유의한 차이를 보인 항뮬러관호르몬 수치와 난소기능저하 여부에 대해 6개의 대사체와의 연관성 분석을 시행하였고, 발린과 항뮬러관호르몬 사이에서 양의 상관 관계를 보였다. 또한 C3:1과 발린은 난소기능저하와 각각 음의 상관 관계와 양의 상관 관계를 보였다. 또한 담즙산 분석 키트에서는 유의한 차이가 확인되지 않았다. 자궁내막증 환자에서 아실카르니틴, 아미노산, 글리세로인지질의 수치 차이는 이 질병으로 인한 세포 수준에서의 미토콘드리아의 에너지 대사 변화를 암시한다. 담즙산 분석 키트에서 유의한 패턴의 차이가 없었기 때문에, 자궁내막증 환자에서 장 마이크로바이옴이 난포 발달에 미치는 영향은 없을 것으로 생각된다.