Nature.com을 방문해 주셔서 감사합니다. 사용하시는 브라우저 버전은 CSS 지원이 제한적입니다. 최상의 결과를 위해 최신 버전의 브라우저를 사용하시거나 (Internet Explorer의 호환성 모드를 비활성화하세요). 지속적인 지원을 위해 현재는 스타일과 JavaScript를 적용하지 않고 사이트를 표시하고 있습니다.
본태성 떨림(ET)의 조기 진단은 특히 건강한 대조군(HC) 및 파킨슨병(PD) 환자와 구별하기 어려울 수 있습니다. 최근 장내 미생물과 그 대사산물에 대한 대변 분석은 신경퇴행성 질환의 새로운 바이오마커 발굴을 위한 새로운 방법을 제시하고 있습니다. 장내 미생물의 주요 대사산물인 단쇄지방산(SCFA)은 파킨슨병 환자의 대변에서 감소된 것으로 알려져 있습니다. 그러나 본태성 떨림 환자의 대변 SCFA에 대한 연구는 아직 이루어지지 않았습니다. 본 연구는 본태성 떨림 환자의 대변 SCFA 수치를 조사하고, 임상 증상 및 장내 미생물과의 관련성을 평가하며, SCFA의 잠재적 진단 능력을 확인하는 것을 목표로 했습니다. 37명의 본태성 떨림 환자, 37명의 새로운 파킨슨병 환자, 그리고 35명의 건강한 대조군을 대상으로 대변 SCFA와 장내 미생물을 측정했습니다. 변비, 자율신경 기능 장애, 떨림의 심각도는 척도를 사용하여 평가했습니다. 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산의 대변 수치는 건강한 대조군에 비해 본태성 떨림 환자에서 유의하게 낮았습니다. 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산의 조합은 AUC 0.751(95% CI: 0.634–0.867)로 ET와 HC를 구분했습니다. 대변 이소발레르산과 이소부티르산 수치는 PD보다 ET에서 낮았습니다. 이소발레르산과 이소부티르산은 AUC 0.743(95% CI: 0.629–0.857)로 ET와 PD를 구분했습니다. 대변 프로피온산은 변비 및 자율신경 기능 장애와 역의 상관관계를 보였습니다. 이소부티르산과 이소발레르산은 떨림의 심각도와 역의 상관관계를 나타냈습니다. 대변 단쇄지방산(SCFA) 함량 감소는 ET에서 Faecalibacterium과 Streptobacterium의 풍부도 감소와 관련이 있었습니다. 따라서 ET에서 대변 SCFA 함량은 감소하며, 이는 임상 증상의 심각도 및 장내 미생물총의 변화와 관련이 있습니다. 대변 ​​내 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산 및 이소발레르산은 ET에 대한 잠재적인 진단 및 감별 진단 바이오마커가 될 수 있습니다.
본태성 떨림(Essential tremor, ET)은 주로 상지 떨림을 특징으로 하는 진행성 만성 신경퇴행성 질환으로, 머리, 성대, 하지 등 다른 신체 부위에도 떨림이 나타날 수 있습니다.¹ 본태성 떨림의 임상적 특징은 운동 증상뿐만 아니라 위장 질환을 포함한 비운동 증상도 나타냅니다.² 본태성 떨림의 병리학적 및 생리학적 특성을 조사하기 위해 수많은 연구가 수행되었지만, 명확한 병태생리학적 기전은 아직 밝혀지지 않았습니다.^3,4 최근 연구에서는 장내 미생물-뇌 축의 기능 장애가 신경퇴행성 질환에 기여할 수 있다는 가능성이 제기되고 있으며, 장내 미생물과 신경퇴행성 질환 간의 양방향 연관성에 대한 증거가 증가하고 있습니다.^5,6 특히, 한 증례 보고에서는 대변 미생물 이식이 본태성 떨림과 과민성 대장 증후군을 모두 개선시킨 사례가 보고되었는데, 이는 장내 미생물과 본태성 떨림 사이의 밀접한 관계를 시사합니다. 또한, 우리는 ET 환자의 장내 미생물총에 특정한 변화가 있음을 발견했으며, 이는 장내 미생물 불균형이 ET8에 중요한 역할을 한다는 것을 강력하게 뒷받침합니다.
신경퇴행성 질환에서 장내 미생물 불균형에 관해 가장 광범위하게 연구된 질환은 파킨슨병(PD)입니다.5 불균형한 장내 미생물은 장 투과성을 증가시키고 장 신경교세포를 활성화시켜 알파-시누클레인병증을 유발할 수 있습니다.9,10,11 PD와 본태성 떨림(ET)은 떨림의 빈도, 안정시 떨림(PD의 전형적인 떨림), 자세 떨림(주로 ET 환자에게서 나타남) 등 여러 특징이 겹치기 때문에 초기 단계에서는 감별이 어렵습니다.12 따라서 ET와 PD를 구별할 수 있는 유용한 방법을 찾는 것이 시급합니다. 이러한 맥락에서 ET에서 나타나는 특정한 장내 미생물 불균형과 관련 대사물질 변화를 연구하고 PD와의 차이점을 규명하는 것은 ET의 진단 및 감별 진단을 위한 잠재적인 바이오마커가 될 수 있습니다.
단쇄지방산(SCFA)은 식이섬유의 장내 세균 발효에 의해 생성되는 주요 대사산물이며, 장-뇌 상호작용에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.13,14 SCFA는 대장 세포에 흡수되어 문맥계를 통해 간으로 운반되며, 일부는 전신 순환계로 들어갑니다. SCFA는 장 점막의 장벽 기능을 유지하고 선천 면역을 촉진하는 국소적인 효과를 나타냅니다.15 또한, SCFA는 혈뇌장벽(BBB)에 장기적인 영향을 미치는데, 이는 밀착연접 단백질을 자극하고 G 단백질 결합 수용체(GPCR)를 자극하여 신경세포가 BBB를 통과하도록 활성화시키는 기전을 통해 이루어집니다.16 아세트산, 프로피온산, 부티르산은 대장에서 가장 풍부한 SCFA입니다. 이전 연구에서는 파킨슨병 환자의 대변에서 아세트산, 프로피온산, 부티르산 수치가 감소한 것으로 나타났습니다.17 그러나 본태성 떨림(ET) 환자의 대변 SCFA 수치에 대한 연구는 아직 이루어지지 않았습니다.
따라서 본 연구는 본태성 떨림(ET) 환자의 대변 단쇄지방산(SCFA) 변화 양상과 파킨슨병(PD) 환자와의 차이점을 규명하고, 대변 SCFA와 임상 증상 및 장내 미생물총과의 관계를 평가하며, 대변 검체의 잠재적인 진단 및 감별 진단 가능성을 확인하는 것을 목표로 하였다. 항파킨슨병 약물과 관련된 교란 요인을 배제하기 위해, 새로 발병한 파킨슨병 환자를 대조군으로 선정하였다.
37명의 ET 환자, 37명의 PD 환자, 그리고 35명의 HC 환자의 인구통계학적 및 임상적 특성은 표 1에 요약되어 있다. ET, PD, HC 그룹은 연령, 성별, BMI를 기준으로 매칭되었다. 세 그룹은 흡연, 음주, 커피 및 차 섭취 비율 또한 유사했다. PD 그룹의 Wexner 점수(P = 0.004)와 HAMD-17 점수(P = 0.001)는 HC 그룹보다 유의하게 높았고, ET 그룹의 HAMA 점수(P = 0.011)와 HAMD-17 점수(P = 0.011)는 HC 그룹보다 유의하게 높았다. ET 그룹의 질병 경과는 PD 그룹보다 유의하게 길었다(P<0.001).
대변 ​​내 프로피온산(P = 0.023), 아세트산(P = 0.039), 부티르산(P = 0.020), 이소발레르산(P = 0.045), 이소부티르산(P = 0.015) 수치에서 유의미한 차이가 있었습니다. 사후 분석 결과, ET 그룹의 프로피온산(P = 0.023), 부티르산(P = 0.007), 이소부티르산(P = 0.040) 수치는 HC 그룹보다 유의하게 낮았습니다. 또한, ET 환자는 PD 환자에 비해 이소발레르산(P = 0.014)과 이소부티르산(P = 0.005) 수치가 낮았습니다. 또한, PD 환자의 대변 내 프로피온산(P = 0.013), 아세트산(P = 0.016) 및 부티르산(P = 0.041) 수치는 CC 환자보다 낮았습니다(그림 1 및 부록 표 1).
ag는 프로피온산, 아세트산, 부티르산, 이소발레르산, 발레르산, 카프로산 및 이소부티르산의 그룹 비교를 나타냅니다. 세 그룹 간의 대변 프로피온산, 아세트산, 부티르산, 이소발레르산 및 이소부티르산 수치에는 유의미한 차이가 있었습니다. ET는 본태성 떨림, 파킨슨병, HC는 건강한 대조군, SCFA는 단쇄지방산(SCFA)을 의미합니다. 유의미한 차이는 *P < 0.05 및 **P < 0.01로 표시됩니다.
ET군과 PD군 간의 질병 경과 차이를 고려하여, 추가 비교를 위해 초기 PD 환자 33명과 ET 환자 16명(질병 경과 ≤3년)을 대상으로 검사를 시행하였다(보충표 2). 결과, ET군의 대변 프로피온산 함량이 HA군보다 유의하게 낮았다(P=0.015). 부티르산과 이소부티르산의 경우 ET군과 HC군 간의 차이는 유의하지 않았지만, 경향성은 관찰되었다(P=0.082). 대변 이소부티르산 수치는 ET군에서 PD군보다 유의하게 낮았다(P=0.030). 이소발레르산의 경우 ET군과 PD군 간의 차이는 유의하지 않았지만, 경향성은 관찰되었다(P=0.084). 프로피온산(P=0.023), 아세트산(P=0.020), 부티르산(P=0.044)은 PD군에서 HC군보다 유의하게 낮았다. 이러한 결과(보충 그림 1)는 전반적인 주요 결과와 일치합니다. 전체 표본과 초기 환자 하위 그룹 간의 결과 차이는 하위 그룹의 표본 크기가 작아 데이터의 통계적 검정력이 낮아졌기 때문일 수 있습니다.
다음으로, 대변 SCFA 수치가 ET 환자와 CU 또는 PD 환자를 구별할 수 있는지 조사했습니다. ROC 분석 결과, 프로피온산 수치의 AUC 차이는 0.668(95% CI: 0.538-0.797)로, ET 환자와 건강 대조군(HC)을 구별할 수 있었습니다. 부티르산 수치는 AUC 0.685(95% CI: 0.556-0.814)로 ET 환자와 GC 환자를 구별할 수 있었습니다. 이소부티르산 수치의 차이는 AUC 0.655(95% CI: 0.525-0.786)로 ET 환자와 HC를 구별할 수 있었습니다. 프로피온산, 부티르산 및 이소부티르산 수치를 결합했을 때, 0.751(95% CI: 0.634–0.867)의 더 높은 AUC 값이 얻어졌으며, 민감도는 74.3%, 특이도는 72.9%였습니다(그림 2a). 본태성 떨림(ET) 환자와 파킨슨병(PD) 환자를 구분하기 위해, 이소발레르산 수치의 AUC는 0.700(95% CI: 0.579–0.822)이었고, 이소부티르산 수치의 AUC는 0.718(95% CI: 0.599–0.836)이었습니다. 이소발레르산과 이소부티르산 수치를 결합했을 때, 0.743(95% CI: 0.629–0.857)의 더 높은 AUC 값, 민감도 74.3%, 특이도 62.9%를 나타냈습니다(그림 2b). 또한, 파킨슨병 환자의 대변에서 단쇄지방산(SCFA) 수치가 대조군과 차이가 있는지 조사했습니다. ROC 분석 결과, 프로피온산 수치 차이를 기반으로 파킨슨병 환자를 식별하는 AUC는 0.687(95% CI: 0.559-0.814)이었으며, 민감도는 68.6%, 특이도는 68.7%였습니다. 아세트산 수치 차이는 AUC 0.674(95% CI: 0.542-0.805)로 파킨슨병 환자와 건강 대조군을 구분할 수 있었습니다. 부티르산 수치는 AUC 0.651(95% CI: 0.515-0.787)로 파킨슨병 환자와 정상 대조군을 구분하는 데에만 사용될 수 있었습니다. 프로피온산, 아세트산, 부티르산 수치를 모두 조합했을 때 AUC는 0.682(95% CI: 0.553-0.811)였습니다(그림 2c).
a) 러시아 정교회의 본태성 떨림(ET) 및 건강한 대조군(HC)에 대한 차별; b) 러시아 정교회의 본태성 떨림(ET) 및 파킨슨병(PD)에 대한 차별; c) 러시아 정교회의 파킨슨병(PD) 및 건강한 대조군(HC)에 대한 차별. ET: 본태성 떨림, 파킨슨병, HC: 건강한 대조군(HC), SCFA.
ET 환자에서 대변 이소부티르산 수치는 FTM 점수와 음의 상관관계(r = -0.349, P = 0.034)를 보였고, 대변 이소발레르산 수치는 FTM 점수(r = -0.421, P = 0.001) 및 TETRAS 점수(r = -0.382, P = 0.020)와 음의 상관관계를 보였다. ET 및 PD 환자에서 대변 프로피온산 수치는 SCOPA-AUT 점수와 음의 상관관계(r = -0.236, P = 0.043)를 보였다(그림 3 및 부록 표 3). ET군(P ≥ 0.161)과 PD군(P ≥ 0.246) 모두에서 질병 경과와 단쇄지방산(SCFA) 사이에는 유의미한 상관관계가 없었다(부록 표 4). 파킨슨병 환자에서 대변 카프로산 수치는 MDS-UPDRS 점수와 양의 상관관계(r = 0.335, P = 0.042)를 보였다. 모든 참가자를 대상으로 분석한 결과, 대변 프로피온산(r = −0.230, P = 0.016)과 아세트산(r = −0.210, P = 0.029) 수치는 Wexner 점수와 음의 상관관계를 보였다(그림 3 및 부록 표 3).
대변 ​​이소부티르산 수치는 FTM 점수와 음의 상관관계를 보였고, 이소발레르산은 FTM 및 TETRAS 점수와 음의 상관관계를, 프로피온산은 SCOPA-AUT 점수와 음의 상관관계를, 카프로산은 MDS-UPDRS 점수와 양의 상관관계를 보였으며, 프로피온산은 FTM 및 TETRAS 점수와 음의 상관관계를 보였다. TETRAS와 아세트산은 Wexner 점수와 음의 상관관계를 보였다. MDS-UPDRS는 통합 파킨슨병 평가 척도(Association sponsored version of the Unified Parkinson's Disease Rating Scale), MMSE는 미니 정신상태 검사(Mini-Mental State Examination), HAMD-17은 17개 항목으로 구성된 해밀턴 우울증 평가 척도(Hamilton Depression Rating Scale), HAMA는 해밀턴 불안 평가 척도(Hamilton Anxiety Rating Scale), HY는 Hoehn and Yahr 병기, SCFA는 파킨슨병 자율신경계 증상 결과 척도(SCOPA-AUT Parkinson's Disease Autonomic Symptom Outcome Scale), FTM은 Fana-Tolosa-Marin 임상 떨림 평가 척도(Fana-Tolosa-Marin Clinical Tremor Rating Scale), TETRAS 연구 그룹(TRG) 본태성 떨림 평가 척도(Essential Tremor Rating Scale)를 나타낸다. 통계적으로 유의미한 차이는 *P < 0.05 및 **P < 0.01로 표시됩니다.
LEfSE 분석을 사용하여 장내 미생물의 판별력을 추가적으로 탐구하고, 속 수준의 상대적 풍부도 데이터를 추가 분석에 사용했습니다. ET군과 HC군, 그리고 ET군과 PD군 간의 비교를 수행했습니다. 이후 두 비교군에서 장내 미생물의 상대적 풍부도와 대변 내 단쇄지방산(SCFA) 수치 간의 스피어만 상관 분석을 실시했습니다.
Faecalibacterium(부티르산과 상관관계, r = 0.408, P < 0.001), Lactobacillus(부티르산과 상관관계, r = 0.283, P = 0.016), Streptobacterium(프로피온산과 상관관계, r = 0.327)이 ET 및 CA 분석에서 검출되었습니다. (P = 0.005; 부티르산과 상관관계, r = 0.374, P = 0.001) ET에서 Faecalibacterium(이소부티르산과 상관관계, r = 0.329, P = 0.005), Howardella(프로피온산과 상관관계, r = 0.242, P = 0.041), Raoultella(프로피온산과 상관관계, r = 0.249, P = 0.035), Candidatus Arthromitus(이소부티르산과 상관관계, r = 0.302, P = 0.010)의 개체 수가 감소하고 분변 SCFA 수치와 양의 상관관계를 보였다. 반면, Stenotropomonas의 개체 수는 ET에서 증가하고 분변 이소부티르산 수치와 음의 상관관계(r = -0.250, P = 0.034)를 나타냈다. FDR 보정 후, Faecalibacterium, Catenibacter와 SCFA 간의 상관관계만 유의미하게 나타났다(P ≤ 0.045) (그림 4 및 부록 표 5).
ET와 HC의 상관관계 분석. FDR 보정 후, Faecalibacterium(부티르산과 양의 상관관계)과 Streptobacterium(프로피온산, 부티르산, 이소부티르산과 양의 상관관계)의 풍부도가 ET에서 감소했으며, 대변 SCFA 수치와 양의 상관관계를 보였다. b ET와 PD의 상관관계 분석. FDR 보정 후, 유의미한 상관관계는 발견되지 않았다. ET: 본태성 떨림, PD: 파킨슨병, HC: 건강한 대조군, SCFA. 유의미한 차이는 *P < 0.05 및 **P < 0.01로 표시하였다.
ET와 PD를 분석했을 때, Clostridium trichophyton은 ET에서 증가했으며 대변 이소발레르산(r = -0.238, P = 0.041) 및 이소부티르산(r = -0.257, P = 0.027)과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. FDR 보정 후에도 두 변수 모두 유의미한 상관관계를 보였습니다(P≥0.295) (그림 4 및 부록 표 5).
본 연구는 ET 환자에서 대변 단쇄지방산(SCFA) 수치를 측정하고, 장내 미생물총 변화 및 증상 중증도와의 상관관계를 만성 염증성 질환(CU) 및 파킨슨병(PD) 환자와 비교 분석한 종합적인 연구입니다. 연구 결과, ET 환자에서 대변 SCFA 수치가 감소했으며, 이는 임상적 중증도 및 특정 장내 미생물총 변화와 연관이 있는 것으로 나타났습니다. 대변 내 누적 SCFA 수치는 ET를 만성 염증성 질환(GC) 및 파킨슨병과 구분하는 중요한 지표입니다.
GC 환자와 비교했을 때, ET 환자는 대변에서 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산 수치가 더 낮았습니다. 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산의 조합은 AUC 0.751(95% CI: 0.634–0.867), 민감도 74.3%, 특이도 72.9%로 ET와 HC를 구별할 수 있었으며, 이는 이들이 ET 진단 바이오마커로서 잠재적 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 추가 분석 결과, 대변 프로피온산 수치는 Wexner 점수 및 SCOPA-AUT 점수와 음의 상관관계를 보였습니다. 대변 이소부티르산 수치는 FTM 점수와 역상관관계를 나타냈습니다. 한편, ET에서 부티르산 수치의 감소는 SCFA 생성 미생물, Faecalibacterium 및 Categorybacter의 풍부도 감소와 관련이 있었습니다. 또한, ET에서 Catenibacter의 풍부도가 감소함에 따라 대변 내 프로피온산 및 이소부티르산 수치도 감소하는 것으로 나타났습니다.
대장에서 생성된 대부분의 단쇄지방산(SCFA)은 주로 H+-의존성 또는 나트륨-의존성 모노카르복실레이트 수송체를 통해 대장 세포로 흡수됩니다. 흡수된 단쇄지방산은 대장 세포의 에너지원으로 사용되는 반면, 대장 세포에서 대사되지 않은 단쇄지방산은 문맥 순환으로 운반됩니다.¹⁸ SCFA는 장 운동성을 조절하고, 장벽 기능을 강화하며, 숙주 대사와 면역에 영향을 미칠 수 있습니다.¹⁹ 이전 연구에서는 파킨슨병 환자의 대변에서 부티르산, 아세트산, 프로피온산 농도가 건강한 대조군(HC)에 비해 감소한 것으로 나타났으며,¹⁷ 이는 본 연구 결과와 일치합니다. 본 연구에서는 본태성 혈소판증가증(ET) 환자에서 SCFA가 감소한 것을 확인했지만, ET 병리에서 SCFA의 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 부티르산과 프로피온산은 GPCR에 결합하여 MAPK 및 NF-κB²⁰ 신호전달과 같은 GPCR 의존성 신호전달에 영향을 미칠 수 있습니다. 장-뇌 축의 기본 개념은 장내 미생물이 분비하는 단쇄지방산(SCFA)이 숙주 신호 전달에 영향을 미쳐 장과 뇌 기능에 영향을 미친다는 것입니다. 부티르산과 프로피온산은 히스톤 탈아세틸화효소(HDAC) 활성을 강력하게 억제하는 효과가 있으며, 부티르산은 전사 인자의 리간드로도 작용할 수 있기 때문에, 주로 유전자 조절에 영향을 미쳐 숙주의 대사, 분화 및 증식에 광범위한 영향을 미칩니다.21,22 SCFA와 신경퇴행성 질환에 대한 연구 결과를 바탕으로, 부티르산은 손상된 HDAC 활성을 교정하여 파킨슨병(PD)에서 도파민성 신경세포 사멸을 유발할 수 있다는 점에서 치료 후보 물질로 여겨집니다.23,24,25 동물 연구에서도 부티르산이 도파민성 신경세포 퇴화를 예방하고 파킨슨병 모델에서 운동 장애를 개선하는 효과가 있는 것으로 나타났습니다.26,27 프로피온산은 염증 반응을 억제하고 혈뇌장벽(BBB)의 완전성을 보호하는 것으로 밝혀졌습니다.28,29 연구에 따르면 프로피온산은 파킨슨병 모델에서 로테논 독성에 대한 반응으로 도파민성 신경세포의 생존을 촉진하고30, 프로피온산을 경구 투여하면 파킨슨병이 있는 쥐에서 도파민성 신경세포 손실과 운동 기능 장애를 회복시키는 것으로 나타났습니다31. 이소부티르산의 기능에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그러나 최근 연구에서 B. ovale을 쥐에 접종하면 장내 단쇄지방산(SCFA) 함량(아세트산, 프로피온산, 이소부티르산, 이소발레르산 포함)과 장내 GABA 농도가 증가하는 것으로 나타나 장내 미생물과 장내 SCFA 및 신경전달물질 농도 사이의 연관성이 확인되었습니다32. 본태성 떨림(ET)의 경우, 소뇌의 비정상적인 병리학적 변화에는 푸르킨예 세포 축삭과 수상돌기의 변화, 푸르킨예 세포의 변위 및 소실, 바스켓 세포 축삭의 변화, 그리고 푸르킨예 세포로 향하는 상행 섬유 연결의 이상이 포함됩니다. 핵에 영향을 미쳐 소뇌의 GABAergic 출력이 감소합니다.3,4,33 SCFA가 푸르킨예 세포 신경퇴행 및 소뇌 GABA 생성 감소와 관련이 있는지는 아직 불분명합니다. 본 연구 결과는 SCFA와 본태성 떨림(ET) 사이에 밀접한 관계가 있음을 시사하지만, 횡단 연구 설계로는 SCFA와 ET 질병 과정 사이의 인과 관계에 대한 결론을 내릴 수 없습니다. 향후 대변 SCFA의 연속 측정 및 기전을 조사하는 동물 연구를 포함한 종단적 추적 연구가 필요합니다.
단쇄지방산(SCFA)은 결장 평활근 수축을 자극하는 것으로 알려져 있습니다.34 SCFA 부족은 변비 증상을 악화시키고, SCFA 보충은 변비 증상을 개선할 수 있습니다.35 본 연구 결과 또한 본태성 떨림(ET) 환자에서 대변 SCFA 함량 감소와 변비 및 자율신경 기능 장애 증가 사이에 유의미한 연관성이 있음을 보여줍니다. 한 사례 보고에서는 장내 미생물 이식이 환자 7에서 본태성 떨림과 과민성 대장 증후군을 모두 개선시킨 것으로 나타나, 장내 미생물과 본태성 떨림 사이의 밀접한 관계를 시사합니다. 따라서 대변 SCFA/장내 미생물이 숙주의 장 운동성과 자율신경계 기능에 영향을 미칠 수 있다고 생각합니다.
본 연구에서는 ET 그룹에서 분변 SCFA 수치가 감소함에 따라 Faecalibacterium(부티르산 생성 관련)과 Streptobacterium(프로피온산, 부티르산, 이소부티르산 생성 관련)의 풍부도가 감소하는 것으로 나타났습니다. FDR 보정 후에도 이러한 관계는 유의미하게 유지되었습니다. Faecalibacterium과 Streptobacterium은 SCFA를 생성하는 미생물입니다. Faecalibacterium은 부티르산을 생성하는 미생물로 알려져 있으며36, Catenibacter 발효의 주요 산물은 아세트산, 부티르산, 젖산입니다37. Faecalibacterium은 ET 그룹과 HC 그룹 모두에서 100% 검출되었으며, ET 그룹의 중간 상대 풍부도는 2.06%, HC 그룹은 3.28%였습니다(LDA 3.870). 해당 세균은 HC 그룹의 21.6%(8/37)에서 검출되었고, ET 그룹에서는 단 1개 샘플(1/35)에서만 검출되었습니다. ET에서 연쇄상구균이 감소하거나 검출되지 않은 것은 질병의 병원성과 관련이 있을 수 있습니다. HC 그룹에서 Catenibacter 종의 중앙값 상대 풍부도는 0.07%(LDA 2.129)였습니다. 또한, 젖산균은 대변 부티르산 변화와 관련이 있었고(P=0.016, FDR 보정 후 P=0.096), 관절염 후보자는 이소부티르산 변화와 관련이 있었습니다(P=0.016, FDR 보정 후 P=0.072). FDR 보정 후에는 상관관계 경향만 남았지만 통계적으로 유의미하지는 않았습니다. 락토바실러스는 SCFA(아세트산, 프로피온산, 이소부티르산, 부티르산) 생성균으로도 알려져 있으며, Candidatus Arthromitus는 T helper 17(Th17) 세포 분화의 특이적 유도균으로, Th1/2 및 Tregs는 면역 균형/Th17과 관련이 있습니다.38,9 최근 연구에 따르면 대변 가성관절염 수치 증가는 결장 염증, 장벽 기능 장애 및 전신 염증에 기여할 수 있다고 합니다.40 Clostridium trichophyton은 PD에 비해 ET에서 증가했습니다. Clostridium trichoides의 풍부도는 이소발레르산 및 이소부티르산과 음의 상관관계를 보였습니다. FDR 보정 후에도 두 상관관계는 유의미하게 유지되었습니다(P≥0.295). Clostridium pilosum은 염증과 관련이 있는 것으로 알려진 세균이며 장벽 기능 장애에 기여할 수 있습니다.41 저희 이전 연구에서는 ET 환자의 장내 미생물총 변화를 보고했습니다.8 본 연구에서는 본태성 떨림(ET) 환자의 단쇄지방산(SCFA) 변화를 보고하고, 장내 미생물 불균형과 SCFA 변화 사이의 연관성을 확인했습니다. SCFA 수치 감소는 장내 미생물 불균형 및 ET 환자의 떨림 증상 심각도와 밀접한 관련이 있습니다. 이러한 결과는 장-뇌 축이 ET 발병기전에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사하지만, 동물 모델을 이용한 추가 연구가 필요합니다.
파킨슨병(PD) 환자와 비교했을 때, 본태성 혈소판증(ET) 환자는 대변에서 이소발레르산과 이소부티르산 수치가 더 낮았습니다. 이소발레르산과 이소부티르산의 조합은 AUC 0.743(95% CI: 0.629–0.857), 민감도 74.3%, 특이도 62.9%로 파킨슨병 환자에서 본태성 혈소판증을 식별하는 데 유용했으며, 이는 이소발레르산과 본태성 혈소판증의 감별 진단에서 잠재적인 바이오마커로서의 가능성을 시사합니다. 대변 이소발레르산 수치는 FTM 및 TETRAS 점수와 역상관 관계를 보였습니다. 대변 이소부티르산 수치 또한 FTM 점수와 역상관 관계를 나타냈습니다. 이소부티르산 수치의 감소는 장내 세균의 풍부도 감소와 관련이 있었습니다. 이소발레르산과 이소부티르산의 기능에 대해서는 아직 알려진 바가 거의 없습니다. 이전 연구에서는 Bacteroides ovale로 쥐를 장내 미생물총화했을 때 장내 단쇄지방산(SCFA, 아세트산, 프로피온산, 이소부티르산, 이소발레르산 포함) 함량과 장내 GABA 농도가 증가하는 것으로 나타나, 장내 미생물총과 SCFA/신경전달물질 농도 간의 연관성을 강조했습니다.32 흥미롭게도, 관찰된 이소부티르산 수치는 파킨슨병(PD) 그룹과 건강 대조군(HC) 그룹 간에는 유사했지만, 본태성 떨림(ET) 그룹과 PD(또는 HC) 그룹 간에는 차이가 있었습니다. 이소부티르산은 AUC 0.718(95% CI: 0.599–0.836)로 ET와 PD를 구분할 수 있었고, AUC 0.655(95% CI: 0.525–0.786)로 ET와 정상 대조군(NC)을 구분할 수 있었습니다. 또한, 이소부티르산 수치는 떨림의 심각도와 상관관계가 있어 본태성 떨림과의 연관성을 더욱 강화합니다. 경구용 이소부티르산이 본태성 떨림 환자의 떨림 증상을 완화할 수 있는지 여부는 추가 연구가 필요합니다.
따라서, ET 환자에서 대변 단쇄지방산(SCFA) 함량이 감소하며, 이는 ET의 임상적 중증도 및 장내 미생물총의 특정 변화와 관련이 있습니다. 대변 프로피온산, 부티르산, 이소부티르산은 ET의 진단 바이오마커가 될 수 있으며, 이소부티르산과 이소발레르산은 ET의 감별 진단 바이오마커가 될 수 있습니다. 대변 이소부티르산의 변화는 다른 SCFA의 변화보다 ET에 대한 특이성이 더 높을 수 있습니다.
본 연구에는 몇 가지 한계점이 있습니다. 첫째, 식습관과 음식 선호도가 장내 미생물 발현에 영향을 미칠 수 있으므로, 다양한 인구 집단을 대상으로 한 더 큰 규모의 연구가 필요하며, 향후 연구에서는 식품 섭취 빈도 설문지와 같은 포괄적이고 체계적인 식이 조사를 도입해야 합니다. 둘째, 횡단 연구 설계로 인해 단쇄지방산(SCFA)과 본태성 혈소판증(ET) 발병 간의 인과관계를 결론짓는 데 한계가 있습니다. 향후 대변 SCFA를 연속적으로 측정하는 장기 추적 연구가 필요합니다. 셋째, 대변 SCFA 수치의 진단 및 감별 진단 능력은 ET, 건강 대조군(HC), 파킨슨병(PD) 환자로부터 얻은 독립적인 샘플을 사용하여 검증해야 합니다. 향후 더 많은 독립적인 대변 샘플을 대상으로 연구를 진행해야 합니다. 마지막으로, 본 연구 코호트에서 PD 환자는 ET 환자보다 질병 지속 기간이 유의하게 짧았습니다. 본 연구에서는 주로 연령, 성별, 체질량 지수(BMI)를 기준으로 ET, PD, HC 그룹을 매칭했습니다. ET 그룹과 PD 그룹 간의 질병 경과 차이를 고려하여, 추가 비교를 위해 초기 PD 환자 33명과 ET 환자 16명(질병 지속 기간 ≤3년)을 대상으로 연구를 진행했습니다. SCFA의 그룹 간 차이는 일반적으로 우리의 주요 데이터와 일치했습니다. 또한, 질병 지속 기간과 SCFA 변화 사이에는 상관관계가 없는 것으로 나타났습니다. 그러나 향후 더 큰 규모의 표본에서 검증을 완료하기 위해서는 질병 지속 기간이 더 짧은 초기 단계의 파킨슨병 및 본태성 떨림 환자를 모집하는 것이 바람직할 것입니다.
본 연구 프로토콜은 상하이 자오퉁대학교 의과대학 부속 루이진병원 윤리위원회(RHEC2018-243)의 승인을 받았으며, 모든 참가자로부터 서면 동의를 받았습니다.
2019년 1월부터 2022년 12월까지 상하이 자오퉁대학교 의과대학 부속 루이진병원 운동장애센터에서 109명(본태성 떨림 증후군 환자 37명, 파킨슨병 환자 37명, 건강한 대조군 35명)을 본 연구에 포함시켰다. 연구 대상 선정 기준은 다음과 같다. (1) 연령 25~85세, (2) 본태성 떨림은 MDS 워킹 그룹 기준 42에 따라, 파킨슨병은 MDS 기준 43에 따라 진단, (3) 모든 환자는 검체 채취 전 항파킨슨병 약물을 복용하지 않음, (4) 본태성 떨림 환자는 검체 채취 전 베타 차단제만 복용하거나 관련 약물을 복용하지 않음. 건강한 대조군은 연령, 성별, 체질량지수(BMI)가 일치하는 환자군으로 선정하였다. 제외 기준은 다음과 같습니다. (1) 채식주의자, (2) 영양 불량, (3) 만성 위장관 질환(염증성 장 질환, 위궤양 또는 십이지장궤양 포함), (4) 중증 만성 질환(악성 종양, 심부전, 신부전, 혈액 질환 포함), (5) 주요 위장관 수술 병력, (6) 만성 또는 규칙적인 요구르트 섭취, (7) 1개월 동안 프로바이오틱스 또는 항생제 사용, (8) 코르티코스테로이드, 프로톤 펌프 억제제, 스타틴, 메트포르민, 면역억제제 또는 항암제의 만성 사용, (9) 임상 시험을 방해하는 중증 인지 장애.
모든 피험자는 BMI 계산을 위해 병력, 체중 및 키 정보를 제공했으며, 신경학적 검사와 임상 평가를 받았습니다. 임상 평가에는 해밀턴 불안 척도(HAMA) 44 불안 점수, 해밀턴 우울증 척도-17(HAMD-17) 45 우울증 점수, 웩스너 변비 척도 46 및 브리스톨 대변 척도 47을 사용한 변비의 심각도, 미니 정신 상태 검사(MMSE) 48을 사용한 인지 기능이 포함되었습니다. 파킨슨병 자율신경 증상 평가 척도(SCOPA-AUT) 49는 본태성 떨림(ET) 및 파킨슨병(PD) 환자의 자율신경 기능 장애를 조사했습니다. 팬-톨로스-마린 임상 떨림 평가 척도(FTM)와 본태성 떨림 평가 척도(TETRAS) 50, 떨림 연구 그룹(TRG) 50은 본태성 떨림(ET) 환자를 대상으로 검사했습니다. 미국 파킨슨병 협회에서 후원하는 킨슨병 평가 척도(MDS-UPDRS) 버전 51과 Hoehn and Yahr(HY) 등급 52를 조사했습니다.
각 참가자에게 아침에 대변 수집 용기를 사용하여 대변 샘플을 채취하도록 요청했습니다. 채취한 용기는 얼음에 옮겨 담아 -80°C에서 보관한 후 분석했습니다. 단쇄지방산(SCFA) 분석은 Tiangene Biotechnology (Shanghai) Co., Ltd.의 통상적인 절차에 따라 수행했습니다. 각 대상자로부터 신선한 대변 샘플 400mg을 채취하여 분쇄 및 초음파 전처리 후 SCFA 분석을 실시했습니다. 대변 내 특정 SCFA는 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)과 액체 크로마토그래피-탠덤 질량 분석법(LC-MS/MS)을 이용하여 분석했습니다.
제조사의 지침에 따라 QIAamp® Fast DNA Stool Mini Kit(QIAGEN, Hilden, Germany)를 사용하여 200mg 샘플에서 DNA를 추출했습니다. 미생물 구성은 대변에서 분리한 DNA의 16S rRNA 유전자를 V3-V4 영역을 증폭하여 시퀀싱함으로써 결정했습니다. DNA는 1.2% 아가로스 겔에서 전기영동하여 검사했습니다. 16S rRNA 유전자의 중합효소 연쇄 반응(PCR) 증폭은 범용 세균 프라이머(357F 및 806R)와 Novaseq 플랫폼에서 구축된 2단계 증폭 산물 라이브러리를 사용하여 수행했습니다.
연속 변수는 평균 ± 표준편차로, 범주형 변수는 빈도와 백분율로 나타냈습니다. 분산의 동질성 검정에는 Levene 검정을 사용했습니다. 변수들이 정규 분포를 따르는 경우 양측 t 검정 또는 분산 분석(ANOVA)을 사용했고, 정규성 또는 등분산성 가정이 위배되는 경우에는 비모수적 Mann-Whitney U 검정을 사용했습니다. 모델의 진단 성능을 정량화하고 SCFA가 ET 환자와 HC 또는 PD 환자를 구별하는 능력을 평가하기 위해 수신자 작동 특성(ROC) 곡선 아래 면적(AUC)을 사용했습니다. SCFA와 임상적 중증도 간의 관계를 분석하기 위해 Spearman 상관 분석을 사용했습니다. 통계 분석은 SPSS 소프트웨어(버전 22.0; SPSS Inc., Chicago, IL)를 사용하여 수행했으며, 유의 수준(P값 및 FDR-P 포함)은 0.05(양측 검정)로 설정했습니다.
16S rRNA 서열은 Trimmomatic(버전 0.35), Flash(버전 1.2.11), UPARSE(버전 v8.1.1756), mothur(버전 1.33.3) 및 R(버전 3.6.3) 소프트웨어를 조합하여 분석했습니다. 원시 16S rRNA 유전자 데이터는 UPARSE를 사용하여 97% 상동성을 갖는 작동 분류 단위(OTU)를 생성하도록 처리했습니다. 분류 체계는 Silva 128 데이터베이스를 참조하여 설정했습니다. 상대적 풍부도 데이터의 속(genus) 수준을 추가 분석에 사용했습니다. 선형 판별 분석(LDA) 효과 크기 분석(LEfSE)을 사용하여 그룹 간 비교(ET 대 HC, ET 대 PD)를 수행했으며, 유의 수준 α는 0.05, 효과 크기 임계값은 2.0으로 설정했습니다. LEfSE 분석에서 식별된 판별 속은 SCFA의 스피어만 상관 분석에 추가로 사용했습니다.
연구 설계에 대한 자세한 내용은 이 논문과 관련된 자연 연구 보고서 초록을 참조하십시오.
원시 16S 염기서열 데이터는 미국 국립생명공학정보센터(NCBI) 바이오프로젝트 데이터베이스(SRP438900: PRJNA974928)에 저장되어 있으며, URL은 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Traces/study/?acc=SRP438900&o.=acc_s%3Aa입니다. 과학적 협력 및 학술 교류와 같은 전체 연구 프로젝트를 포함한 기타 관련 데이터는 합리적인 요청 시 해당 저자에게 제공됩니다. 당사의 동의 없이 제3자에게 데이터를 전송하는 것은 허용되지 않습니다.
Trimmomatic(버전 0.35), Flash(버전 1.2.11), UPARSE(버전 v8.1.1756), mothur(버전 1.33.3) 및 R(버전 3.6.3)을 기본 설정 또는 "방법" 섹션을 사용하여 조합한 오픈 소스 코드만 사용할 수 있습니다. 합리적인 요청이 있을 경우, 해당 저자에게 추가 정보를 제공해 드릴 수 있습니다.
Pradeep S 및 Mehanna R. 과운동성 운동 장애 및 운동실조증의 위장 장애. 파킨슨병과 관련됨. 혼란. 90, 125–133 (2021).
Louis, ED 및 Faust, PL 본태성 떨림의 병리: 신경퇴행 및 신경 연결의 재구성. Nat. Pastor Nirol. 16, 69–83 (2020).
Gironell, A. 본태성 떨림은 GABA 기능 장애의 주요 장애인가? 그렇다. 국제성. Rev. Neuroscience. 163, 259–284 (2022).
Dogra N., Mani RJ 및 Katara DP 장-뇌 축: 파킨슨병의 두 가지 신호 전달 모드. 세포 분자. 신경생물학. 42, 315–332(2022).
Quigley, EMM. 미생물군-뇌-장 축과 신경퇴행성 질환. current. Nellore. Neuroscience. Reports 17, 94 (2017).
Liu, XJ, Wu, LH, Xie, WR 및 He, XX 대변 미생물 이식은 환자의 본태성 떨림과 과민성 대장 증후군을 동시에 개선합니다. 노인 심리학 20, 796–798(2020).
Zhang P. et al. 본태성 떨림의 장내 미생물총의 특정 변화 및 파킨슨병과의 감별. NPJ 파킨슨병. 8, 98 (2022).
Luo S, Zhu H, Zhang J 및 Wang D. 신경-신경교-상피 단위 조절에서 미생물의 중요한 역할. 감염에 대한 저항성. 14, 5613–5628 (2021).
Emin A. et al. 진행성 파킨슨병에서 십이지장 알파-시누클레인 및 장 신경교증의 병리. 이동. 혼란. https://doi.org/10.1002/mds.29358 (2023).
Skorvanek M. et al. 알파-시누클레인 5G4에 대한 항체는 결장 점막에서 명백한 파킨슨병과 전구 파킨슨병을 인식합니다. 이동. 혼란. 33, 1366–1368 (2018).
Algarni M 및 Fasano A. 본태성 떨림과 파킨슨병의 동시 발생. 파킨슨병과 관련됨. 혼란. 46, С101–С104 (2018).
Sampson, TR et al. 장내 미생물은 파킨슨병 모델에서 운동 기능 장애 및 신경 염증을 조절합니다. Cell 167, 1469–1480.e1412 (2016).
Unger, MM et al. 파킨슨병 환자와 연령 일치 대조군 간에 단쇄 지방산과 장내 미생물총이 다릅니다. 파킨슨병과 관련됨. 혼란. 32, 66–72 (2016).
Bleacher E, Levy M, Tatirovsky E 및 Elinav E. 숙주 면역 인터페이스에서 미생물군에 의해 조절되는 대사물질. J. Immunology. 198, 572–580 (2017).