Microbiota dysbiosis and functional outcome in acute ischemic stroke patients

Abstract

뇌졸중은 뇌 혈류의 감소로 인하여 발생하는 질환으로 전세계적으로 심각한 경제적, 사회적 부담의 주요 원인이 되고 있다. 최근 장내 미생물 총과 뇌의 연관성에 대한 연구가 다양한 신경계 질환에서 활발히 시행되고 있으나, 뇌졸중 환자에서 미생물 총의 조성과 뇌졸중 예후의 관련성에 대한 연구는 거의 없다. 이 연구에서는 증례-대조 연구로 뇌졸중 환자와 정상 대조군 간 미생물 총 성분의 차이를 조사하고, 급성 허혈성 뇌졸중 환자에서 기능적 예후에 대한 미생물 총 조성의 연관성을 확인하고자 하였다. 2018 년 1 월부터 2019 년 12 월 사이 급성 뇌경색이 발생하고 증상 발병 후 24 시간 이내에 본원에 내원한 198 명의 환자를 연구에 포함하였다. 뇌 영상, 과거 병력 및 실험실 검사 결과를 모든 연구 대상에서 수집하였다. 뇌졸중의 아형은 the Trial of Org 10172 in Acute Stroke Treatment classification system 기준에 의해 분류되었다. 뇌경색 이후의 기능적 예후는 3 개월 째의 modified Rankin scale (mRS) 점수로 측정하였으며, mRS 점수 3점 이상을 불량한 기능적 예후로 정의하였다. 사례-대조 연구를 위한 대상군은 건강검진을 받는 대상자를 모집하였으며, 뇌경색 환자와 연령, 성별을 맞춘 정상대조군을 수집하였다. 미생물 총의 분석을 위해서 혈액 샘플에서 박테리아 세포 외막 소포 분리 및 DNA 추출을 시행하였다. 이후 16S rRNA 유전자의 서열 판독을 시행하여 각 미생물에 대한 분석 및 할당을 시행하였다. 통계 분석은 Statistical Analysis System software를 사용하여 적절하게 수행하였다. 건강한 대조군과 뇌졸중 환자 사이에는 연령과 성별에 차이가 없었다 (나이: 63.5 ± 12.5 세 vs. 63.7 ± 12.5, p = 0.888; 남성: 58.6 % vs. 58.0 %, p = 0.906). 주요 성분 분석을 시행한 결과 뇌졸중 환자와 대조군 사이에 유의한 미생물 총 조성 차이를 확인하였다. 각 미생물 중에서는Aerococcaceae(f), ZB2(c), TM7-1(c), Flavobacterium 가 뇌경색 환자에서 급격하게 증가하였으며, 반면 Mucispirillum, rc4-4, Akkermansia, Clostridiales(o), Lactobacillus, Stenotrophomonas는 현저하게 감소하였다 (p <0.001). 뇌경색의 아형 중에서는 Lactobacillales(o) (p = 0.016) 와 Haemophilus 가 큰동맥 죽상경화에서 작은동맥폐쇄에 비해 증가하였으며, Pseudomonas (p = 0.009)는 심장색전에서 작은동맥폐쇄에 비해 증가하였다. 뇌경색 이후 기능적 예후에 따른 미생물 비교 결과 Anaerococcus (p = 0.018), Blautia (p = 0.039), Dialister (p = 0.002), Aerococcaceae(f) (p = 0.041), Propionibacterium (p = 0.041), Microbacteriaceae(f) (p = 0.021), Rothia (p = 0.026) 가 예후가 좋은 군에서 증가하였으며, 반면 Ruminococcaceae(f) (p = 0.004), Prevotella (p = 0.046)는 예후가 불량한 군에서 증가하였다. 결론적으로, 급성 허혈성 뇌졸중 환자는 정상 대조군과 비교하였을 때 혈액 미생물 총의 명백한 차이가 확인되었다. 허혈성 뇌졸중의 예후에 대한 분석에서, Ruminococcaceae (f) 및 Prevotella는 기능적 예후가 불량한 군에서 더 증가하였다. 추후 뇌경색 환자에서 미생물 총 변화에 대한 인과 관계 확인 및 미생물 총 변형 실험 등의 추가 연구가 필요하다.;Stroke is one of the global health problems and major cause of economic and social burden worldwide. Recent research on the gut-brain axis has been actively conducted in various neurologic disorders. However, few studies are reported on the composition of microbiota in stroke patients and the association between microbiota and stroke prognosis. This study was aimed to investigate the difference of microbiota composition in patients with stroke in a case-control study, and to confirm the association of microbiota composition for poor functional outcome in acute ischemic stroke. Between January 2018 and December 2019, 198 patients who had first-ever acute cerebral infarction and admitted to our hospital within 24 hours from symptom onset were included in this study. Brain imaging, past medical history and laboratory results were collected in the study subjects. Subtypes of stroke were categorized by the Trial of Org 10172 in Acute Stroke Treatment classification system. Three months modified Rankin scale (mRS) outcome was investigated, and poor functional outcome was considered as mRS score ≥ 3. For the case-control study, the age, sex matched normal healthy subjects (n = 200) were included when receiving the health screening examination. Bacterial extracellular membrane vesicle isolation and extraction of DNA from blood sample were done. Taxonomic assignments were performed by using 16S rRNA genes sequencing following blood microbiota analysis. Statistical analysis was conducted appropriately by using Statistical Analysis System software. There were no differences for age, sex and body mass index between healthy control subjects and stroke patients (for age: 63.5 ± 12.5 vs. 63.7 ± 12.5, p = 0.888; for male sex: 58.6% vs. 58.0%, p = 0.906; for body mass index: 24.1 ± 3.5 vs. 24.1 ± 3.2, p = 0.412). The principal component analysis for microbiota composition showed significant differences between stroke patients and controls. In genus level, Aerococcaceae(f), ZB2(c), TM7-1(c), and Flavobacterium in stroke patients were significantly increased compared to the healthy controls, whereas Mucispirillum, rc4-4, Akkermansia, Clostridiales(o), Lactobacillus, and Stenotrophomonas were significantly decreased (p < 0.001). Among stroke subtypes, Lactobacillales(o) (p = 0.016) and Haemophilus (p = 0.010) were enriched in large artery atherosclerosis, Pseudomonas (p = 0.009) was enriched in cardioembolism compared to small vessel occlusion. For functional outcome after ischemic stroke, Anaerococcus (p = 0.018), Blautia (p = 0.039), Dialister (p = 0.002), Aerococcaceae(f) (p = 0.041), Propionibacterium (p = 0.041), Microbacteriaceae(f) (p = 0.021) and Rothia (p = 0.026) were enriched in good outcome group, whereas Ruminococcaceae(f) (p = 0.004) and Prevotella (p = 0.046) were enriched in poor outcome group. In conclusion, there was apparent dysbiosis of blood microbiota in patient with acute ischemic stroke compared to controls. For functional outcome after ischemic stroke, Ruminococcaceae(f) and Prevotella was enriched in the poor functional outcome group. Further research regarding causal relationship and modification of microbiota is needed.