본서에서는 아킬레스건 손상의 인과 대사산물을 규명하고, 아킬레스건 손상과 인과관계를 가진 19가지 혈장 대사산물을 확인하며, 5,6-디하이드로티민과 하이드록시아스파라진의 치료 적용이 조직 복구 촉진과 염증 감소에 있음을 입증하는 멘델 무작위화 및 실험적 검증 프로토콜을 제시합니다.
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본서에서는 아킬레스건 손상의 인과 대사산물을 규명하고, 아킬레스건 손상과 인과관계를 가진 19가지 혈장 대사산물을 확인하며, 5,6-디하이드로티민과 하이드록시아스파라진의 치료 적용이 조직 복구 촉진과 염증 감소에 있음을 입증하는 멘델 무작위화 및 실험적 검증 프로토콜을 제시합니다.
혈장 대사산물이 아킬레스건 손상(ATI) 진행 및 회복에 미치는 인과적 영향을 조사하기 위해, 두 개의 대규모 데이터셋에서 유전 데이터를 활용한 두 표본 접근법을 이용한 멘델 무작위화(MR)를 적용하였습니다. ATI 데이터는 IEU-OpenGWAS 프로젝트(ebi-a-GCST90018895)에서 가져왔으며, 혈장 대사산물 데이터에는 1,400종의 대사산물이 포함되어 있습니다. 대사산물에 대한 유의미한 도구 변수(IV)를 확인하고, 인과관계를 평가하기 위해 IVW, MR-에거, 가중 중간값, 단순 모드, 가중 모드 등 다섯 가지 MR 방법을 적용하였습니다. 역방향 MR 분석을 통해 ATI가 대사물 수준에 미치는 영향을 조사하였습니다. 5,6-디하이드로티민(Dih)과 하이드록시아스파라진(Hyd)을 투여한 후 7일째에 H&E 염색과 웨스턴 블롯을 사용하여 쥐 아킬레스건 조직에서 조직 수리와 IL-6, TNF-α, VEGFA, TGF-β1의 발현을 평가하였다. MR 분석 결과 ATI와 유의한 인과관계를 가진 19종의 대사산물이 확인되었습니다. 이 중 12종의 대사산물(Dih를 포함) (IVW: OR = 1.197, 95% 신뢰구간: 1.074-1.334; P = 0.001) 및 프레그난디올-3-글루쿠로나이드(IVW: OR = 1.098, 95% 신뢰구간: 1.023-1.177; P = 0.001), ATI 진행과 양의 상관관계가 있었습니다. 반면, Hyd와 같은 7가지 대사산물(IVW: OR = 0.789, 95% 신뢰구간: 0.707-0.880; P < 0.001)는 ATI 회복과 연관되어 있었습니다. 역방향 MR 분석 결과, ATI가 대사물 수치에 유의미한 인과적 영향을 미치는 것은 발견되지 않아 단방향 관계를 시사하였다. X선 및 H&E 분석 결과, Dih와 Hyd 치료가 용량 의존적으로 아킬레스건 치유를 유의미하게 향상시킨 것으로 나타났습니다. 또한 Dih와 Hyd 치료는 IL-6와 TNF-α 발현을 현저히 감소시키는 반면 VEGFA와 TGF-β 수치는 증가하여 염증 감소와 조직 수리 촉진을 << 0.05로 보였습니다. 이 연구는 특정 혈장 대사산물과 ATI 결과 간의 잠재적 인과관계를 규명했습니다. 이러한 발견은 향후 치료 전략에 참고가 될 수 있으며, 대사산물-질병 연관성 탐구에 있어 MR의 유용성을 강조할 수 있습니다.
아킬레스건 손상(ATI)은 특히 운동선수와 신체 활동적인 사람들 사이에서 흔하고 쇠약해지는 근골격계 질환입니다 1,2. 아킬레스건은 인체에서 가장 크고 강한 힘줄로, 걷기, 달리기, 점프(3,4,5,6)와 같은 활동 시 종아리 근육에서 뒤꿈치로 힘을 전달하는 데 중요한 역할을 합니다. 제한된 혈액 공급과 높은 기계적 스트레스로 인해 과사용과 부상에 특히 취약합니다 2,7. ATI는 경미한 건병증부터 완전한 파열까지 다양한 형태로 나타나며, 이는 심한 통증, 이동성 저하, 장기 재활을 유발합니다 8,9. 치료법의 발전에도 불구하고, ATI는 지속적인 통증, 이동성 저하, 회복 시간 연장을 초래하며, 만성 합병증과 재부상 위험증가를 초래합니다. 5, 10, 11, 12.
최근 연구들은 ATI13,14의 치유 과정에서 혈장 대사산물의 중요한 역할을 강조했습니다. 이러한 대사산물은 다양한 생화학적 경로에 관여하며, 염증, 조직 복구, 힘줄 건강과 같은 주요 요인에 영향을 미치는 것으로 여겨집니다15. 예를 들어, 특정 아미노산과 지질은 콜라겐 합성과 산화 스트레스 관리에 필수적이며, 이 두 가지는 힘줄 병리학에서 매우 중요합니다16,17. PDGF, TGF-β, VEGF, IGF와 같은 성장 인자가 풍부한 혈장(PRP)은 힘줄 치유를 촉진하는 잠재력을 보여주었으나, 만성 아킬레스건병증 치료에 대한 효능은 여전히 논쟁 중입니다14. 최근 몇 년간 대사체학과 단백질체학과 같은 고처리량 오믹스 기술은 ATI18,19와 같은 복잡한 조건의 분자 지형을 탐구할 전례 없는 기회를 제공했습니다. 첨단 대사체 기술은 ATI 결과와 관련된 바이오마커의 식별을 가능하게 하여, 특정 대사산물이 부상 진행과 회복에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공합니다.
대사물 프로파일링과 대사 경로 분석은 손상과 관련된 바이오마커 및 경로를 식별하는 강력한 접근법이 되었습니다20,21. 멘델 무작위화(MR)는 전통적인 역학 연구에서 흔히 볼 수 있는 교란 편향을 해결하기 위해 유전 변이를 도구적 변수(IV)로 활용하는 견고한 인과 추론 방법이다. MR은 혈장 대사산물과 같은 노출과 ATI와 같은 결과 간의 인과관계를 연구하는 데 특히 유용합니다. 기존 관찰 연구가 혼란 및 역인과관계에 취약한 것과 달리, MR은 유전 변이를 IV로 사용하여 더 강력한 인과적 추론을 제공합니다. 혈장 대사산물이 힘줄 건강에 미치는 영향을 더 깊이 이해하는 것은 치료 전략을 발전시키고 회복 결과를 개선하는 데 필수적입니다.
이러한 진전을 바탕으로, 본 연구는 MR을 이용해 혈장 대사산물의 인과적 역할을 ATI에서 조사합니다. 대사산물 수준과 관련된 유전적 변이를 분석하여 ATI 진행 및 회복과 관련된 특정 대사산물을 규명하였습니다. 또한, 5,6-디하이드로티민(Dih)과 하이드록시아스파라진(Hyd)과 같은 후보 대사산물은 동물 모델에서 실험적으로 검증되어 ATI의 경과 및 치유에 미치는 영향을 밝혀냈습니다.
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윤리 승인 및 참여 동의
모든 동물 실험 설계는 닝샤성 실험동물관리조치에 엄격히 따라 수행되었으며, 닝샤 회이 자치구 인민병원 윤리위원회, 닝샤 의과대학의 승인을 받았습니다.
연구 설계
이 연구는 2표본 MR 방법론을 사용하여 1,400개의 혈장 대사산물과 ATI 간의 인과관계를 조사하였습니다. 인과 추론에서 IV의 타당성을 보장하기 위해서는 세 가지 중요한 가정이 충족되어야 합니다: (1) 유전적 변이는 관심 노출과 직접적으로 연관됨; (2) 노출과 결과 사이의 잠재적 교란 요인으로 인해 유전적 변이가 혼동되지 않는다; 그리고 (3) 유전적 변이는 대체 경로가 아닌 노출 자체로만 결과에 영향을 미친다.
ATI를 위한 GWAS 데이터 출처
ATI에 대한 유전체 전역 연관 연구(GWAS)의 데이터는 IEU-OpenGWAS 프로젝트(https://gwas.mrcieu.ac.uk/)에서 수집되었으며, 특히 ebi-a-GCST90018895 데이터셋을 활용했습니다. GWAS 분석은 유럽계 혈통 357,658명, 7,746건의 사례와 349,912명의 대조군을 포함했습니다. 품질 관리 절차를 거쳐 총 19,072,056개의 단일 염기다형성(SNP)이 확인되었습니다. 품질 관리 절차에는 소규모 대립유전자 빈도<0.01, 하디-와인버그 평형 P<1×10⁶, 유전자형 호출률 <0.95를 가진 SNP의 제거가 포함되었습니다. 집단 계층화는 주성분 분석을 통해 평가되었고, 유전체 팽창 계수(λ)를 계산하여 체계적 편향을 평가하였다.
혈장 대사산물에 대한 GWAS 데이터 소스.
노출 인자 데이터셋에는 GWAS 데이터베이스(https://www.ebi.ac.uk/gwas/studies/GCST90199621-90201020)에 분류된 1,400개의 혈장 대사산물에 대한 GWAS 데이터가 포함되어 있으며, 1,091개의 대사물 수준과 309개의 대사물 비율이 포함되어 있습니다. MR 분석은 유럽계 혈통을 가진 개인에게 제한되었습니다. 데이터셋에 대한 자세한 정보는 보충 자료, 표 S1에 제공되어 있습니다.
IV 선택
IV 식별에서 혈장 대사산물과 관련된 19,072,056 SNP의 통계적 유의성 임계치는 P < 1 × 10-5에 설정되었습니다. 분석의 독립성을 보장하기 위해 SNP는 r2 = 0.001, kilobase(kb) = 10,000의 임계값을 사용하여 집계되었으며,r2 > 0.001, kb < 10,000인 19,037,213개의 SNP를 제외하여 잠재적인 연관 불균형(LD) 효과를 제거하였습니다. F-통계량 10< SNP는 이질성이 높아 추가 분석에서 제외되었으나, 기준을 충족하는 34,843개의 SNP는 유효한 IV로 유지되었습니다.
동물과 실험 설계
모든 동물 실험은 닝샤성 실험동물관리 조치에 엄격히 따라 수행되었으며, 닝샤 의과대학 닝샤 회이 인민병원 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 수컷 BALB/c 쥐(8주 된 SPF 등급)는 베이징 바이탈 리버 실험동물기술유한회사(베이징, 중국 )에서 구입하였습니다. 쥐들은 1주일간 통제된 환경(온도 23 ± 1°C, 습도 60 ± 10%)에서 적응했으며, 표준 음식과 물을 자유롭게 섭취하고, 12시간 빛과 12시간 어둠 주기를 가졌습니다. 적응 후 쥐건 손상 모델이 확립되었습니다. 종방향 피부 절개 후 왼쪽 아킬레스건을 노출시키고 미세수술 가위를 이용해 힘줄 중앙점에서 표준화된 전층 횡단술을 시행하였습니다. 힘줄은 즉시 입체현미경 아래 6-0 비흡수성 봉합사로 수리되었다. 수술 직후 ATI 마우스 모델의 성공적인 확립을 확인하기 위해 X선 영상이 수행되었습니다. 동시에 대조군의 X선 영상이 동일한 마취 조건에서 촬영되어 빈 대조28로 사용되었습니다. 모든 시술은 펜토바르비탈 나트륨(50 mg·kg-1) 복막 내 주사로 유도된 전신마취 하에 시행되었으며, 수술 후 진통은 48시간29분 동안 12시간마다 부프레노르핀(0.05 mg·kg-1, 피하 투여)으로 제공되었습니다. 모델 유도에 성공한 쥐들은 무작위로 다음 그룹에 배정되었습니다: 대조군, 모델군, 그리고 저용량(10 mg·kg-1, LD-Hyd), 중간 용량(30 mg·kg-1, MD-Hyd), 고용량(50 mg·kg-1, HD-Hyd) 용량의 Dih를 투여하는 치료군. 표본 크기 계산: 대사물 처리(SD = 15%)에서 치유 점수가 40% 향상된 예비 데이터를 바탕으로, n=6마리의 쥐가 α = 0.05(양측 분석)에서 이 차이를 80% 검출할 수 있음을 확인하였다. 무작위화는 그룹 배분에 눈이 가려진 연구자가 컴퓨터 생성 난수를 사용해 수행했습니다. 실험 절차와 결과 평가는 그룹 할당에 눈가림이 부여된 연구자들에 의해수행되었습니다.
헤마톡실린 및 이오신(HE) 염색
치료 후 7일째, 펜토바르비탈 나트륨(100 mg·kg-1) 복막내 주사를 통해 심층 마취 하에 쥐를 안락사시켰으며, 조직 채취 전에 반사 전까지 완전히 상실되도록 했습니다. 손상된 아킬레스건 조직과 주변 연조직 일부를 포함해 신중하게 채취 및 가공되었습니다. 아킬레스건 중심에 위치한 15mm2 크기의 피부 조각이 절제되었습니다. 피부 샘플은 4% 파라포름알데히드 용액에 상온에서 48시간 고정된 후 탈수, 파라핀 박출, 5 μm 절단을 거쳤습니다. 상처 피부의 구조적 특성, 육아조직 형성, 염증성 세포 침윤은 H&E 염색을 사용하여 평가하였다. 조직학적 평가를 위해 절편은 자일렌에 탈파라핀(2× 10분), 등급 에탄올(100%, 95%, 85%, 75%, 각각 5분)으로 재수화한 후 증류수에 헹군다. 슬라이드는 해리스 헤마톡실린으로 5분간 염색되고, 흐르는 수돗물에 5분간 헹궈졌으며, 1% 산성 알코올에서 10초간 차별한 뒤, 0.2% 암모니아 물에 30초간 청색 처리되었습니다. 세척 후에는 0.5% 이오신으로 2분간 카운터 스테인을 한 뒤 탈수, 클리어, 마운팅을 했습니다. 조직학적 평가 신뢰도: 측정 정확성을 보장하기 위해 무작위로 선정된 표본의 20%를 두 명의 맹인 관찰자에 의해 독립적으로 채점되었습니다. 평가자 간 신뢰도는 반 내 상관계수(ICC)를 사용하여 평가하였습니다. 콜라겐 조직에 대한 ICC는 0.89(95% 신뢰구간: 0.81-0.94), 조직 퇴행은 0.92(95% 신뢰구간: 0.86-0.96), 염증성 세포 침윤은 0.87(95% 신뢰구간: 0.78-0.93)로, 우수한 신뢰도를 보였다. 평가자 내 신뢰도는 2주 간격 후 한 명의 관찰자가 표본의 15%를 재평가하여 모든 매개변수31에 대해 ICC 값> 0.85를 얻었습니다.
서부 블롯 분석
단백질 발현은 웨스턴 블롯으로 분석되었습니다. 단백질 정량은 BCA 단백질 농도 분석 키트를 사용하여 수행되었습니다. 10% 도데실 황산나트륨-폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(SDS-PAGE)으로 같은 양의 단백질을 분리하여 니트로셀룰로오스 막으로 옮겼습니다. 막은 상온에서 0.1% Tween-20이 함유된 Tris 완충 식염수에 5% 탈지우유로 1시간 동안 차단되었습니다. 막은 VEGFA(1:1000, ab46154), TGF-β1(1:1000, 21898-1-AP), IL-6(1:1000, 26404-1-AP), TNF-α(1:1000, 17590-1-AP)에 대한 1차 항체와 함께 4°C에서 하룻밤 배양하였다. PBS로 세 차례 세척한 후, 막을 2차 항체(1:5000)와 함께 실온에서 90분간 배양하였습니다. 단백질 밴드는 제조사 프로토콜에 따라 ECL 화학발광 기판 키트(자세한 내용은 재료 표 참조)를 사용하여 시각화되었고, ImageJ 소프트웨어(버전 1.8)를 사용해 분석되었습니다. 국립보건원). GAPDH(10494-1-AP)는 적재 제어로 사용되었습니다.
통계 분석
통계 분석은 R Studio 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. TwoSampleMR과 ieugwasr R 패키지는 노출 데이터를 추출하고 유효한 IV를 스크리닝하는 데 사용되었으며, 여기에는 ��집기(r² < 0.001, 창 크기 = 10,000 kb), 대립유전자 조화, F-통계량 계산(F = β²_exposure/SE²_exposure)이 포함되었습니다. MR 및 역MR 분석에서는 VariantAnnotation, gwasglue, TwoSampleMR 패키지를 활용하여 견고한 인과 추론과 민감도 테스트를 가능하게 했습니다. 혈장 대사산물 관련 형질을 조사하기 위해 두 표본 MR 연구가 수행되었습니다. 다섯 가지 서로 다른 분석 접근법이 사용되었습니다: 역분산 가중치(IVW), MR-에거, 가중 중간값(WM), 단순 모드, 가중 모드. 주요 결과는 IVW 방법을 사용하여 산출되었으며, 통계적 유의성은 P < 0.01로 설정되었습니다. IVW 방법은 변동 영향을 최소화하기 위해 가중치를 할당하여 더 정확한 효과 추정을 제공합니다. MR-에거 회귀는 다면성(유전자가 여러 형질에 영향을 미치는 현상)을 평가하는 데 사용되었으며, 수평 편복성은 절벽의 P값(P > 0.05)으로 평가되었고, 이질성은 IVW 방법과 MR-에거 Q 통계량을 결합해 검증되었습니다. P > 0.05 시에는 유의미한 이질성이 관찰되지 않았습니다. 벤자미니-호흐버그 거짓 발견률(FDR) 방법을 사용하여 다중 검사 보정을 적용했으며, FDR < 0.05가 유의한 것으로 간주되었습니다. 이질성은 코크란의 Q 통계량과 I2 통계량을 사용하여 정량화되었으며, I2 가 50%> 상당한 이질성을 나타냅니다. I2 값에 대해서는 Ioannidis 등이 설명한 방법을 따라 95% 신뢰구간을 계산하였습니다. 민감도 분석은 개별 변이가 전체 결과에 미치는 영향을 평가하기 위해 순차적으로 각 SNP를 제거하는 방식으로 수행되었습니다.
측정 신뢰도를 평가하기 위해 주요 결과 측정치(WB 정량화 및 조직학적 점수)에 대해 클래스 내 상관계수(ICC)를 사용하여 검사-재검사 분석을 수행하였습니다. ICC는 서부 블롯(WB) 정량화 및 조직학적 점수 평가의 평가자 간 및 평가자 내 신뢰도를 평가하는 데 사용되었습니다. 기준은 다음과 같이 해석되었습니다: 0.50 미만(불량), 0.50에서 0.75 사이(중간), 0.75에서 0.90 사이(좋음), 0.90 이상(우수)32. 세 명의 독립 연구자가 동일한 샘플 세트를 1주일 간격의 두 시점에서 맹목적으로 평가했습니다. IL-6, TNF-α, VEGFA, TGF-β의 서부 블롯 정량에 대한 ICC는 0.87에서 0.93 사이로, 매우 높은 신뢰성을 보였습니다. 조직학적 점수 평가에서 ICC는 콜라겐 조직 구성에서 0.85, 신생혈관화 평가에서 0.82였습니다.
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1,400종의 혈장 대사산물과 ATI 간의 인과관계
ATI에 대한 인과관계를 평가하기 위해 1,400종의 혈장 대사산물에 대한 포괄적인 MR 분석이 수행되었습니다. 1차 분석은 LD와 잠재적 교란변수에 대한 엄격한 통제를 적용한 IVW 접근법을 활용하여 ATI 진행과 회복에 유의미한 영향을 미치는 대사산물을 식별하였습니다. 그림 1 은 144종의 혈장 대사산물과 ATI 간의 인과관계를 보여주며, 이 연구에서 사용된 MR 분석 방법 중 적어도 하나에서 P 값< 0.050을 달성하면 통계적으로 유의미한 연관성으로 간주되었습니다. 표 1은 P < 0.050에서 IVW를 기반으로 잠재적 인과관계를 보인 69가지 혈장 대사산물을 제시합니다. Benjamini-Hochberg FDR 보정을 여러 차례 검사에 적용한 결과, 19종의 대사산물이 FDR < 0.05에...
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이 연구는 1,400종의 혈장 대사산물과 AT 간의 인과관계를 탐구하기 위해 포괄적인 MR 분석을 수행했습니다. 19가지 혈장 대사산물이 ATI 진행 및 치유와 유의하게 연관되어 있으며, Dih와 Hyd가 ATI 결과에 영향을 미치는 주요 요인으로 부상하였습니다. 이후 생 체 내 실험에서는 이러한 대사산물이 힘줄 치유를 촉진하는 데 유익한 역할을 한다는 것이 확인되었습니다. Dih와 Hyd 치료는 염증성 사이토카인 IL-6와 TNF-α의 유의미한 용량 의존적 하향 조절을 초래했습니다(P < 0.001). 동시에 혈관신생과 조직 수리의 VEGFA 및 TGF-β 결정적 표지자의 발현은 Dih와 Hyd 용량을 증가시켜도 현저히 상향 조절되었습니다. 이 발견들은 이 대사산물이 힘줄 재생을 촉진하는 치료 잠재력을 강조합니다.
확인된 19종의 대사물 중 12종은 ATI 진행과 유의하게 연관되어 있어 ATI의 병태생...
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저자들은 상충하는 이해관계가 없다고 선언한다.
당뇨병성 족부 만성 궤양의 장내 군관 평가 및 단계적 치료에 관한 임상 응용 연구, 인촨 과학기술혁신프로젝트(2024SF005). 닝샤 핵심연구개발 프로그램 하에서 다양한 수술법이 주위 조직 혈액 공급 및 급성 폐쇄 아킬레스건 파열의 생체역학적 수리에 미치는 영향에 관한 응용 연구(2019BEG3036).
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 5,6-디하이드로티민 | 시약 | 696-04-8 | 시약 |
| BCA 단백질 분석 키트 | 시약 | P0012 | 시약 |
| ECL 화학발광 기판 키트 | 시약 | P0018S | 시약 |
| GAPDH 항체 | 항체 | 10494-1-AP | 항체 |
| 헤마톡실린 및 이오신 염색 키트 | 시약 | G1120 | 시약 |
| 하이드록시아스파라진 | 시약 | H1126 | 시약 |
| IL-6 항체 | 항체 | 26404-1-AP | 항체 |
| 이미지J | 소프트웨어 | 버전 1.8 | 소프트웨어 |
| 니트로셀룰로오스 멤브레인 | 소모품 | HATF08130 | 소모품 |
| 파라포름알데히드 | 시약 | P0099-3L | 시약 |
| RStudio | 소프트웨어 | 버전 4.5.2 | 소프트웨어 |
| SDS-PAGE 젤 준비 키트 | 시약 | P0012AC | 시약 |
| 나트륨 펜토바르비탈 | 마취 | 200-323-9 | 마취 |
| TGF-& 베타; 1 항체 | 항체 | 21898-1-AP | 항체 |
| TNF-&α; 항체 | 항체 | 17590-1-AP | 항체 |
| VEGFA 항체 | 항체 | AB46154 | 항체 |
| 엑스레이 시스템 | 악기 | MX-20 | 악기 |
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