Systemic bacteria-derived extracellular vesicle as a predictive biomarker for post-operative delirium

Abstract

Delirium often manifests postoperatively, particularly among older patients. Characterized by unpredictable progression, it leads to disturbances in awareness, orientation, memory, and behavior. Occurring in 20-25% of patients aged over 60, postoperative delirium results in prolonged hospital stays, higher mortality rates, increased economic burdens, and greater needs for post-discharge care. Approximately a third of susceptible patients could benefit from preventative measures. However, the complexity of delirium, along with its unknown underlying mechanisms, hindered the progress of diagnosis, treatment, and research. Dysbiosis, or imbalances in gut microbiota, has been associated with various neurological and mood disorders. The gut-brain axis, a communication pathway between gut microbiota and the brain, extends its influence beyond merely gut functionality. Recent studies have identified the human microbiome's role in postoperative delirium. Extracellular vesicles are essential for cell-to-cell communication and are emerging as promising biomarkers for disease prediction and quick assessment. Furthermore, bacteria-derived extracellular vesicles (BEVs) can cross the blood-brain barrier and may have a key role in immune regulation. This study was aimed at investigating the effects of BEVs in blood and gut microbiota composition on postoperative delirium, with the intention of establishing a predictive model for postoperative delirium. This study included a total of 128 patients, all of whom were over 70 years old and scheduled for spinal surgery. We collected stool and serum samples immediately before starting the operation, and assessed delirium at least twice daily during postoperative hospitalization. Next-generation sequencing was utilized to analyze the bacterial taxa based upon 16s rRNA gene sequencing using the preoperative fecal samples as well as the BEVs. Comparative analysis of significant bacterial taxonomies between patients with non-delirium and delirium, and random forest classifier were employed to predict postoperative delirium status using the preoperative samples. Baseline characteristics of the 88 patients in the training set were comparable between the two groups. As for the analyses of BEVs, patients with delirium had significantly reduced diversity of BEVs, compared to those with non-delirium; lower richness (measured by observed ASVs and Chao1) and evenness (measured by Shannon H and inversed Simpson). The clinical outcomes were significantly differentiated with 15 bacterial taxa in blood; EVs from bacteria belonging to Bacilli and Alphaproteobacteria were more abundant in non-delirium, whereas more BEVs from Gammaproteobacteria were detected in delirium group. However, significant diversity of gut microbial community and bacterial taxa was not observed between the two groups. Using inference of functional pathways based upon 16s rRNA gene sequencing, the gut environment of non-delirium group was significantly enriched with 16 functional pathways, mainly composed of TCA cycle and nucleotide-related pathways. To understand the potential prognostic factors to predict postoperative delirium, the significant BEVs were subjected to random forest classifier, resulting in 78.41% accuracy. In addition, the prediction model was validated with independence cohort, of which 80% of patients were correctly classified. This research highlights the importance of circulating BEVs in the prediction of postoperative delirium, and their potential application to medical decision for the prevention and management of the patients. 섬망은 급성 인지 장애의 일종으로 노인 환자들 사이에서 수술 후 흔히 발생한다. 섬망 환자들은 예후와 경과가 다양한 것이 특징이며, 인식, 지남력, 기억 및 행동에 장애를 초래한다. 60세 이상 환자 중 약 20-25%에게 섬망이 나타나는 것으로 알려져 있으며, 섬망을 겪고 난 환자들의 경우 입원 기간이 증가되고, 사망률 또한 증가하는 것으로 알려져 있어 사회적인 관심이 높다. 섬망에 대한 예방 조치가 취해진다면, 섬망에 취약한 노인환자들의 위험을 경감시킬 수 있다. 높은 유병률에도 불구하고 불명확한 병태생리와 기전의 복잡성으로 인해 진단, 치료 및 연구가 잘 진행되지 못하고 있다. 장-뇌 축은 장 내 미생물 군과 뇌 간의 통신 체계로, 소화기 기능뿐만 아니라 다른 영역에도 영향을 미친다. 장 내 미생물 군의 불균형 또는 이상 발생은 다양한 신경 및 기분 장애와 관련이 있다. 이전의 다른 연구에서 인간 미생물 군집이 수술 후 섬망과도 관련이 있다는 사실이 확인되었다. 또한, 세포외 소포들은 세포 간 상호작용에서 중요한 역할을 하며, 질병 예측과 신속한 평가를 위한 잠재적인 생체 표지로 제안되었다. 또한 혈뇌 장벽을 통과할 수 있는 박테리아 유래의 세포외 소포는 면역 체계 조절에 중요한 역할을 할 수 있다. 본 연구는 섬망 환자에서 장 내 미생물 군집과 혈액 내의 박테리아 유래의 세포외 소포 (BEVs)의 조성을 탐구하고 섬망에 대한 예측 모델을 구축하는 것을 목표로 했다. 우리는 척추 수술이 예정되어 있는 70세 이상 환자 128명의 혈액과 대변을 분석했다. 수술 전 대변 및 혈청 샘플을 얻은 후, 수술 후 입원 기간 동안 섬망을 최소한 두 번 이상 평가하여 섬망군, 비섬망군으로 분류하였다. 우리는 수술 전 대변 샘플과 수술 전 혈청 박테리아 유래의 세포 간 소포에서 차세대 염기서열 분석을 수행했다. 섬망 및 비섬망 그룹 간의 세포 간 소포와 장 내 미생물 군의 조성 및 기능을 비교했다. 이러한 변수를 사용하여 랜덤 포레스트 방법을 이용하여 섬망에 대한 예측 모델을 구축했다. 88명의 환자의 기준 특성은 양쪽 그룹 모두에서 비슷하였다. 세포외 소포의 분석에서, 섬망 그룹은 비섬망 그룹보다 그룹 내 다양성이 감소한 것으로 나타났다. 게다가, 섬망 그룹은 유전적 동질성이 크게 감소한 Inverse Simpson 지수를 가지고 있었다. 섬망을 구별하기 위해 13가지 세포외 소포 세균 분류군이 확인되었다. 장 내 미생물 군집 분석에서는 양쪽 그룹 모두에서 비슷한 다양성과 동질성이 나타났다. 강(order) 수준에서, Peptococcales은 섬망 그룹에서 더 풍부하게 나타났으며 과(family) 수준에서 Peptococcaceae가 비섬망 그룹보다 더 자주 감지되었다. PICRUSt 분석을 통해 시크르산 회로와 대사에 관련된 기능 경로 16개를 발견했다. 논문에서 제시한 모델은 섬망에 대한 탁월한 예측 능력을 가지고 있었다. 따라서 본 연구는 수술 후 섬망 환자에서 박테리아 유래의 세포 간 소포의 중요성을 밝혀주었으며, 섬망에 대한 가치 있는 예측 모델을 제시했다.