Investigation of Mechanism and Its Key Factors Associated with Graft Rejection in Allogeneic Corneal Transplantation Using Aqueous Humor Liquid Biopsy

Abstract

Purpose: Corneal allograft rejection remains a significant challenge in corneal transplantation, particularly in high-risk patients. Early detection of rejection before clinical manifestations is crucial for improving graft survival. This study aimed to investigate the molecular mechanisms and identify key factors associated with graft rejection in allogeneic corneal transplantation using aqueous humor (AqH) as a liquid biopsy. Methods: A murine model of allogeneic keratoplasty (KP) was used to simulate the immune processes of corneal graft rejection. Comprehensive proteomic and transcriptomic analyses were performed on AqH samples and corneal tissues from different experimental groups, including accepted, transitional, and rejected grafts. Human AqH samples from patients with corneal graft rejection and healthy controls were also analyzed to validate findings from the murine model. Results: Proteomic and transcriptomic analyses revealed distinct molecular profiles corresponding to different stages of graft rejection. Notably, biliverdin reductase B (BLVRB), glutathione peroxidase 1 (GPX1), and cystatin B (CSTB) were significantly upregulated in both murine and human AqH during the transitional and rejection phases. These proteins play pivotal roles in managing oxidative stress and regulating immune responses. BLVRB, GPX1, and CSTB showed potential as early biomarkers for predicting graft rejection before clinical signs appeared. Conclusion: This study demonstrates the utility of AqH as a minimally-invasive liquid biopsy tool for early detection of molecular changes associated with corneal allograft rejection. The identification of BLVRB, GPX1, and CSTB as key biomarkers offers a promising approach for predicting rejection and enabling timely intervention, ultimately improving graft survival outcomes.

목적: 각막 이식에서 이식편 거부반응은 특히 고위험 환자에서 여전히 중요한 문제로 남아 있다. 임상양상이 발현하기 이전에 거부반응을 조기에 발견하는 것은 이식편의 생존율을 높이기 위해서 매우 중요하다. 본 연구는 방수를 이용한 액체 생검을 통해 동종 각막 이식에서 거부반응의 주요 기전과 핵심 인자를 규명하고자 하였다. 방법: 동종 이식편의 거부반응 면역 과정을 모사하기 위해 동종 이종 각막이식 마우스 모델을 사용하였다. 수용된 이식편, 거부반응으로 진행 중인 이식편, 그리고 완전히 거부된 이식편 등으로 그룹을 나누어 방수와 각막 조직을 채취한 후 포괄적인 단백체 및 전사체 분석을 실시하였다. 뿐만 아니라, 마우스 모델에서 도출한 마커물질을 검증하기 위해 각막이식 후 거부반응이 발생한 환자와 건강한 대조군에서 방수 샘플을 수집하여 분석하였다. 결과: 마우스 모델에서 단백체 및 전사체 분석을 통해 이식편 거부반응의 단계별로 상이한 분자생물학적 프로파일이 나타났다. 특히, 빌리베르딘 환원효소 B(BLVRB), 글루타티온 퍼옥시다제 1(GPX1), 시스타틴 B(CSTB)가 동물 모델과 인간 방수 모두에서 거부반응이 진행 중일 때와 거부된 상태에서 유의하게 발현이 증가하였다. 이들 단백질은 산화 스트레스 반응과 면역 조절에 관여하며, 임상 증상이 나타나기 전 이식편의 거부반응을 예측할 수 있는 초기 바이오마커로서 가능성을 보여주었다. 결론: 본 연구는 방수를 이용한 비침습적 액체 생검이 각막 동종이식편의 거부반응과 관련된 분자적 변화를 조기에 감지하는데 유용함을 입증하였다. 뿐만 아니라, BLVRB, GPX1, CSTB를 주요 방수 바이오마커로 규명함으로써, 조기 진단을 통하여 빠른 치료를 함으로써 이식편의 생존율을 향상시킬 수 있는 새로운 접근 방안을 제시하였다.