Prediction study of native liver survival in biliary atresia: Insights into the gut microbiota and vitamin K

Abstract

배경: 담도폐쇄증(Biliary atresia, BA)은 영유아에서 발생하는 심각한 간 질환으로, 담관 폐색으로 인해 적절한 치료를 받지 않으면 간부전으로 진행할 수 있다. 본 연구는 Kasai 간문부-공장 문합술(Kasai hepatoportoenterostomy, HPE) 후 장내 미생물군, 특히 비타민 K2 생성 박테리아와 장기 자기 간 생존 여부(Liver Transplant-Free Survival, LTFS)의 연관성을 조사하는 것을 목적으로 한다. 방법: 본 연구는 258명의 BA 환자를 대상으로 후향적 분석을 수행하였으며, 모델 훈련을 위한 discovery 코호트(n=206)와 외부 검증을 위한 validation 코호트(n=52)로 구분하였다. 환자들은 LTFS-Y(이식 없이 2년 이상 생존)와 LTFS-N(2년 이내 간 이식 또는 사망)으로 분류되었다. Discovery 코호트 내 8명의 환자에게서 대변 샘플을 채취하고 16S rRNA 유전자 V3-V4 영역을 분석하여 장내 미생물과 기능적 경로를 확인하였다. 랜덤 포레스트(random forest) 기법을 통해 모델을 최적화하였으며, 오차율은 3.40%까지 감소하였다. 결과: LTFS-Y 그룹은 menaquinol-8 생합성 등 비타민 K2 생성 경로가 풍부하며, LTFS-N 그룹에 비해 장내 미생물 다양성이 높았다. 주요 혈청 인자인 직접 빌리루빈 및 총 빌리루빈은 LTFS 여부를 예측하는 데 중요한 요소로 나타났으며, 외부 검증(n=52)에서 모델의 정확도는 100%로 확인되었다. LTFS-N 환자들은 간 기능 장애와 관련된 테트라피롤 생합성 경로가 증가되었고, 이 경로는 담도염, 간경변증, 급성 간염 등과 관련된 간 병리학적 변화를 시사한다. 또한, LTFS-Y 그룹에서는 Lactobacillales, Actinomycetales와 같은 유익한 장내 미생물이 증가하여, 이들 미생물은 장기적인 간 기능 유지와 항섬유화, 항염증 효과를 제공할 수 있는 경로를 활성화하는 것으로 확인되었다. 결론: 본 연구는 비타민 K2 생성 장내 박테리아가 BA 환자의 자가 간 기능 유지와 밀접한 연관성을 가질 수 있음을 시사한다. 이 결과는 비타민 K2 생성 장내 미생물군의 조절이나 비타민 K2 보충을 통해 BA 환자의 자가 간 생존율을 높일 수 있는 치료 전략으로의 가능성을 제시한다. 그러나 이와 같은 연관성을 더 확고히 하고, 기저 메커니즘을 깊이 이해하기 위해 추가적인 연구가 필요하다.

Background: Biliary atresia (BA) is a severe pediatric liver disease characterized by bile duct obstruction, often leading to liver failure if left untreated. We investigated the association between the gut microbiota and long-term liver transplant-free survival (LTFS) in patients with BA following Kasai hepatoportoenterostomy. Methods: In this retrospective analysis, we included 258 patients with BA, categorized into a discovery cohort (n=206) for model training and a validation cohort (n=52) for external validation. Patients were categorized into the LTFS-Y (those who survived with native liver ≥ 2 years) and LTFS-N (those requiring liver transplantation in < 2 years) groups. Stool samples from eight patients in the discovery cohort were sequenced for the V3-V4 region of the 16S rRNA gene to identify gut microbes and infer functional pathways. A random forest classifier with significant variables between LTFS-Y and -N was used to establish a prediction model. Results: Fourteen serological factors related to cholestasis, hepatic injury and function were significantly differentiated between LTFS-Y and -N. Upon validating the prediction model with independent data, random forest classifier with the significant factors showed 100% accuracy, and estimated prothrombin time test with an international normalized ratio was as important variable to predict the clinical outcomes. The gut environment of the LTFS-Y group was colonized with more diverse bacteria, composed of Bacteroidales, Campylobacterales, Actinomycetales, and Lactobacillales, than that of the LTFS-N group and inferred to be enriched with metabolites from vitamin K2-producing pathways. Conversely, patients in the LTFS-N group were expected to have more metabolites from tetrapyrrole producing-related pathways that are related to hepatic dysfunction. Conclusion: The presence of vitamin K2-producing gut bacteria is associated with prolonged native liver function in patients with BA after Kasai hepatoportoenterostomy. These results indicate potential therapeutic strategies, including gut microbiota modulation and vitamin K2 supplementation, to improve clinical outcomes.