Effect of Multistability and Hysteresis on Oral Microbiome Patterns Observed in Clinical Studies

Abstract

The oral microbiome of a healthy cohort is utilised as a reference point for evaluating clinical cases and interventions. Nonetheless, current cohort-based studies have fallen short in thoroughly considering multistability in microbial communities. Screening analysis has been confined to phenotypic traits that exhibit significant differences among microbial genomic markers. The objective of this study was to assess the temporal stability of the oral microbiome over time in an intervention-free and phenotypically healthy cohort. 33 longitudinal supragingival plaque samples were collected from 11 healthy participants, sourced from the biobank. For each participant, samples were designated as baseline (T0), 1-month (T1), and 3-month (T2) intervals for 16S ribosomal RNA gene sequencing analysis. Taxonomic profiling consistently exhibited a recurring pattern of predominant genera, specifically Rothia, Prevotella, and Haemophilus, across all observed time points. In the alpha diversity analysis, the Shannon index showed a significant increase with time from T0 (p <0.05). Bray–Curtis dissimilarity (beta diversity) demonstrated substantial variation within the cohort at each time point (r = –0.02, p <0.01). The community and stability evaluation at the species level showed a negative correlation with synchrony (r = –0.739; p = 0.009) and variance (r = –0.605; p = 0.048). Clustering data based on the species abundance profiles of participants resulted in the formation of three distinct cluster groups, with notable variations in the grouping patterns across the three time points. At all observed time points, the clusters exhibited a markedly distinct array of differentially abundant taxonomic and functional biomarkers. Even in healthy individuals free of intervention, distinct patterns of species turnover and abundance were observed, supporting the concept of multistability and hysteresis within the oral microbiome. Therefore, to establish a definitive and meaningful long-term reference, it is imperative that clinical cohort microbiome research considers the dynamic nature of the oral microbiome and its multi-stable states within the context of personalised therapy. This consideration is crucial for enhancing the accuracy of identifying and classifying reliable markers, ultimately leading to more effective interventions and improved oral health outcomes.

구강 마이크로바이옴 연구에서 '건강한 코호트(동일집단)'라는 개념은 임상 증례 및 치료적 평가하기 위한 기준점으로 활용되고 있다. 그러나 최근까지의 코호트 기반 연구는 마이크로바이옴의 다중 안정성 측면을 충분히 고려하지 않았다. 임상 연구 시 선별 검사 방법 또한 뚜렷하게 유의미한 차이를 보이는 미생물 유전체 지표와 관련된 표현형 특성들에만 국한되어 있었다. 따라서 본 연구의 목적은 임상적 개입이 없는 표현형적으로 건강한 코호트에서 시간 경과에 따른 구강 마이크로바이옴의 일시적 안정성을 평가하는 것이다. 본 연구는 인체 유래물 은행을 통해 11 명의 참여자로부터 33 개의 치은연상 치태 샘플을 분양받아 후향적으로 수행되었다. 각 참여자의 샘플은 기준일(T0), 1 개월(T1), 3 개월(T2) 간격으로 지정하여 16S 리보솜 RNA 유전자 염기서열 분석을 실시하였다. 마이크로바이옴 계통 분류 프로파일링 결과, Rothia, Prevotella, Haemophilus 속이 모든 시간 범위 그룹에서 지속적으로 우세한 패턴을 보였다. 알파-다양성 지표 중 하나인 샤논 지수(Shannon index)에서는 시간 경과에 따라 T0 으로부터 유의미한 증가를 나타냈다 (p<0.05). Bray Curtis 비유사도 지수에 따른 베타-다양성 지표 분석 결과, 각 시간 범위 코호트마다 개인 간 변이가 높게 관찰되었다(r = –0.02, p <0.01). 종 수준에서의 미생물 군집 안정성 평가는 동시성(synchrony: r = –0.739; p = 0.009)과 분산(variance: r = –0.605; p = 0.048) 분석에서 음의 상관 관계를 나타냈다. 참여자의 종 상대적 풍부도 프로파일을 기반으로 데이터를 클러스터링한 결과, 세 가지 클러스터 그룹이 형성되었다. 이러한 데이터 클러스터링을 각 시간 범위 그룹마다 수행했을 때, 시간대마다 뚜렷한 클러스터 그룹 패턴 차이가 존재하였다. 또한, 각 시간대에서 형성된 클러스터 그룹들은 계통 분류의 다양성 및 기능적 바이오마커 측면에서 뚜렷한 차이를 보였다. 임상적 개입이 없는 건강한 코호트에서도 개인 간 종 교체율과 풍부도에서 차이가 나타나는 것은 구강 마이크로바이옴에서 이력 현상과 다중 안정성의 개념을 뒷받침한다. 따라서 보다 정확하고 의미 있는 장기적인 참조 테이터를 확립하기 위해서는 개인 맞춤형 치료의 맥락에서 임상 코호트 연구가 마이크로바이옴의 역동성과 다중 안정성을 고려해야 한다. 이러한 고려 사항은 신뢰할 수 있는 바이오마커를 식별하고 분류하는 데 있어 정확성을 향상시키고, 궁극적으로 더 효과적인 임상 개입을 통해 구강 건강의 진전을 도모할 수 있다.