Identification of biomarkers related to the pathogenesis and prognosis of pediatric moyamoya disease via cerebrospinal fluid proteomics = 뇌척수액 단백체학을 이용한 소아 모야모야병의 병태생리 및 예후와 관련 있는 바이오마커의 발굴

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background:
Developing cost-effective and less invasive biomarker-based tests could improve moyamoya disease (MMD) management. This study aimed to identify clinically relevant cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers through comprehensive proteomic screening in a large MMD cohort.

Methods:
CSF protein profiles from 104 MMD patients and 14 non-tumorous hydrocephalus patients were analyzed via liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Enrichment analysis was conducted on canonical pathways and differentially expressed proteins (DEPs). The protein-protein interaction network included all proteins involved in the canonical pathways. Potential markers were validated using ELISA. Weighted gene coexpression network analysis (WGCNA) was used to identify modules associated with clinical factors.

Results:
We identified 2,463 proteins, of which, 2,307 were quantified in at least one sample. A total of 321 significant DEPs were detected, among which 19 were identified as the top DEPs. Of these, with 8 proteins upregulated and 11 proteins downregulated in MMD samples. ELISA confirmed increased expression of ALB and SLITRK1. WGCNA revealed seven modules correlated with clinical factors, linking preoperative cerebral infarction to the module eigengene (ME) red module and favorable modified Rankin Scale scores to MEblack module. BASP1 and LDHA were significantly upregulated in MEred, whereas CD9 and EMILIN1 were upregulated in MEblack.

Conclusions:
Our findings provided insights into the proteomics of CSF from MMD patients, identifying potential novel biomarkers such as SLITRK1 and markers of preoperative cerebral infarction (BASP1, LDHA) and clinical outcome (CD9, EMILIN1). These markers may have potential as new diagnostic and therapeutic targets for MMD.

국문 초록 (Abstract)

배경:
비용 효과적이며 상대적으로 덜 침습적인 바이오마커 기반 검사법의 개발은 모야모야병(Moyamoya disease, MMD)의 진단 및 치료 관리에 큰 개선을 가져올 수 있다. 본 연구는 대규모 MMD 환자군을 대상으로 뇌척수액(cerebrospinal fluid, CSF)의 단백체를 전수 분석하여 임상적으로 의미 있는 바이오마커를 규명하는 것을 목표로 하였다.

방법:
104명의 MMD 환자와 14명의 비종양성 수두증 환자로부터 CSF를 채취한 뒤, 액체 크로마토그래피‑탠덤 질량분석법(LC-MS/MS)으로 단백질 스펙트럼을 분석하였다. 이후 유전자 경로(enrichment) 분석을 통해 주요 경로 및 차등 발현 단백질(Differentially expressed proteins, DEPs)을 도출하고, 단백질 간 상호작용 네트워크를 구성하여 관련 단백질의 연결 구조를 파악하였다. 유망 후보 단백질은 ELISA로 검증하였으며, 가중 유전자 공발현 네트워크 분석(Weighted gene coexpression network analysis, WGCNA)을 통해 임상 인자와 연관된 단백질 모듈을 규명하였다.

결과:
총 2,463개의 단백질이 확인되었으며, 이 중 2,307개는 최소 한 개 이상의 샘플에서 정량이 가능했다. MMD 환자군과 대조군을 비교한 결과, 총 321개의 유의한 DEPs가 발견되었고, 이 중 19개의 상위 DEPs가 확인되었다. 이 가운데 8개 단백질은 발현이 증가했으며, 11개 단백질은 발현이 감소했다. ELISA 검증을 통해 ALB와 SLITRK1의 발현 증가가 확증되었다.
WGCNA 분석에서는, 임상 인자와 연관되는 7개의 모듈이 도출되었으며, 그중 수술 전 뇌경색 발생은 붉은 모듈(eigengene red)과, modified Rankin Scale 점수는 검정 모듈(eigengene black)과 각각 밀접한 상관을 보였다. 붉은 모듈에서는 BASP1과 LDHA가 두드러지게 상승했으며, 검정 모듈에서는 CD9과 EMILIN1의 발현이 뚜렷하게 높았다.

결론:
본 연구는 MMD 환자의 CSF 단백체 분석을 통해 SLITRK1을 비롯한 새로운 후보 바이오마커를 제시하였으며, 수술 전 뇌경색과 관련된 BASP1 및 LDHA, 그리고 예후와 연관된 CD9과 EMILIN1을 유망한 후보 마커로 확인하였다. 이러한 단백질들은 향후 MMD의 진단 및 치료 전략 개발에 유용한 분자 표적이 될 가능성이 있다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Methods 3
• Results 11
• Discussion 29
• References 47
• Abstract in Korean 54
• List of Tables
• Table 1 12
• Table 2 12
• Table 3 36
• List of Figures
• Figure 1 15-17
• Figure 2 19~21
• Figure 3 23
• Figure 4 24,26~27
• Figure 5 28
• Supplementary Figure 1 39~40
• Supplementary Figure 2 40~41
• Supplementary Figure 3 42
• Supplementary Figure 4 43
• Supplementary Figure 5 43~44
• Supplementary Figure 6 44
• Supplementary Figure 7 45
• Supplementary Figure 8 45
• Supplementary Figure 9 46
• Supplementary Figure 10 46