Associations of prenatal metabolomics profiles with early childhood growth trajectories and obesity risk in African Americans: the CANDLE study (2021)

https://doi.org/10.1038/s41366-021-00808-3

 

해당 논문은 임신 중 혈액 내 대사체 프로파일과 유아 비만 위험 간의 연관성을 분석한 연구이다. 연구는 미국 테네시주의 아프리카계 미국인 모자 450쌍을 대상으로 진행되었으며, Conditions Affecting Neurocognitive Development and Learning in Early Childhood(CANDLE)라는 출생 코호트 데이터를 기반으로 했다.

 

연구의 주요 목표는 다음과 같았다.

• 임신 중 어머니의 혈액 내 대사체가 자녀의 BMI(체질량지수) 경로와 비만 위험에 미치는 영향을 분석

• 대사체 위험 점수(MRS)를 개발하여 기존의 전통적 비만 위험 요인보다 예측 능력을 개선할 수 있는지 확인

연구 결과, 특정 대사체가 자녀의 BMI 상승 및 비만 위험과 밀접한 관련이 있으며, 대사체 위험 점수(MRS)가 기존 위험 요인보다 비만 위험 예측 능력을 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다.

 

연구 방법

1. 연구 대상

• 연구는 CANDLE 출생 코호트에서 무작위로 선정된 450명의 아프리카계 미국인 모자 쌍을 대상으로 수행되었다.

• 참여자 특성

  • 어머니 평균 연령: 24.5세

  • 교육 수준 12년 이하: 76.4%

  • 메디케어/메디케이드 가입자 비율: 80%

  • 임신 전 비만 비율: 33.6%

  • 흡연 경험자 비율: 9.1%

  • 음주 경험자 비율: 5.8%

2. 대사체 분석

• 혈장 샘플: 임신 2분기(중기)에 비금식 상태에서 채혈한 어머니의 혈장을 이용

• 분석 방법: 비표적 대사체 분석(untargeted metabolomics)

• 분석 플랫폼: Metabolon Discovery HD4TM 플랫폼 사용

• 분석된 대사체: 949개 대사체 중 880개의 대사체가 최종 분석에 포함됨

3. 어린이 성장 지표 측정

• 출생 시부터 4세까지의 BMI-z 점수를 측정하여 성장 경로를 분석했다.

• BMI-z 경로는 3가지로 구분되었다.

  • 상승-고위험 BMI 그룹 (9.8%)

  • 중간 BMI 그룹 (68.2%)

  • 저위험 BMI 그룹 (22.0%)

• 추가적으로 4세 시점에서의 비만 및 과체중 여부를 분석했다.

 

연구 결과

1. 임신 중 대사체와 유아 BMI의 상관관계

• PLS-DA 분석을 통해 임신 중 대사체 프로파일이 자녀의 BMI-z 점수와 상관관계가 있음을 확인했다.

• LASSO 분석을 통해 다음과 같은 대사체가 BMI-z 점수 상승 및 비만 위험과 관련이 있는 것으로 나타났다.

  • BMI 상승과 관련된 대사체

    • β-시토스테롤 (β-sitosterol): 음의 상관관계. 비만 위험을 낮추는 보호 효과가 있음

    • 메틸말론산 (Methylmalonic acid): 비타민 B12 결핍과 관련된 대사체로, BMI-z 점수 증가와 연관

    • 하이드록시프롤린 (Hydroxyproline): 콜라겐의 주요 구성 성분으로, BMI 상승과 연관

    • 하이드록시아스파라진 (Hydroxyasparagine): BMI 상승과 연관

  • 비만 및 과체중 위험과 관련된 대사체

    • FAD (리보플라빈 대사체): 비만 위험 감소와 관련

    • 1,3-디메틸유릭산 (1,3-Dimethyluric acid): 카페인 대사체로, 비만 위험 상승과 관련

    • 1-메틸유릭산 (1-Methyluric acid): 카페인 대사체로, 비만 위험 상승과 관련

    • 하이드록시코티닌 (Hydroxycotinine): 니코틴 대사체로, BMI-z 상승 및 비만 위험 증가와 관련

2. 대사체 위험 점수 (MRS)의 효과

• MRS 도입 시 BMI-z 점수 상승 예측 능력: 기존의 위험 요인 모델보다 ROC AUC가 0.10 향상 (P=0.005)

• MRS 도입 시 비만/과체중 예측 능력: ROC AUC가 0.07 향상 (P=0.007)

• 이는 기존의 전통적 위험 요인만으로는 설명되지 않던 비만 발생 가능성을 더 정확하게 예측할 수 있는 방법임을 시사한다.

 

 

임신 중 대사체 프로파일과 유아 성장 경로의 상관관계

(a) BMI-z 점수 경로 그룹 분류

• 이 그래프는 출생 후 4세까지의 BMI-z 점수 변화를 기준으로 유아들을 다음과 같이 세 그룹으로 나눴다.

  • 상승-고위험 BMI 그룹 (rising-high-BMI)
  • 중간 BMI 그룹 (moderate-BMI)
  • 저위험 BMI 그룹 (low-BMI)
• 각 그룹은 서로 다른 색상으로 구분되어 있으며, 점들이 모여 있는 패턴을 통해 각 그룹의 대사체 프로파일이 어떻게 구별되는지를 나타낸다.
• 점들이 뚜렷이 구분되는 경우, 해당 대사체 프로파일이 BMI 그룹 간의 차이를 잘 반영하는 것을 의미한다.
• P-value = 0.017로 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 이는 임신 중 대사체 프로파일이 유아의 BMI 상승 위험을 구분하는 데 유효하다는 의미이다.

(b) 4세 시점의 비만/과체중 상태 분류

• 이 그래프는 4세 시점에서 정상 체중, 과체중, 비만 그룹을 구분하는 대사체 프로파일을 나타낸다.

• 비만/과체중 그룹 간 구분이 상대적으로 덜 명확하게 나타났으며, P-value = 0.267로 통계적 유의성은 다소 낮았다.
• 그러나 점들이 어느 정도 군집을 이루고 있어 대사체 프로파일이 비만 위험과 관련이 있음을 시사한다.

 

 

임신 중 대사체 분석이 유아 비만 위험 예측에 미치는 영향

(a) 상승-고위험 BMI 그룹 예측

• 전통적 위험 요인만을 고려한 모델의 AUC(곡선 아래 면적)는 0.72이었다.

• 여기에 대사체 위험 점수(MRS)를 추가한 모델의 AUC는 0.82로 상승했다.
• AUC 값이 높을수록 해당 모델이 BMI 상승 위험을 더 정확하게 예측한다는 의미이다.
• 이 결과는 MRS가 기존의 전통적 위험 요인만으로는 설명되지 않았던 BMI 상승 위험을 효과적으로 예측할 수 있음을 보여준다.

(b) 4세 시점의 비만/과체중 위험 예측

• 전통적 위험 요인만을 포함한 모델의 AUC는 0.67이었다.

• MRS를 추가한 모델의 AUC는 0.74로 향상되었다.
• 이는 MRS가 유아 비만 및 과체중 위험 예측에 있어 추가적인 예측력을 제공한다는 것을 의미한다.

핵심 포인트

• AUC 값이 증가할수록 예측 모델의 정확도가 높아진다.
• MRS를 추가한 모델이 기존 전통적 위험 요인 모델보다 더 우수한 예측 능력을 보였다.
• 이는 임신 중 대사체 프로파일이 자녀의 성장 경로와 비만 위험에 강력한 영향을 미칠 수 있으며, 이를 통해 임신 중 대사 상태 관리의 중요성을 강조한다.

 

연구 결론

이 연구는 임신 중 대사 상태 관리가 유아 비만 예방에 중요한 역할을 할 수 있음을 강조했다. β-시토스테롤과 같은 보호 성분은 식이 조절을 통해 개선 가능하며, 카페인 및 니코틴 노출은 최소화하는 것이 중요하다는 점을 시사했다. 특히 대사체 위험 점수를 통해 기존의 전통적 위험 요인만으로는 설명되지 않았던 비만 위험을 더 정확하게 예측할 수 있는 가능성이 확인되었다. 임신 중 영양 관리와 건강한 생활 습관이 아이의 건강한 성장에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 의미 있는 연구다.