Re: Nutrition and Rheumatoid Arthritis in the ‘Omics’ Era ..2021

[문형철]

Nutrients

. 2021 Feb 26;13(3):763. doi: 10.3390/nu13030763

Nutrition and Rheumatoid Arthritis in the ‘Omics’ Era

Abstract

Modern high-throughput ‘omics’ science tools (including genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and microbiomics) are currently being applied to nutritional sciences to unravel the fundamental processes of health effects ascribed to particular nutrients in humans and to contribute to more precise nutritional advice. Diet and food components are key environmental factors that interact with the genome, transcriptome, proteome, metabolome and the microbiota, and this life-long interplay defines health and diseases state of the individual. Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic autoimmune disease featured by a systemic immune-inflammatory response, in genetically susceptible individuals exposed to environmental triggers, including diet. In recent years increasing evidences suggested that nutritional factors and gut microbiome have a central role in RA risk and progression. The aim of this review is to summarize the main and most recent applications of ‘omics’ technologies in human nutrition and in RA research, examining the possible influences of some nutrients and nutritional patterns on RA pathogenesis, following a nutrigenomics approach. The opportunities and challenges of novel ‘omics technologies’ in the exploration of new avenues in RA and nutritional research to prevent and manage RA will be also discussed.

초록

현대 고효율 ‘오믹스’ 과학 도구(유전체학, 전사체학, 단백체학, 대사체학, 미생물체학 등)는

현재 영양학 분야에 적용되어 인간에게

특정 영양소가 미치는 건강 효과의 근본적 메커니즘을 규명하고

더 정확한 영양 조언을 제공하기 위해 활용되고 있습니다.

식이와 식품 성분은

유전체, 전사체, 단백체, 대사체 및 미생물군집과 상호작용하는 주요 환경 요인으로,

이 평생에 걸친 상호작용이 개인의 건강 및 질병 상태를 결정합니다.

류마티스 관절염(RA)은

유전적으로 취약한 개인이 환경적 유발 요인(식이를 포함)에 노출될 때 발생하는

만성 자가면역 질환으로,

전신적인 면역-염증 반응이 특징입니다.

최근 연구 결과는

영양 요인과 장 미생물이 RA 위험 및 진행에 중심적인 역할을 한다는 것을

제시했습니다.

이 리뷰의 목적은

인간 영양 및 RA 연구에서 ‘오믹스’ 기술의 주요 및 최신 적용 사례를 요약하고,

영양소 및 영양 패턴이 RA 병리 발생에 미치는 가능성 있는 영향을

영양유전체학 접근법을 통해 검토하는 것입니다.

RA 및 영양 연구에서

RA 예방 및 관리의 새로운 길을 탐구하는 데 있어

새로운 '오믹스 기술'의 기회와 도전 과제 또한 논의될 것입니다.

Keywords: rheumatoid arthritis, diet, nutrigenomics, proteomics, metabolomics, microbiome, microbiomics

1. Introduction

Recent advances in high-throughput/high-content techniques have led to a new framework in biomedical research, the so-called ‘Omics era’, which combines the opportunity to gather great amounts of data and details at the molecular level together with the evolution of new computational models and statistical tools that are able to analyze and filter such data. Then, progresses in next generation sequencing (NGS), high-throughput platforms, mass-spectrometry and bioinformatic equipment, enabled the synchronous extensive study of thousands of genes (genomics), epigenetic factors (epigenomics), RNA (transcriptomics), metabolites (metabolomics) proteins (proteomics), and human-microbiota (microbiomics), with the potential of combining diverse categories of ‘omics’ data (‘multi-omics’ or ‘system biology’). Those novel ‘omics’ approaches and techniques have revolutionized the study of complex human diseases, providing an unparalleled genome-wide view of genetic variation, gene expression‎, interaction with microbiota, and environmentally responsive epigenetic changes [1,2,3]. Moreover, nutritional research has shifted from traditional physiology and epidemiology to molecular genetics and biology. Applications of the above mentioned ‘omics’ facilitated molecular nutrition understanding. Pursuing this course, nutrigenomics has developed as a pluridisciplinary research field in nutrition-science that intends to clarify how nutrition can affect human health. While the first meaning of nutrigenomics concerned only with studies on nutrients or bioactive food compounds influencing gene expression‎ of a person, currently, this definition has been extended and, in recent times, nutrigenomics refers to the employment of transcriptomics, genomics, proteomics, metabolomics and epigenomics to find out and elucidate the existing mutual relations between genes and nutrients at a molecular level, also encompassing nutrigenetic studies exploring the relationships between genetic variants and diet in modulating disease risk [4]. In this review, we use the term “nutrigenomics” in its broadest definition. Rheumatoid arthritis (RA) is a persistent inflammatory autoimmune disorder which affects roughly 1% of the global population. It is characterized by extensive synovitis, systemic inflammation and various degrees of cartilage and bone erosion. Multiple genetic and environmental factors, including modifiable lifestyle factors such as cigarette smoking and dietary habits have been linked with an increased risk for RA. Cumulative evidences suggested that nutrition has a central role in RA risk and progression [5,6]. It is already widely-known that bioactive food components can interact with genes impacting transcription factors, protein expression‎, metabolite production and microbiota. On the other hand, the genetic makeup of the single person can delineate the nutritional state, metabolic responses, and predisposition to diet-associated health disorders. Research in this field can help us to comprehend why some people respond differently from others to the same foods, beverages and supplements. Recent evidence has shown that the host microbiota, and especially the intestinal microbiota, play a central role in the onset and progression of several diseases, including RA [7,8]. Accelerated progress of high-throughput molecular technologies has allowed to conduct meticulous studies of the microbiota in humans, exploring the biological signatures that are connected with definite illnesses, environmental conditions, or pharmacological/nutritional interventions [9,10,11,12,13]. Nutrition is the main modulator of bacterial composition and abundance in the gastrointestinal tract, suggesting the opportunities for therapeutic nutritional approaches to manipulate microbiota composition and diversity [14,15]. Nutrigenomics and nutritional microbiomics approaches have received increasing attention and are currently being used to study respectively the mutual interactions between food and genes and between diet and microbiota in several diseases including cancer [16,17], cardiovascular [18,19], metabolic [20], and autoimmune diseases [21,22,23,24] in order to enable their better understanding, prevention and treatment through optimization of individuals’ dietary intakes.

Despite important research advancements and clinical improvements, RA still represents a public health challenge, in terms of both epidemiological and economic burden: many patients still experience premature work disability, co-morbidities, and important adverse effects caused by medications. Although with availability of several disease-modifying antirheumatic drugs and biologic therapies the outcomes for patients with RA have significantly improved, RA remains a long-standing condition for which there is currently no effective cure [25]. Extensive use of the ever expanding, novel ‘omics’ technologies will facilitate both the understanding of RA pathogenesis and the identification and modification of nutritional-related risk factors, allowing to establish a prevention strategy for RA in susceptible population as well as to complement the present treatment strategies for a better disease management. The combined-use of several ‘omics’ technologies will also enable the discovery of novel biomarkers related with specific food or dietary intake, greatly facilitating human nutritional studies. After presenting an overview of the most recent genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, epigenomics, and microbiomics approaches and their implementation within human nutrition research, in this paper we review the role of ‘omics’ technologies in elucidating the pathogenesis of RA and the possible influence of some nutrients, food bioactive compounds, nutritional patterns and microbiota on RA pathogenesis.

The aim of this review is to present the main novel ‘omics’ approaches and their current and possible future application in RA and nutrition research, with the ultimate goal to promote a human-relevant nutrigenomics approach to RA for disease prevention and better disease management. The opportunities and challenges of novel ‘omics technologies’ will be also discussed.

Literature search was conducted using PubMed (between August–November 2020) and different combinations of search terms and Boolean operators (see Supplementary Table S1). Only human-based studies (e.g., observational and interventional studies in RA and inflammation) were reviewed.

1. 서론

고속/고내용 기술의 최근 발전은

분자 수준에서 대규모 데이터와 세부 정보를 수집할 수 있는 기회를 제공하며,

새로운 계산 모델과 통계 도구의 진화와 결합되어

생물의학 연구에 새로운 틀을 제시했습니다.

이를

'오믹스 시대'라고 합니다.

또한

차세대 시퀀싱(NGS) - 유전체 dna, rna 서열을 빠르게 분석하는 법,

고효율 플랫폼,

질량 분석법 및 생물정보학 장비의 발전은

수천 개의 유전자(유전체학),

에피제네틱 요인(에피유전체학),

RNA(전사체학),

대사체(대사체학),

단백질(단백체학),

인간-미생물군집(미생물체학)을 동시에 광범위하게 연구할 수 있게 했으며,

다양한 ‘오믹스’ 범주를 결합한 ‘멀티오믹스’ 또는 '시스템 생물학'이라는

새로운 데이터 통합 접근법을 가능하게 했습니다.

next generation sequencing (NGS), high-throughput platforms,

mass-spectrometry and bioinformatic equipment,

enabled the synchronous extensive study of thousands of

genes (genomics),

epigenetic factors (epigenomics),

RNA (transcriptomics),

metabolites (metabolomics)

proteins (proteomics), and

human-microbiota (microbiomics),

with the potential of combining diverse categories of ‘omics’ data (‘multi-omics’ or ‘system biology’)

데이터(‘다중 오믹스’ 또는 ‘시스템 생물학’)를

결합할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

이러한 새로운 ‘오믹스’ 접근법과 기술은

복잡한 인간 질환 연구를 혁신적으로 변화시켰으며,

유전적 변이, 유전자 발현, 미생물군집과의 상호작용, 환경에 반응하는 에피게노믹스 변화에 대한

전례 없는 유전체 수준 관점을 제공했습니다[1,2,3].

또한 영양 연구는

전통적인 생리학과 역학에서 분자 유전학과 생물학으로 전환되었습니다.

위에서 언급된 '오믹스'의 응용은

분자 영양학 이해를 촉진했습니다.

이 방향을 이어가며,

영양유전체학은 영양학 분야에서

다학제적 연구 분야로 발전해 인간 건강에 영양소가 미치는 영향을

명확히 밝히는 것을 목표로 합니다.

초기에는 영양유전체학이

개인의 유전자 발현에 영향을 미치는 영양소나 생물활성 식품 성분에 대한 연구에만 초점을 맞췄지만,

현재 이 정의는 확장되어 최근에는

전사체학, 유전체학, 프로테오믹스, 대사체학 및 에피게노믹스를 활용하여

유전자와 영양소 간의 상호 관계를 분자 수준에서 발견하고 규명하는 것을 포함하며,

유전적 변이와 식이 요인이 질병 위험을 조절하는 데 미치는 영향을 탐구하는

영양유전학 연구도 포함됩니다 [4].

이 리뷰에서는 '영양유전학'이라는 용어를 가장 넓은 의미로 사용합니다.

류마티스 관절염(RA)은

전 세계 인구의 약 1%를 영향을 미치는 만성 염증성 자가면역 질환입니다.

이 질환은

광범위한 활막염, 전신 염증, 연골 및 뼈의 다양한 정도의 침식 등으로 특징지어집니다.

흡연 및 식습관과 같은 조절 가능한 생활 방식 요인을 포함한

다양한 유전적 및 환경적 요인이

RA 위험 증가와 연관되어 있습니다.

누적된 증거는

영양소가 RA 위험 및 진행에 중심적인 역할을 한다는 것을 시사합니다 [5,6].

생물활성 식품 성분이 유전자와 상호작용하여

전사 인자, 단백질 발현, 대사체 생산 및 미생물군집에 영향을 미칠 수 있다는 것은

이미 널리 알려져 있습니다.

반면,

개인의 유전적 구성은

영양 상태, 대사 반응, 식이 관련 건강 장애에 대한 취약성을 결정할 수 있습니다. '

이 분야의 연구는

동일한 음식, 음료, 보충제에 대해 사람들이

왜 다르게 반응하는지 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

최근 연구는

호스트 미생물군, 특히 장내 미생물군이

RA를 포함한 여러 질환의 발병과 진행에 중심적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다 [7,8].

고속 분자 기술의 급속한 발전은

인간 미생물군집에 대한 세밀한 연구를 가능하게 했으며,

특정 질환, 환경 조건, 약물/영양 개입과 연관된 생물학적 지표를 탐구하는 데 기여했습니다 [9,10,11,12,13].

영양은

위장관 내 세균 구성과 풍부도의 주요 조절인자로,

미생물군집 구성과 다양성을 조작하기 위한 치료적 영양 접근법의 가능성을 제시합니다 [14,15].

영양유전체학(nutrigenomics)과

영양 미생물학(nutritional microbiomics) 접근법은

각각 음식과 유전자 간의 상호작용, 식이와 미생물군집 간의 상호작용을 연구하기 위해

암[16,17], 심혈관[18,19], 대사[20], 자가면역 질환[21,22,23,24] 등

다양한 질환에서 주목받고 있으며,
개인의 식이 섭취 최적화를 통해 이러한 질환의 이해, 예방, 치료를 개선하는 데 활용되고 있습니다.

중요한 연구 진전과 임상적 개선에도 불구하고, RA는 역학적 및 경제적 부담 측면에서 여전히 공중 보건 문제로 남아 있습니다: 많은 환자가 조기 직업 장애, 동반 질환, 약물 유발 부작용을 경험합니다. 여러 질병 수정 항류마티스 약물과 생물학적 치료제가 사용 가능함에도 불구하고, RA는 현재 효과적인 치료법이 없는 만성 질환으로 남아 있습니다 [25].

지속적으로 확장되는 새로운 ‘오믹스’ 기술의 광범위한 활용은 RA 병리 메커니즘의 이해와 영양 관련 위험 요인의 식별 및 수정, 취약 인구 집단에서의 RA 예방 전략 수립, 현재 치료 전략 보완을 통해 질병 관리 개선을 가능하게 할 것입니다. 여러 ‘오믹스’ 기술의 결합된 활용은 특정 식품 또는 식이 섭취와 관련된 새로운 바이오마커 발견을 크게 촉진하여 인간 영양 연구를 지원할 것입니다.

이 논문에서는 인간 영양 연구에서 적용된

최신 유전체학, 전사체학, 단백체학, 대사체학, 에피게노믹스, 미생물체학 접근법과

그 적용 사례를 개괄적으로 소개한 후,

‘오믹스’ 기술이 RA 병리 메커니즘 규명 및 일부 영양소,

식품 생체활성 성분, 영양 패턴, 미생물군집이 RA 병리 메커니즘에 미치는

가능성 있는 영향에 대한 역할을 검토합니다.

이 리뷰의 목적은

RA 및 영양 연구에서 주요 새로운 ‘오믹스’ 접근법과

그 현재 및 미래 적용 가능성을 제시하는 것입니다.

궁극적인 목표는

RA의 질병 예방과 더 나은 질병 관리를 위해

인간 관련 영양유전체학 접근법을 촉진하는 것입니다.

새로운 ‘오믹스’ 기술의 기회와 도전 과제 또한 논의될 것입니다.

문헌 검색은 PubMed(2020년 8월~11월)를 사용하여 다양한 검색어 조합과 부울 연산자(보충 자료 표 S1 참조)를 활용해 진행되었습니다. 인간을 대상으로 한 연구(예: RA 및 염증에 대한 관찰 연구 및 개입 연구)만 검토되었습니다.

2. Applications of ‘Omics’ Approaches and Technologies within Nutritional Research

A crucial goal of nutritional research is to establish the role of nutrition in metabolic control and to boost health. Nutrition and health correlations have been classically explained in terms of energetic and structural necessity of the body, as assured by nutrients. Nevertheless, foods also include several secondary biologically active non-nutrient compounds which can also help in the prevention and even in the treatment of various chronic diseases. In fact many epidemiological studies have shown a correlation between nutrition and the incidence of different disorders, in particular type 2 diabetes [26,27], cardiovascular diseases [28,29,30], cancer [31,32,33,34], neurodegenerative disorders [35,36], and RA [5,37,38]. However, the understanding of the exact components and the mechanisms underlying their supposed beneficial or detrimental effects is still insufficient. Newly introduced modern high throughput ‘omics’ approaches are greatly contributing to the elucidation of the connections between dietary exposure and health at the molecular level [39,40]. Genomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics are four main platforms of comprehensive ‘omics’ approach in nutritional science. They respectively investigate the whole set of DNA, RNA, proteins and metabolites in a cell, tissue or entire organism. The start of the 21st century was featured by prompt progress in high-throughput technologies, high-content- and single-cell approaches, mass spectrometry, bioinformatics, and computing capacities. These tools are widely used in an effort to identify molecular events implicated in the health effects of nutritional components or in diet-related diseases [41]. Nutrigenetics is the science that detects and describes gene variants linked with differential response to nutrients and relating this variation to different disease states. Next generation sequencing (NGS), also known as ‘second-generation sequencing’, makes it possible to read the code of great amounts of small fragments of DNA or RNA in parallel, enabling more rapid sequencing with higher throughput at dropping costs. Genome-wide association studies together with NGS have contributed to identify novel genomic variants (for e.g., genetic polymorphisms) with the aim of understanding complex disease pathobiology as well as examining the influences of dietary exposure and genetic variants in humans. The integration of genetic polymorphisms into nutritional epidemiological studies has allowed to tackle several limitations intrinsic in such studies, such as genetic variability affecting either the absorption, biotransformation, metabolism, distribution or elimination of a nutrient or bioactive food compound [42,43]. One example of how nutrigenomics and NGS technologies has been employed to elucidate the involvement of precise dietary factors results from an investigation on coffee and heart disease [44]. Numerous studies had examined this relationship and deduced that coffee either decreases risk, has no impact, or increases risk [45]. Even tough coffee is a complex mixture consisting of a large amount of bioactive compounds, it is an important source of caffeine and it has always been recognized that caffeine might be particularly deleterious for the cardiovascular system. Caffeinated-coffee was found to increase the risk of heart infarction among persons who carry a gene variant that makes them ‘slow’ caffeine metabolizers, but do not affect individuals who are ‘fast’ caffeine metabolizers [46]. NGS and omics-based readouts applied to nutrigenetics, will give crucially significant information that will support clinicians in ensuring the optimal diet for a particular individual, namely personalized nutrition.

Transcriptomics studies have become routine, thanks to technologies such as real-time-PCR and robust microarrays. Moreover, RNA sequencing has developed as a robust alternative for transcriptome investigation as it is covering wider spectrum of RNAs ensuring more useful information [47,48]. Transcriptomics analysis provides opportunities to investigate the transcriptome at a given nutritional condition, affording a comprehensive view of intracellular RNA expression‎ [49]. For example, transcription profiling has been widely applied to assess the possible effects of anthocyanins, pigments naturally occurring in many comestible vegetables and fruits, on obesity associated gene expression‎ in human adipocytes [50] and also for exploring the potentialities of gene expression‎ profiling in blood to investigate the influences of nutritional exposure in human intervention studies [51]. Nutri-miromics explores the impact of diet on gene expression‎ as a result of epigenetic processes related to microRNAs (miRNAs), which may influence the risk for the development of chronic diseases, including RA [52,53]. MiRNAs are small non-coding endogenous RNA molecules that functions in post-transcriptional regulation of gene expression‎ by causing mRNA degradation or translational suppression through binding to a target messenger RNA. They may be regulated by environmental and nutritional factors, mainly by single nutrients or bioactive food components [54], suggesting that diet manipulation may have the potential to serve as a therapeutic approach in controlling the risk of chronic diseases. It has been suggested that miRNAs not only are synthesized endogenously, but also might be acquired from diet [55]. Although such subject is still debated, it has been proposed that exogenous miRNAs may modulate serum miRNAs profiles possibly influencing biological processes [56]. Next-generation sequencing and omics-based analyses provides a powerful tool to identify dietary miRNAs as well as to understand the complex crosstalk between nutrition, miRNAs, gene targets, and human health and disease [57]. Extensive availability of NGS and ‘multi-omics’ technologies has allowed genome-wide clarification of the epigenomic makeup in dozens of cell types, throughout developmental times, in several species, including humans [58].

Nutritional epigenomics deals with assessing the influence of nutrition and bioactive food compounds on global epigenetic mechanisms that regulate gene activity and expression‎, for e.g., DNA methylation, histone modifications (histone methylation, acetylation, and phosphorylation), chromatin remodelling, and noncoding RNAs. Epigenetic mechanisms have been implicated in pathogenesis of several diseases, including autoimmune conditions [59,60,61,62,63]. Since nutrition is among the most significant environmental factors influencing the epigenetic profile, nutritional-epigenomics powered by novel technologies is emerging as a promising approach in nutritional research and for personalized nutrition [64]. In the past few years, new technologies that allow to sequence longer strands of nucleic acids by reading single DNA or RNA molecules have made progress and become more eminent [65]. These technologies, which can also be called ‘long-read sequencing’ or ‘third generation sequencing’, together with the development in bioinformatics equipment and single-cell sequencing methodods, will allow to decipher human genome, transcriptome, microbiome and epigenome to a greater depth [66,67,68,69,70]. These technologies are already being successful applied in nutritional sciences to investigate, for e.g., the effect of dietary interventions on human microbiome [71].

Metabolomics is referred to the study of the overall metabolites set or small molecules (metabolome) present in biological samples. Conventionally, Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Proton Nuclear Magnetic Resonance (1HNMR) Spectroscopy, and Mass Spectrometry (MS) have represented the principal technologies employed in metabolomics studies. Progress in these tools, in particular Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Time Of Flight (MALDI-TOF), Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS), and Fourier transform ion cyclotron resonance MS, along with new approaches for compound identification [72] have opened numerous opportunities for quantitative, non-invasive analysis for metabolites in human-body fluids and tissues as well as changes thereon in response to diet. Nutritional metabolomics has emerged as high-performance and sensitive method for the identification and characterization of biochemical pathways [73]. Moreover, it has been used in several studies for assessing metabolite profiles as a result of specific dietary intake [74,75,76,77] and several metabolic perturbations were detected. To refine the assessment of a person’s food intake, and therefore elucidate suggested correlations between diet and disease, relevant and accurate dietary eval‎uation methods are crucial. Dietary biomarkers have arisen as a complementary tool to the conventional methods in nutrition studies, and in the few past years, metabolomics has established as an important approach for the identification of new dietary biomarkers [78]. Proteomics is the large-scale, high-throughput study of the expression‎, structure, function, modifications, and interactions of proteins, within a biofluid or tissue sample. A broad spectrum of different approaches and methods are being utilized for proteomic studies, particularly microarray-based tools, mass-spectrometry, nuclear-magnetic resonance, and the most modern single-cell and high-sensitivity protein analyses [79,80,81]. Nutritional proteomics or nutriproteomics harnesses proteomics technologies to identify molecular and cellular variations in protein expression‎ and function on a comprehensive level as well as eval‎uating the interaction of proteins with food components. Food components may interact with endogenous proteins inducing post-translational modifications and modulating their original functions. The characterization of such modifications will allow a better understanding of the interplay between bioactive dietary components and diet-related diseases [82,83]. For e.g., nutriproteomics could help in elucidating the possible relationships between food antigens and autoimmune disorders [84]. Tsuda et al. (2015) have demonstrated that monoclonal autoantibodies derived from RA patients cross-react not only with various autoantigens but also with numerous food proteins. The authors proposed that such dietary proteins may trigger the generation of RA-specific autoantibodies to induce autoimmunity in at risk individuals [85]. Interestingly, it has been also hypothesized that chemical alterations of food proteins by different toxic agents in food may lead to immune reaction against altered food proteins that cross-react with tissue antigens, causing autoimmune reactions [84]. Understanding the possible link between specific food consumption and autoimmunity in humans may lead to prevention of autoimmune diseases through precise dietary advices in at risk individuals. From birth, humans interact and coevolve with trillions of microbes residing in most body surfaces and cavities, referred to as the human microbiota. Advances in ‘omics’ technologies and computational methods have driven the investigation of the microbiota’s contribution to human health and disease, led by massive efforts such as the Human Microbiome Project and the Europe-based MetaHit Consortium [86].

Microbiomics is an emerging rapidly-growing field in which all the microbes of a particular community (for e.g., gut microbiota) are analyzed together, harnessing ‘omics’ approaches and technologies, including metagenomics, metatranscriptomics, metaproteomics and metabolomics. These technologies, which investigate respectively the collective genome, transcriptome, proteome, and metabolome of microorganisms from a sample (e.g., human stools or saliva), are providing information concerning the structure and function of the entire microbial community as well as the identification and assessment of regulatory and metabolic machinery by which host and microbes interact among themselves to determine a healthy or diseased state in the human host [87]. Every single microbial genus in the gut comprises numerous species and strains that may harbour important dissimilarities in their genomes and functional characteristics and it has been documented that strain-level diversity may result in inconsistencies in genus and species associations with dietary interventions, health or disease [88,89]. Our data frequently are based on a genus- or species-level taxonomic allocations that, even if helpful, may not be adequate for an exhaustive comprehension of the complex relations between the gut microbiome, diet and human health. As sequencing technologies continue to evolve, novel strain-level understandings can be achieved in the study of the relationships between gut microbiota, diet and human health [90]. Microbiome composition has been linked to disease also by way of modulation of diet-derived specific metabolites and signaling pathways [91,92]. Thus, nutritional microbiomics and metabolomics studies hold promise for the discovery of pathways linked to disease processes. Nutritional microbiomics is a promising approach to investigate the interaction between diet and gut microbiota and the potential of modulating these interactions for the prevention of human diseases [93]. Major ‘omics’ approaches and emerging technologies already employed for nutritional research are overviewed in Table 1.

2. 영양 연구 내 ‘오믹스’ 접근법 및 기술의 적용

영양 연구의 핵심 목표는 영양소가 대사 조절에 미치는 역할을 확립하고 건강을 증진하는 것입니다. 영양과 건강의 상관관계는 전통적으로 영양소가 제공하는 에너지 및 구조적 필요성에 의해 설명되어 왔습니다.

그러나 식품에는 다양한 생물학적 활성을 가진 비영양소 화합물이 포함되어 있으며, 이는 다양한 만성 질환의 예방 및 치료에 도움을 줄 수 있습니다. 실제로 많은 역학 연구는 영양과 다양한 질환의 발생률 사이의 상관관계를 보여주었으며, 특히 제2형 당뇨병 [26,27], 심혈관 질환 [28,29,30], 암 [31,32,33,34], 신경퇴행성 질환 [35,36], 및 RA [5,37,38]에서 이러한 상관관계가 관찰되었습니다. 그

러나 이러한 성분의 정확한 구성 요소와 그 유익하거나 유해한 효과의 메커니즘에 대한 이해는 여전히 부족합니다. 최근 도입된 현대적인 고효율 ‘오믹스’ 접근법은 식이 노출과 건강 사이의 관계를 분자 수준에서 규명하는 데 크게 기여하고 있습니다[39,40].

유전체학, 전사체학, 단백체학, 대사체학은

영양 과학에서 포괄적인 ‘오믹스’ 접근법의 네 가지 주요 플랫폼입니다.

이들은

각각 세포, 조직 또는 전체 유기체 내의 DNA, RNA, 단백질, 대사물의

전체 세트를 조사합니다.

21세기 초반은

고효율 기술, 고내용 및 단일 세포 접근법, 질량 분석법, 생물정보학, 계산 능력의 급속한 발전으로 특징지어졌습니다.

이러한 도구들은

영양 성분의 건강 효과나 식이 관련 질환에 관여하는 분자적 사건을 식별하기 위해

널리 활용되고 있습니다 [41].

영양유전학은

영양소에 대한 차등 반응과 관련된 유전자 변이를 탐지하고 설명하며,

이 변이를 다양한 질병 상태와 연관시키는 과학입니다.

차세대 시퀀싱(NGS)은 '제2세대 시퀀싱'으로도 알려져 있으며,

DNA 또는 RNA의 작은 조각을 동시에 대량으로 읽을 수 있어 비용이 감소하면서

더 빠르고 높은 처리량으로 시퀀싱이 가능합니다.

전장 유전체 연관 연구(GWAS)와 NGS의 결합은

복잡한 질병의 병리생물학을 이해하고

인간에서 식이 노출과 유전적 변이체의 영향을 조사하기 위해

새로운 유전적 변이체(예: 유전적 다형성)를 식별하는 데 기여했습니다.

유전적 다형성을 영양 역학 연구에 통합함으로써,

영양소나 생물활성 식품 성분의 흡수, 생체변환, 대사, 분포, 배설 등에 영향을 미치는

유전적 변이성이라는 연구 내재적 한계를 극복할 수 있게 되었습니다 [42,43].

영양유전체학과 NGS 기술이

정확한 식이 요인의 역할을 규명하는 데 활용된 사례로는

커피와 심장 질환에 대한 연구가 있습니다 [44].

수많은 연구가 이 관계를 조사했으며, 커피가 위험을 감소시키거나, 영향을 미치지 않거나, 위험을 증가시킨다는 결론을 내렸습니다[45]. 커피는 생물활성 화합물이 풍부한 복잡한 혼합물이지만, 카페인의 중요한 공급원이며, 카페인이 심혈관 시스템에 특히 유해할 수 있다는 점은 항상 인정되어 왔습니다. 카페인 함유 커피는 카페인 대사 속도가 느린 유전자 변이체를 가진 개인의 심근경색 위험을 증가시키지만, 카페인 대사 속도가 빠른 개인에게는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다 [46].

영양유전학에 적용된 NGS 및 오믹스 기반 분석은

임상가가 특정 개인에게 최적의 식단을 보장하는 데

필수적인 정보를 제공할 것입니다.

즉,

개인 맞춤형 영양을 실현하는 데

기여할 것입니다.

전사체학 연구는

실시간 PCR과 강력한 마이크로어레이 기술 덕분에 일상화되었습니다.

또한 RNA 시퀀싱은 더 넓은 범위의 RNA를 포괄하여 더 유용한 정보를 제공하기 때문에 전사체 연구의 강력한 대안으로 발전했습니다 [47,48]. 전사체학 분석은 특정 영양 조건 하에서의 전사체를 조사할 기회를 제공하며, 세포 내 RNA 발현의 포괄적인 관점을 제공합니다 [49]. 예를 들어, 전사 프로파일링은 많은 식용 채소와 과일에 자연적으로 존재하는 안토시아닌이 인간 지방세포의 비만 관련 유전자 발현에 미치는 가능성 있는 영향을 평가하는 데 널리 적용되었습니다[50]. 또한 인간 개입 연구에서 영양 노출의 영향을 조사하기 위해 혈액에서의 유전자 발현 프로파일링의 잠재성을 탐구하는 데도 활용되었습니다[51].

Nutri-miromics는

마이크로RNA(miRNA)와 관련된 에피게노믹스 과정으로 인한 식이 요인이 유전자 발현에 미치는 영향을 탐구하며,

이는 류마티스 관절염(RA)을 포함한

만성 질환 발병 위험에 영향을 미칠 수 있습니다[52,53].

miRNA는

mRNA 분해나 번역 억제를 통해 표적 메신저 RNA에 결합함으로써

유전자 발현의 후전사적 조절에 기능하는 작은 비코딩 내인성 RNA 분자입니다.

이들은 환경적 및 영양적 요인,

특히 단일 영양소나 생물활성 식품 성분에 의해 조절될 수 있습니다[54],

이는 식이 조절이

만성 질환 위험을 통제하는 치료적 접근법으로

활용될 수 있음을 시사합니다.

미세RNA는 내인성으로 합성될 뿐만 아니라 식이로부터 획득될 수 있다는 제안이 있습니다 [55]. 이러한 주제는 여전히 논쟁 중이지만, 외인성 미세RNA가 혈청 미세RNA 프로파일을 조절하여 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있다는 제안이 제기되었습니다 [56]. 차세대 시퀀싱 및 오믹스 기반 분석은 식이 miRNA를 식별하고 영양, miRNA, 유전자 표적, 인간 건강 및 질병 간의 복잡한 상호작용을 이해하는 강력한 도구를 제공합니다 [57]. NGS 및 ‘멀티-오믹스’ 기술의 광범위한 가용성은 인간을 포함한 여러 종의 수십 가지 세포 유형에서 발달 단계 전반에 걸쳐 에피게노믹 구성의 전장 해명을 가능하게 했습니다 [58].

영양 에피게노믹스는 영양 및 생물활성 식품 성분이 유전자 활동 및 발현을 조절하는 전장 에피게노믹 메커니즘에 미치는 영향을 평가하는 분야입니다. 예를 들어 DNA 메틸화, 히스톤 변형(히스톤 메틸화, 아세틸화, 인산화), 크로마틴 재구성, 비코딩 RNA 등이 포함됩니다. 에피게노믹 메커니즘은 자가면역 질환을 포함한 여러 질환의 병리 발생에 관여하는 것으로 알려져 있습니다 [59,60,61,62,63]. 영양은 에피제네틱 프로파일에 영향을 미치는 가장 중요한 환경 요인 중 하나이므로, 새로운 기술을 활용한 영양-에피제노믹스는 영양 연구 및 맞춤형 영양 분야에서 유망한 접근법으로 부상하고 있습니다 [64]. 최근 몇 년간 단일 DNA 또는 RNA 분자를 읽어서 더 긴 핵산 사슬을 시퀀싱할 수 있는 새로운 기술이 발전하고 주목받고 있습니다 [65]. 이 기술들은 ‘장독자 염기서열 분석’ 또는 '제3세대 염기서열 분석'이라고도 불리며, 생물정보학 장비와 단일 세포 염기서열 분석 방법의 발전과 결합되어 인간 유전체, 전사체, 미생물군집, 에피게놈을 더 깊이 이해하는 데 기여할 것입니다 [66,67,68,69,70]. 이러한 기술은 이미 영양학 분야에서 성공적으로 적용되어, 예를 들어 식이 개입이 인간 미생물군집에 미치는 영향을 조사하는 데 활용되고 있습니다 [71].

대사체학은 생물학적 시료에 존재하는 전체 대사체 세트 또는 소분자(대사체)를 연구하는 분야입니다. 전통적으로 핵자기공명(NMR), 프로톤 핵자기공명(1HNMR) 분광법, 및 질량 분광법(MS)이 대사체학 연구에서 주로 사용된 주요 기술이었습니다. 이러한 도구들의 발전, 특히 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 시간 비행(MALDI-TOF), 이차 이온 질량 분광법(SIMS), 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 MS, 그리고 화합물 식별을 위한 새로운 접근법[72]은 인간 체액 및 조직 내 대사체 및 식이 변화에 따른 그 변화의 정량적, 비침습적 분석에 수많은 기회를 열어주었습니다. 영양 대사체학은 생화학적 경로의 식별 및 특성화에 대한 고성능 및 고감도 방법으로 부상했습니다[73]. 또한 특정 식이 섭취에 따른 대사체 프로파일 평가[74,75,76,77]에 사용되었으며, 여러 대사 장애가 탐지되었습니다. 개인의 식이 섭취 평가를 정교화하고 따라서 식이와 질병 간의 제안된 상관관계를 규명하기 위해 관련성 있고 정확한 식이 평가 방법이 필수적입니다. 식이 생물표지자는 영양 연구에서 전통적인 방법의 보완 도구로 등장했으며, 최근 몇 년간 대사체학은 새로운 식이 생물표지자 식별을 위한 중요한 접근법으로 자리 잡았습니다 [78]. 프로테오믹스는 생체액 또는 조직 샘플 내 단백질의 발현, 구조, 기능, 변형, 상호작용을 대규모로 고효율로 연구하는 분야입니다. 프로테오믹스 연구에는 마이크로어레이 기반 도구, 질량 분석법, 핵자기공명, 최신 단일 세포 및 고감도 단백질 분석법 등 다양한 접근법과 방법이 활용되고 있습니다 [79,80,81]. 영양 프로테오믹스 또는 영양 프로테오믹스는 프로테오믹스 기술을 활용하여 단백질 발현 및 기능의 분자적·세포적 변이를 포괄적으로 식별하고 단백질과 식품 성분 간의 상호작용을 평가합니다. 식품 성분은 내인성 단백질과 상호작용하여 포스트트랜스레이셔널 변형을 유도하고 원래 기능을 조절할 수 있습니다. 이러한 변형의 특성은 생물활성 식이 성분과 식이 관련 질환 간의 상호작용을 이해하는 데 기여할 것입니다 [82,83].

예를 들어, 영양 단백질체학은 식품 항원과 자가면역 질환 간의 가능한 관계를 규명하는 데 도움을 줄 수 있습니다 [84]. Tsuda 등(2015)은 류마티스 관절염(RA) 환자로부터 유래된 단일클론 자가항체가 다양한 자가항원뿐만 아니라 수많은 식품 단백질과 교차 반응함을 입증했습니다. 저자들은 이러한 식이 단백질이 위험군 개인에서 RA 특이적 자가항체 생성을 유발해 자가면역 반응을 일으킬 수 있다고 제안했습니다 [85]. 흥미롭게도, 식품 내 다양한 독성 물질에 의한 식품 단백질의 화학적 변형이 변형된 식품 단백질과 조직 항원과의 교차반응을 통해 자가면역 반응을 유발할 수 있다는 가설도 제기되었습니다 [84]. 특정 식품 섭취와 인간에서의 자가면역 질환 간의 가능성 있는 연관성을 이해하는 것은 위험군 개인에게 정확한 식이 권고를 통해 자가면역 질환 예방으로 이어질 수 있습니다. 출생부터 인간은 대부분의 신체 표면과 구멍에 거주하는 수조 개의 미생물과 상호작용하며 공진화해 왔으며, 이를 인간 미생물군집이라고 합니다. ‘오믹스’ 기술과 계산 방법의 발전은 인간 미생물군의 건강과 질병에 대한 기여를 조사하는 연구를 촉진했으며, 인간 미생물군 프로젝트(Human Microbiome Project)와 유럽 기반 메타히트 컨소시엄(MetaHit Consortium)과 같은 대규모 노력에 의해 주도되었습니다 [86].

미생물체학은 특정 커뮤니티(예: 장 미생물군집)의 모든 미생물을 함께 분석하는 신흥 분야로, 메타게노믹스, 메타트랜스크립토믹스, 메타프로테오믹스, 대사체학 등 ‘오믹스’ 접근법과 기술을 활용합니다. 이 기술들은 각각 샘플(예: 인간 분변이나 타액)에서 미생물의 집단 유전체, 전사체, 단백체, 대사체를 조사하며, 미생물 공동체의 구조와 기능에 대한 정보를 제공할 뿐만 아니라 호스트와 미생물이 상호작용하여 인간 호스트의 건강한 상태나 질병 상태를 결정하는 조절 및 대사 기전의 식별과 평가에도 기여하고 있습니다[87]. 장 내의 모든 미생물 속은 수많은 종과 균주로 구성되어 있으며, 이들 사이에는 유전체 및 기능적 특성에서 중요한 차이가 있을 수 있습니다. 또한 균주 수준 다양성이 식이 개입, 건강 또는 질병과의 연관성에서 속 및 종 수준 연관성의 불일치를 초래할 수 있다는 것이 보고되었습니다 [88,89]. 우리의 데이터는 종종 속 또는 종 수준 분류에 기반을 두고 있으며, 이는 유용할 수 있지만 장 미생물군집, 식이요법 및 인간 건강 간의 복잡한 관계를 완전히 이해하는 데는 충분하지 않을 수 있습니다. 시퀀싱 기술이 계속 발전함에 따라 장 미생물군집, 식이요법, 인간 건강 간의 관계 연구에서 균주 수준 이해가 가능해지고 있습니다[90]. 미생물군집 구성은 식이유래 특정 대사물과 신호전달 경로의 조절을 통해 질병과 연관되어 있습니다[91,92]. 따라서 영양 미생물학 및 대사체학 연구는 질병 과정과 연관된 경로 발견에 잠재력을 가지고 있습니다. 영양 미생물학은 식이와 장내 미생물군집 간의 상호작용을 조사하고 이러한 상호작용을 조절하여 인간 질병 예방의 잠재력을 탐구하는 유망한 접근 방식입니다 [93]. 영양 연구에 이미 적용된 주요 ‘오믹스’ 접근 방식과 신기술은 표 1에 요약되어 있습니다.

Table 1.

Examples of ‘omics’ approaches and emerging technologies employed in nutritional research. Five major categories and their subcategories are shown.

ApproachSubcategoryTargetsTechniquesReferences

Genomics	Genomics	Genes (DNA sequence)	Second generation: Illumina; SOLID; Ion Torrent. Third generation: PacBio; SMRT-seq; Illumina Tru-seq Synthetic Long-Read technology; Oxford Nanopore Technologies sequencing platform	[65,94]
	Epigenomics	Modification of DNA and DNA- binding proteins	Whole-genome bisulfite sequencing (for DNA Methylation Analysis); ChIP-seq (for DNA–Protein Interaction Analysis); ATAC-Seq (for Chromatin Accessibility Analysis)	[95,96,97]
Transcriptomics	Transcriptomics	mRNA	RNA-microarrays; RNA-seq: Illumina, SOLID, Ion Torrent (second generation); PacBio, SMRT-seq, Illumina TruSeq Synthetic Long-Read technology, Oxford Nanopore Technologies sequencing platform (third generation)	[47,48,49,50]
	ncRNA-omics	non-coding RNA (including microRNA)		[57,98,99,100]
Proteomics	Proteomics	Proteins	Protein-microarrays; NMR Spectroscopy; MS; single-cell and ultrasensitive protein analyses	[79,80,81]
	Interactomics	Protein-protein interaction, protein-small molecules interaction	TAP; Affinity Chromatography; Coimmunoprecipitation; Protein arrays; PFC; Phage display, NMR spectroscopy	[84,85,101]
Metabolomics	Metabolomics	Metabolites	NMR; 1H NMR; MS; MALDI-TOF; SIMS; FTICR-MS	[72,73,74,75,76,77,78]
	Lipidomics	Lipids
	Aminomics	Aminoacids
Microbiomics	Microbiomics	Human Microbiota (including bacteria, fungi, protozoa, and viruses)		[87,88,89,90,91,102,103]
	Meta-genomics	Microbiota DNA
	Meta-transcriptomics	Microbiota RNAs
	Meta-proteomics	Microbiota proteins
	Meta-bolomics	Microbiota metabolites

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Abbreviations: ATAC-Seq, Assay for transposase-accessible chromatin-Squencing; ChIP-seq, Chromatin immunoprecipitation-Sequencing; FTICR-MS, Fourier transform ion cyclotron resonance-Mass Spectrometry. 1H NMR, Proton Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy; lncRNAs, long non-coding RNAs; MALDI-TOF, Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Time of Flight; MS, Mass Spectrometry; NMR, Nuclear Magnetic Resonance; PacBio, Pacific Biosciences; PFC, Protein fragment Complementation; SIMS, Secondary Ion Mass Spectrometry; SMRT-seq, Single Molecule Real Time sequencing; SOLID: Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection; TAP, Tandem Affinity Purification.

3. The Contribution of ‘Omics’ in Elucidating Rheumatoid Arthritis Pathogenesis

RA is an autoimmune condition that impacts predominantly the lining of the synovial joints and is characterized by chronic synovitis, systemic inflammation and various degrees of bone and cartilage erosion. Systemic inflammation characterizing RA is related with different extra-articular conditions, including cardiovascular diseases, resulting in higher mortality in patients with RA. In industrialized countries, RA is the most frequent form of inflammatory arthritis. The disorder is more common in women and the age of onset is typically between 25 and 50, in the midst of working life, with important social and economic burden [104]. Genetic factors can explain 50–60% of the risk [105,106] while environmental modifiable factors, such as infectious diseases, tobacco smoking, air pollution, dust, and nutrition, account for the remainder [107,108]. Thanks to the rapid progresses in the field of ‘omics’ technologies, the past decade has resulted in tremendous advancement in our capacity to interpret genetic and molecular reasons underlying complex conditions such as autoimmune diseases [109]. The etiopathology of RA is not fully understood, however, NGS combined with the application of innovative multi-omics approaches, cell profiling-technologies and bioinformatics tools has enabled a wider investigation and deeper insight into the pathogenesis and disease variants of RA, including the definition of RA-associated cell populations [110], specific gene expression‎ profiles [111,112,113,114,115], susceptibility loci, gene-environment interactions, as well as genetic loci associated with subsets of patients and those linked with response to therapy and/or dietary components [116,117,118,119,120]. Genomics studies of RA, including recent application of genome wide association studies (GWAS), have discovered over 100 genetic loci linked with RA risk and/or severity [121]. Amid all the genetic susceptibility elements found so far, the human leukocyte antigen (HLA) locus is the more important one. A strong link between RA and HLA-DRB1 alleles encoding an amino acid sequence pattern known as the ‘shared epitope’ has already been recognized for a long time. The shared epitope has been associated with a higher risk of anti-citrullinated protein antibodies (ACPAs)-positive RA while ACPAs positivity has been linked with more aggressive and destructive RA, systemic manifestations and cardiovascular complications [117]. It has been documented that the production of autoantibodies, including rheumatoid factor and ACPAs is an early and asymptomatic event that may precede for several years the onset of clinical apparent symptoms in RA. In the symptomatic RA phase, compensatory pathways that keep the disease asymptomatic may fail, promoting the transition from preclinical to clinically apparent disease [122]. These findings indicate an emerging disease paradigm where both genetic and environmental factors trigger a preclinical systemic autoimmune state, possibly originated at mucosal sites [123], followed by genetic and environmental factors that may propagate this silent autoimmune state to clinically overt RA [122,124].

Among the non-HLA gene variants identified there are many that involve immune system, citrullination, cytokine, and inflammation genes and/or known targets of approved therapy [121,125]. Loci showing stronger association with disease risk include genes encoding for protein tyrosine phosphatase, non-receptor type 22 (PTPN22), tumor necrosis factor (TNF) receptor-associated factor 1 (TRAF1), signal transducer and activator of transcription 4 (STAT4), interleukin 6 signal transducer (IL6ST), interleukin 2 receptor subunits alpha and beta, and CD40 [125]. The list of candidate genes is rapidly growing [126]. By combining the whole-genome sequencing and transcription profiles data of RA patients it is becoming possible to reveal the potential molecular pathways and crucial genes which play important roles in RA development as well as to identify the relevant cell types in RA pathogenesis [127,128,129]. Several pathways within the inflammatory cascade are activated in RA. All of them result in the upregulation of transcription factors and proinflammatory cytokines including nuclear factor kappa B (NFkB), interleukin (IL)-1, IL-6, IL-17, monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) and tumor necrosis factor (TNF)- α. Diverse genes in RA loci are concerned with the NF-kB signaling pathway, the Janus kinase (JAK)-signal transducers and activators of transcription (STAT), or cytokines signaling pathways [130,131,132]. The release of cytokines promotes the activation of fibroblast-like synoviocytes (FLSs), macrophages, neutrophils, adhesion molecules, and clotting factors as well as the release of macrophage colony-stimulating factors, which increase macrophages and also induce osteoclast activation, promoting active bone destruction. Matrix metalloproteinases (MMPs), prostaglandins, cyclooxygenase-2 (COX-2) and free radicals are also produced in excessive amounts which enhance the inflammatory pathways, resulting in the breakdown of extracellular matrix and cartilage loss [133,134]. The local and systemic immune responses lead to the development of a persistent low-intensity inflammatory condition which is related to important RA comorbidities and complications, such as cardiovascular diseases, vascular damage, insulin-resistance, and amyloidosis [135,136,137,138]. Recent high-throughput and epigenome-wide analysis have allowed to demonstrate that epigenetics play vital roles in the pathogenesis of RA [49,139], providing a possible crossing point by which genetic and environmental risk factors interact each other to influence the susceptibility, onset, and development of RA. Indeed, DNA methylation, post-translational histone modifications and variations in gene expression‎ induced by non-coding RNAs are implicated in adaptive and innate immune cell differentiation, migration, proliferation, apoptosis, and FLSs activation in RA patients [140,141]. Proteomics-based approaches have been utilized for the identification of key protein and peptide mediators in RA [142], as well as to detect and quantify cytokines, allowing the discovery of new potential biomarkers [143], which may serve for early diagnosis, as indicators for clinical observation on the disease progression and to monitor responses to therapeutic interventions. By studying biomarkers in patient populations, the disease could be sorted into different subcategories that show different outcomes and responses to specific drugs or nutritional interventions [120,144,145,146]. Multi-omics analysis integrated with advanced bioinformatic tools and machine learning are already yielding a more comprehensive understanding of molecular mechanisms underlying RA pathogenesis and therapeutic response, paving the way for personalized-medicine [147,148].

3. '오믹스'가 류마티스 관절염 병리 메커니즘 규명에 기여하는 역할

류마티스 관절염(RA)은 주로 관절의 활막에 영향을 미치는 자가면역 질환으로, 만성 활막염, 전신 염증, 골 및 연골의 다양한 정도의 침식 등이 특징입니다. RA를 특징짓는 전신 염증은 심혈관 질환을 포함한 다양한 관절 외 질환과 관련되어 있으며, 이는 RA 환자의 사망률을 높입니다. 산업화된 국가에서 RA는 염증성 관절염의 가장 흔한 형태입니다. 이 질환은 여성에서 더 흔하며 발병 연령은 일반적으로 25세에서 50세 사이로, 근로 연령대에 해당되며 사회적·경제적 부담이 큽니다 [104].

유전적 요인은 위험의 50–60%를 설명할 수 있으며 [105,106],

감염성 질환, 흡연, 대기 오염, 먼지, 영양 등 환경적 요인은 나머지를 차지합니다 [107,108].

‘오믹스’ 기술 분야의 급속한 발전으로

지난 10년간 복잡한 질환인 자가면역 질환의 유전적 및 분자적 원인을 해석하는 능력에

엄청난 진전이 이루어졌습니다[109].

RA의 병인학은 완전히 이해되지 않았지만,

NGS와 혁신적인 다중 오믹스 접근법, 세포 프로파일링 기술, 생물정보학 도구의 결합은

RA의 병리 메커니즘과 질환 변이체에 대한 더 넓은 조사와 깊은 통찰을 가능하게 했습니다.

RA와 관련된 세포 집단 정의[110], 특정 유전자 발현 프로파일[111,112,113,114,115], 취약성 유전좌위, 유전자-환경 상호작용, 환자 하위 집단과 치료 반응 및/또는 식이 성분과 연관된 유전좌위[116,117,118,119,120] 등을 포함합니다. RA의 유전체 연구, 특히 최근 유전체 연관 연구(GWAS)의 적용을 통해 RA 위험 및/또는 중증도와 관련된 100개 이상의 유전적 위치를 발견했습니다 [121]. 지금까지 발견된 모든 유전적 취약성 요소 중 인간 백혈구 항원(HLA) 유전자가 가장 중요합니다. RA와 '공유 에피토프'로 알려진 아미노산 서열 패턴을 암호화하는 HLA-DRB1 대립 유전자 사이의 강한 연관성은 이미 오랫동안 알려져 있습니다. 공유 에피토프는 항시트룰린화 단백질 항체(ACPA) 양성 RA의 위험 증가와 연관되어 있으며, ACPA 양성 상태는 더 공격적이고 파괴적인 RA, 전신 증상 및 심혈관 합병증과 연관되어 있습니다[117]. 류마티스 인자 및 ACPA를 포함한 자가항체의 생산은 임상적 증상 발현 수년 전에 발생할 수 있는 초기 무증상 사건으로 기록되어 있습니다. 증상성 RA 단계에서 질병을 무증상 상태로 유지하는 보상 경로가 실패할 수 있으며, 이는 전임상 단계에서 임상적으로 명백한 질병으로의 전환을 촉진합니다 [122]. 이러한 결과는 유전적 및 환경적 요인이 점막 부위에서 시작될 수 있는 전임상적 전신 자가면역 상태를 유발하며, 이후 유전적 및 환경적 요인이 이 무증상 자가면역 상태를 임상적으로 명백한 RA로 확산시킬 수 있는 새로운 질병 패러다임을 제시합니다 [123,122,124].

확인된 비 HLA 유전자 변이 중에는 면역 체계, 시트룰린화, 사이토카인 및 염증 유전자 및/또는 승인된 치료법의 알려진 표적과 관련된 것이 많습니다 [121,125]. 질병 위험과 더 강한 관련성을 보이는 유전자좌에는 단백질 티로신 포스파타제, 비 수용체 유형 22 (PTPN22)를 암호화하는 유전자, 종양 괴사 인자(TNF) 수용체 관련 인자 1(TRAF1), 신호 전달 및 전사 활성화 인자 4(STAT4), 인터루킨 6 신호 전달 인자(IL6ST), 인터루킨 2 수용체 서브유닛 알파 및 베타, CD40 [125]. 후보 유전자 목록은 빠르게 증가하고 있습니다 [126]. 류마티스 관절염 환자의 전장 유전체 시퀀싱 및 전사 프로파일 데이터를 결합함으로써, 류마티스 관절염 발병에 중요한 역할을 하는 잠재적 분자 경로와 핵심 유전자를 규명하는 것이 가능해지고 있으며, 류마티스 관절염 병리에서 관련된 세포 유형을 식별하는 것도 가능해지고 있습니다 [127,128,129]. 류마티스 관절염에서 염증 캐스케이드 내의 여러 경로가 활성화됩니다. 이 모든 경로는 핵 인자 카파 B (NFkB), 인터루킨 (IL)-1, IL-6, IL-17, 단핵구 화학유인물질-1 (MCP-1) 및 종양 괴사 인자 (TNF)-α와 같은 전사 인자 및 염증성 사이토카인의 발현 증가로 이어집니다. RA 유전적 위치에 위치한 다양한 유전자들은 NF-kB 신호전달 경로, 자누스 키나제(JAK)-신호전달 및 전사 활성화 인자(STAT), 또는 사이토킨 신호전달 경로와 관련이 있습니다 [130,131,132]. 사이토카인의 분비는 섬유모세포 유사 활막세포(FLS), 대식세포, 중성구, 접착 분자, 응고 인자의 활성화 및 대식세포 군집 자극 인자의 분비를 촉진합니다. 이는 대식세포의 증가와 골용해세포의 활성화를 유도하여 활성 골 파괴를 촉진합니다. 매트릭스 메탈로프로테아제(MMPs), 프로스타글란딘, 사이클로옥시게나제-2(COX-2) 및 자유 라디칼도 과도하게 생성되어 염증 경로를 강화시켜 세포외 기질의 분해와 연골 손실을 초래합니다 [133,134]. 국소 및 전신 면역 반응은 중요한 RA 동반 질환 및 합병증과 관련된 지속적 저강도 염증 상태의 발달로 이어지며, 이는 심혈관 질환, 혈관 손상, 인슐린 저항성, 아밀로이드증 등과 관련이 있습니다 [135,136,137,138]. 최근 고효율 및 에피게놈 전체 분석을 통해 에피게노믹스가 RA의 병리학에 중요한 역할을 한다는 것이 입증되었습니다[49,139], 이는 유전적 및 환경적 위험 요인이 상호작용하여 RA의 취약성, 발병, 및 진행에 영향을 미치는 가능성 있는 교차점을 제공합니다. 실제로 DNA 메틸화, 후전사 히스톤 변형, 비코딩 RNA에 의해 유도된 유전자 발현 변이는 RA 환자의 적응성 및 선천성 면역 세포 분화, 이동, 증식, 사멸, FLS 활성화에 관여합니다 [140,141]. 프로테오믹스 기반 접근법은 RA에서 핵심 단백질 및 펩타이드 매개체를 식별하는 데 활용되었으며 [142], 사이토카인의 검출 및 정량화를 통해 새로운 잠재적 바이오마커를 발견하는 데 기여했습니다 [143]. 이는 조기 진단, 질병 진행에 대한 임상 관찰 지표, 치료적 개입에 대한 반응 모니터링에 활용될 수 있습니다. 환자 집단에서 바이오마커를 연구함으로써 질병을 서로 다른 하위 카테고리로 분류할 수 있으며, 이는 특정 약물이나 영양 개입에 대한 다른 결과와 반응을 보일 수 있습니다 [120,144,145,146]. 고급 생물정보학 도구와 머신러닝을 통합한 멀티오믹스 분석은 RA 병리 메커니즘과 치료 반응의 분자적 기전을 더 포괄적으로 이해하는 데 기여하고 있으며, 맞춤형 의학의 길을 열어가고 있습니다 [147,148].

4. Nutrigenomics Approach to Rheumatoid Arthritis

It is already well documented from epidemiological studies that nutritional patterns could play a role both as disease risk and protective factor, on the basis of the properties of particular foods. Certain nutritional factors can indeed exhibit pro-inflammatory outcomes (for e.g., red meat, salt, excessive caloric intake) or conversely mitigate inflammation (for e.g., fruit and vegetables, flaxseeds, low caloric intake) [5,6]. Nutritional components derived from diet, such as glucids, amino acids, fatty acids, vitamins, minerals, and other natural compounds occurring in small quantities in food, can not only fulfil a structural role in the cell, but also represent molecular signals which may impact biochemical pathways and alter gene expression‎. Indeed, they can directly interrelate with key factors and regulate the pathways involved in inflammation cascades related to RA pathogenesis, or affect intra- and extracellular microenvironments, thereby indirectly altering cellular activities [149]. Christensen et al. have recently demonstrated the association between diet and immune cell-related gene expression‎ patterns in humans [150]. Interestingly, reduction in pain and higher physical function in RA patients, as well as a lower risk of the disease in individuals carrying the HLA-DRB1 shared epitope allele, have been associated with adherence to the Mediterranean diet (MedDiet) [37,151]. The assigned health benefits of the MedDiet could be justified by a modulating effect on genes related to inflammation and oxidative stress [152]. Although nutrigenomic studies on RA patients are still scarce, the influence of several dietary patterns and bioactive compounds on inflammation-or other RA-related pathways has been investigated. For e.g., Camargo et al. (2013) showed that MedDiet is able to reduce the expression‎ of NF-κB, TNF-α, MCP-1 and MMP-9 in human peripheral blood mononuclear cells [153]. Consumption of a MedDiet for 4 weeks has been associated with reduced IL-1β gene expression‎ in human mononuclear cells in fasting and postprandial states [154]. It has also been shown that adherence to MedDiet is linked with changes of methylation-state in inflammation-related genes in peripheral blood cells [155]. In addition, recent studies have shown that the Mediterranean-based nutritional interventions are able to induce changes in the expression‎ of inflammation-related miRNAs [100], possibly influencing RA risk by means of epigenetic mechanisms. MedDiet is characterized by frequent consumption of food from vegetable sources, whole grains, beans, nuts, seeds, legumes, fruit, and spices, while olive oil represents the principal source of fat. MedDiet also involves an equilibrate intake of fish and wine, as well as a lower consumption of red meat, sweets, and dairy products [156] Components of the MedDiet such as olive oil, vegetables, fruits, fatty-fish, and tree-nuts provide a model for functional foods, on the basis of their natural contents of bioactive compounds and nutraceuticals, such as flavonoids, alkaloids, polyphenols, terpenoids, sterols, pigments, and polyunsaturated fatty-acids of omega-3 series (omega-3 PUFAs). Olive oil holds a high nutritional value and a peculiar composition, which is particularly relevant in the case of Extra Virgin Olive Oil (EVOO). EVOO is considered an important bioactive food with several valuable properties and it may be efficacious in the management of inflammatory and autoimmune diseases, including RA [157,158]. It has been shown that the phenolic fraction of EVOO modulates cytokines production, including IL-6, TNF-α, and IL-1β, perhaps via NF-κB signaling pathway, exerting an anti-inflammatory and immunomodulatory action in systemic lupus erythematosus patients [159]. Castaner et al. (2012) have shown that three weeks ingestion of high-polyphenol-containing olive oil, reduce the activation of the CD40/CD40-ligand system and its downstream products in healthy subjects, as compared to olive oil containing less polyphenol [160]. About that, it would be worth noting that the inflammatory CD40/CD40-ligand pathway seems to be implicated in the progression from undifferentiated arthritis or ACPAs-positive arthralgia to established RA [161]. Moreover, a recent study has demonstrated that EVOO phenolic compounds may have a favorable effect on bone by modulating osteoblast-related gene expression‎, which would explain their beneficial effect against bone pathologies [162]. Omega-3 PUFAs could have a protective and preventive effect in RA, given their anti-inflammatory and pain-killer properties [163,164]. Epidemiological studies have reported a substantial inverse association between oily fish consumption and RA [165,166,167], suggesting that omega-3 PUFAs found in fish oil (eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA)) may be a protective factor against RA progression. In favour of this hypothesis, a case-control study established that RA cases had important decreased levels of EPA, and EPA+DHA in their erythrocyte membranes (a biomarker of omega-3 PUFAs status) compared with controls [168].

Moreover, Gan et al. (2017) showed that both omega-3 PUFAs supplement use and omega-3 PUFAs levels in red blood cell membranes were inversely linked with ACPAs positivity in people without RA, but at genetic risk for future RA [119]. A further study by the same authors found that the potential protective effect of omega-3 PUFAs on RA-related autoimmunity may be most pronounced in those who exhibit HLA-DRB1 shared-epitope genetic variant [169]. Emerging evidences from epigenomic-wide association studies indicate that one of the mechanisms responsible for the omega-3 PUFAs-related anti-inflammatory modulation of gene expression‎ within the cells involves the alteration of epigenetic markers, such as DNA methylation [97]. Inverse associations with risk of disease development and disease activity has been also associated with high intakes of fruit and vegetables, suggesting a protective factor [170,171]. Fruits, such as berries, pomegranates and citrus fruits, as well as vegetables and whole grains, are rich sources of a variety of vitamins and other bioactive compounds, especially the polyphenolic flavonoids that have been associated with anti-inflammatory, anti-oxidant and analgesic effects. Vegetarian and vegan dietary patterns are particularly high in such compounds and have been proven useful in the management of RA [172]. Moreover, several studies have demonstrated that patients with arthritis consume less fruits, whole grains and plant proteins, compared to those without arthritis [173,174,175]. Nutrigenomic effects of numerous dietary bioactive compounds naturally occurring in fruits, vegetables, and their derivative products, have been explored in humans. For e.g., resveratrol, a phenolic compound normally present in some fruits including red grapes, mulberries as well as in peanuts and red wine, has been shown to downregulate NF-κB, TNF-α, IL-β, IL-6 and COX-2 [176,177]. In addition, according to recent nutri-miromics studies, resveratrol is capable of downregulating miRNA-21, and miRNA-155 in different human cell culture models [98,99]. MiRNA-21 and miRNA-155 are highly expressed in RA, and are known to play critical roles in disease pathogenesis [178,179,180]. Moderate consumption of alcohol was negatively associated with the risk of developing ACPA-positive RA, especially in smokers carrying HLA-DRB1 SE alleles [181], while excessive sodium chloride consumption among cigarette-smokers increases by more than two the risk of developing HLA-DRB1 SE-positive RA, suggesting a significant additive effect between smoking, diet and genetic risk factors [182]. It has been shown that caffeine downregulates inflammatory pathways involved in autoimmunity. In vitro experiments showed significant downregulation at the mRNA levels of key inflammatory genes including STAT1 and TNF, and also cytokine levels were decreased significantly with caffeine treatment [183]. Another study has found that coffee decreases methotrexate (i.e., the first-line disease-modifying antirheumatic drug used to treat RA) intolerance and increases treatment compliance among RA patients [184]. Soukup et al. scrutinized the effect of coffee intake on the therapeutic impact of methotrexate in RA patients grouped based on different genotypes related to adenosine pathway. They found that genotypes and coffee consumption affect risk of RA and effectiveness of methotrexate treatment [118]. Based on genome-wide gene expression‎ response data, Van Bussel et al. [185] have theorised that a brief term caloric restriction is effective in downregulating gene sets involved in the immune response in young men. Moreover, a recent multi-omics study has found that caloric restriction ameliorates insulin sensitivity in humans [186], while studies in human obesity and insulin resistance have shown a clear relationship between decreased insulin sensitivity, the chronic activation of pro-inflammatory signaling pathways and RA activity. Indeed, elevated levels of TNF-α and IL-6 have all been recorded in several diabetic and insulin-resistant conditions [187,188], while insulin-resistant pathways have been linked with disease activity in RA [189]. Various in vivo studies have stated the nutrigenomic impacts of single nutrient supplementations/withdrawal in mouse or rat models of RA, namely magnesium [190], methionine [191], nobiletin (a citrus flavone) [192], omega-3 PUFAs-derived metabolites [193], Equol (a major soybean phenolic metabolite) [194], epigallocatechin-3-gallate (a green tea polyphenol) [195] and numerous others, and all these interventions usually showed promise of favorably modulating some of the genes or pathways implicated in inflammation or arthritis in rodents. However, considering the differences between RA, as it occurs in humans, and the RA-like condition currently replicated in RA animal models [196], translatability of these in vivo studies to humans in order to predict the effects of bioactive compounds or nutritional interventions, may be questionable. Additional studies designed to identify the genetic susceptibility to RA and the interaction between particular genetic variants, RNAs and proteins expression‎, metabolites production and nutrient intake in humans, will be crucial in planning patient-specific nutritional interventions and preventive strategies based on patient genetic characteristics.

4. 류마티스 관절염에 대한 영양유전체학 접근법

역학 연구를 통해 이미 잘 문서화되어 있듯이, 특정 식품의 특성에 기반해 영양 패턴은 질병 위험 요인 및 보호 요인으로 작용할 수 있습니다. 특정 영양 요소는 실제로 염증 촉진 효과(예: 적색 육류, 소금, 과도한 칼로리 섭취)를 나타내거나 반대로 염증을 완화할 수 있습니다(예: 과일과 채소, 아마씨, 저칼로리 섭취) [5,6]. 식이에서 유래한 영양 성분(글루코스, 아미노산, 지방산, 비타민, 미네랄, 식품에 소량 함유된 기타 자연 화합물 등)은 세포의 구조적 역할을 수행할 뿐만 아니라 분자 신호로 작용하여 생화학적 경로를 영향을 미치고 유전자 발현을 변화시킬 수 있습니다. 실제로 이들은 RA 병리학에 관련된 염증 연쇄 반응에 관여하는 핵심 요인과 직접적으로 상호작용하여 경로를 조절하거나, 세포 내외 미세 환경을 변화시켜 간접적으로 세포 활동을 변경할 수 있습니다 [149]. Christensen 등[150]은 최근 인간에서 식이와 면역 세포 관련 유전자 발현 패턴 간의 연관성을 입증했습니다. 흥미롭게도, RA 환자의 통증 감소와 신체 기능 향상, HLA-DRB1 공유 에피토프 알레르를 보유한 개인의 질병 위험 감소는 지중해 식이요법(MedDiet) 준수와의 연관성이 보고되었습니다[37,151]. MedDiet의 건강 혜택은 염증 및 산화 스트레스와 관련된 유전자 조절 효과로 설명될 수 있습니다[152]. RA 환자를 대상으로 한 영양유전체학 연구는 아직 부족하지만, 여러 식이 패턴과 생물활성 화합물이 염증 또는 기타 RA 관련 경로에 미치는 영향이 조사되었습니다.

예를 들어, Camargo 등(2013)은 MedDiet가 인간 말초 혈액 단핵구에서 NF-κB, TNF-α, MCP-1 및 MMP-9의 발현을 감소시킨다는 것을 보여주었습니다 [153]. 4주간 지중해 식단을 섭취한 후 공복 및 식후 상태에서 인간 단핵구 세포의 IL-1β 유전자 발현이 감소했다는 결과가 보고되었습니다 [154]. 또한 지중해 식단 준수도가 염증 관련 유전자의 메틸화 상태 변화와 연관되어 있다는 연구도 있습니다 [155]. 최근 연구에서는 지중해 기반 영양 개입이 염증 관련 마이크로RNA(miRNA)의 발현 변화를 유도할 수 있음을 보여주었으며, 이는 에피제네틱 메커니즘을 통해 류마티스 관절염(RA) 위험에 영향을 미칠 수 있습니다 [100]. 지중해 식단은 채소, 통곡물, 콩류, 견과류, 씨앗, 콩과 식물, 과일, 향신료의 섭취가 빈번하며, 올리브 오일이 주요 지방 공급원입니다. MedDiet은 어류와 와인의 균형 잡힌 섭취, 적색 육류, 과자, 유제품의 낮은 섭취를 포함합니다 [156]. MedDiet의 구성 요소인 올리브 오일, 채소, 과일, 지방이 풍부한 어류, 나무 견과류는 생물활성 화합물과 영양 기능성 성분(예: 플라보노이드, 알칼로이드, 폴리페놀, 테르펜류, 스테롤, 색소, 오메가-3 시리즈의 다불포화 지방산(오메가-3 PUFAs)과 같은 성분을 기반으로 기능성 식품의 모델을 제공합니다. 올리브 오일은 높은 영양 가치와 독특한 성분을 갖추고 있으며, 특히 엑스트라 버진 올리브 오일(EVOO)의 경우 특히 중요합니다. EVOO는 여러 유용한 특성을 갖춘 중요한 생물활성 식품으로 간주되며, 류마티스 관절염(RA)을 포함한 염증성 및 자가면역 질환의 관리에 효과적일 수 있습니다 [157,158]. EVOO의 페놀 성분이 IL-6, TNF-α, IL-1β와 같은 사이토카인 생산을 조절하며, 이는 NF-κB 신호 전달 경로를 통해 작용하여 전신성 홍반성 루푸스 환자에게 항염증 및 면역 조절 효과를 발휘한다는 것이 밝혀졌습니다 [159]. Castaner 등(2012)은 고폴리페놀 함유 올리브 오일을 3주간 섭취한 건강한 대상에서 폴리페놀 함량이 낮은 올리브 오일을 섭취한 그룹에 비해 CD40/CD40-리간드 시스템의 활성화 및 그 하류 제품이 감소함을 보여주었습니다 [160]. 이와 관련해, 염증성 CD40/CD40 리간드 경로는 미분화 관절염 또는 ACPAs 양성 관절통에서 확립된 류마티스 관절염으로의 진행에 관여하는 것으로 보입니다 [161]. 또한 최근 연구에서 EVOO 페놀 화합물이 골세포 관련 유전자 발현을 조절함으로써 골 건강에 유익한 효과를 가질 수 있음을 보여주었으며, 이는 골 질환에 대한 유익한 효과를 설명할 수 있습니다 [162]. 오메가-3 다불포화지방산(PUFAs)은 항염증 및 진통 작용으로 인해 RA에 보호 및 예방 효과를 가질 수 있습니다 [163,164]. 역학 연구는 기름진 생선 섭취와 RA 사이에 상당한 역상관 관계가 있음을 보고했습니다 [165,166,167], 이는 생선 기름에 함유된 오메가-3 PUFA(이코사펜타엔산(EPA)과 도코사헥사엔산(DHA))가 RA 진행에 대한 보호 요인일 수 있음을 시사합니다. 이 가설을 지지하는 연구에서, 사례-대조 연구는 RA 환자의 적혈구 막에서 EPA 및 EPA+DHA 수준이 대조군에 비해 유의미하게 낮았음을 확인했습니다(오메가-3 PUFA 상태의 생물학적 지표) [168].

또한 Gan 등(2017)은 RA가 없는 사람 중 미래 RA 발병 위험이 있는 유전적 위험군에서 오메가-3 PUFA 보충제 사용과 적혈구 막 내 오메가-3 PUFA 수치가 ACPAs 양성률과 역상관 관계를 보였다고 보고했습니다 [119]. 동일한 연구진은 추가 연구에서 오메가-3 PUFA의 RA 관련 자가면역 질환에 대한 잠재적 보호 효과가 HLA-DRB1 공유 에피토프 유전적 변이를 가진 개인에서 가장 두드러질 수 있음을 발견했습니다 [169]. 에피게노믹스 광범위 연관 연구에서 나온 새로운 증거는 오메가-3 PUFA와 관련된 세포 내 유전자 발현의 항염증 조절 메커니즘 중 하나가 DNA 메틸화 같은 에피게노믹 마커의 변화와 관련될 수 있음을 시사합니다 [97]. 과일과 채소 섭취량이 높은 것과 질병 발병 위험 및 질병 활동성 사이의 역상관 관계는 보호 요인으로서의 역할을 시사합니다 [170,171]. 베리류, 석류, 시트러스 과일과 같은 과일, 채소 및 전곡류는 다양한 비타민과 생물활성 화합물, 특히 항염증, 항산화 및 진통 효과를 가진 폴리페놀 플라보노이드가 풍부합니다. 채식주의와 비건 식이 패턴은 이러한 화합물의 함량이 특히 높으며, 류마티스 관절염(RA) 관리에 유용하다는 것이 입증되었습니다 [172]. 또한 여러 연구에서 관절염 환자가 관절염이 없는 사람에 비해 과일, 전체 곡물 및 식물성 단백질 섭취량이 적다는 것이 밝혀졌습니다 [173,174,175]. 과일, 채소 및 그 파생 제품에 자연적으로 존재하는 다양한 식이 생물활성 화합물의 영양유전학 효과는 인간에서 탐구되었습니다. 예를 들어, 적포도, 뽕나무, 땅콩, 적포도주 등에 함유된 페놀성 화합물인 레스베라트롤은 NF-κB, TNF-α, IL-β, IL-6 및 COX-2를 억제하는 것으로 나타났습니다 [176,177]. 또한 최근 영양-미세유전체학 연구에 따르면 레스베라트롤은 다양한 인간 세포 배양 모델에서 miRNA-21과 miRNA-155의 발현을 억제하는 것으로 나타났습니다[98,99]. miRNA-21과 miRNA-155는 류마티스 관절염(RA)에서 고도로 발현되며, 질병 발병에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다[178,179,180]. 알코올의 적정 섭취는 ACPA 양성 RA 발병 위험과 음의 상관관계를 보였으며, 특히 HLA-DRB1 SE 알레르기를 가진 흡연자에서 이 효과가 두드러졌습니다 [181].

반면, 흡연자에서 과도한 나트륨 염화물 섭취는 HLA-DRB1 SE 양성 RA 발병 위험을 두 배 이상 증가시켰으며, 이는 흡연, 식이 요인, 유전적 위험 요인 간의 유의미한 가산 효과를 시사합니다 [182]. 카페인은 자가면역과 관련된 염증 경로를 억제하는 것으로 나타났습니다. 체외 실험에서 STAT1 및 TNF와 같은 주요 염증 유전자의 mRNA 수준이 유의미하게 감소했으며, 카페인을 투여한 후 사이토킨 수준도 유의미하게 감소했습니다 [183]. 또 다른 연구에서는 커피가 류마티스 관절염(RA) 환자의 메토트렉세이트(RA 치료에 사용되는 첫 번째 라인 질병 수정 항류마티스 약물) 내성을 감소시키고 치료 순응도를 증가시킨다는 것이 발견되었습니다 [184]. Soukup 등 [184]은 아데노신 경로와 관련된 다양한 유전자형에 따라 분류된 RA 환자에서 커피 섭취가 메토트렉세이트의 치료 효과에 미치는 영향을 분석했습니다. 그들은 유전자형과 커피 섭취가 RA 위험 및 메토트렉세이트 치료 효과에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다 [118]. 전장 유전자 발현 반응 데이터를 기반으로 Van Bussel 등 [185]은 젊은 남성에서 면역 반응과 관련된 유전자 집합을 억제하는 데 단기 칼로리 제한이 효과적일 수 있다고 이론화했습니다. 또한 최근 다중 오믹스 연구는 칼로리 제한이 인간에서 인슐린 감수성을 개선한다는 것을 발견했습니다 [186], 반면 인간 비만 및 인슐린 저항성 연구에서는 인슐린 감수성 감소, 염증성 신호 경로의 만성 활성화 및 RA 활동 사이의 명확한 관계가 확인되었습니다. 실제로, TNF-α 및 IL-6의 증가된 수준은 여러 당뇨병 및 인슐린 저항성 상태에서 기록되었습니다 [187,188], 반면 인슐린 저항성 경로는 RA의 질병 활동과 연관되었습니다 [189]. 다양한 in vivo 연구는 RA 마우스 또는 쥐 모델에서 단일 영양소 보충/제거의 영양유전체학적 영향을 보고했습니다. 구체적으로 마그네슘 [190], 메티오닌 [191], 노빌레틴(시트러스 플라본) [192], 오메가-3 PUFA 유래 대사산물 [193], 에쿠올(대두의 주요 페놀 대사산물) [194], 에피갈로카테킨-3-갈레이트(녹차 폴리페놀) [195] 등이며, 이러한 개입은 일반적으로 설치류에서 염증이나 관절염과 관련된 일부 유전자나 경로를 유익하게 조절하는 가능성을 보여주었습니다. 그러나 인간에서 발생하는 RA와 현재 RA 동물 모델에서 재현된 RA 유사 상태 [196] 간의 차이를 고려할 때, 이러한 in vivo 연구 결과를 인간에게 적용하여 생물활성 화합물이나 영양 개입의 효과를 예측하는 것은 의문스러울 수 있습니다. 인간에서 RA의 유전적 취약성을 식별하고 특정 유전적 변이, RNA 및 단백질 발현, 대사산물 생성, 영양소 섭취 간의 상호작용을 조사하는 추가 연구는 환자 유전적 특성에 기반한 환자 맞춤형 영양 개입 및 예방 전략을 계획하는 데 결정적 역할을 할 것입니다.

5. Rheumatoid Arthritis, Microbiome and Nutrition

It is well known that microbiome can affect the inflammatory state of an individual by influencing both the host innate and adaptive immune system and its metabolic potential [197]. In recent times, thanks also to the progress in microbiomics techniques which has allowed a deep characterization of microbial communities, the gut microbiota has been given an important role in RA aetiology and development [3,198,199].

Zhang et al. carried out metagenomic sequencing and a metagenome-wide association study on stool, salivary and dental specimens from a wide cohort of treatment-naïve RA patients and healthy controls. Consequently, they found that the gut microbiome and the oral microbiome displayed noteworthy dissimilarities between RA patients and control subjects, and, the altered gut microbiome and oral microbiome of RA patients were in part restored by DMARDs [200]. Other human microbiomics studies have revealed that RA patients display a decreased gut microbiota diversity if compared with healthy controls [201]. Patients with RA, especially erosive patients, have a characteristic enterotype of gut microbiota with a decreased abundance of bacteria belonging to the family Bifidobacterium and Bacteroides [202], an expansion of certain rare bacterial lineages [203], and, at least in the preclinic phase of the disease, an abundance of Prevotella copri in shared-epitope positive individuals [204]. It is now accepted that diet composition has a crucial role in the control of gut microbial populations and, thus, in the potential prevention, management and treatment of many human diseases, including RA [205]. During the past few years, numerous works have associated diet/nutrients, gut microbial communities and the expression‎ of genes involved in immune responses [206]. Considering this relation, there may be important therapeutic benefit in manipulating microbial composition by dietary interventions. A fresh study by De Filippis et al. [88] has suggested that diet affect P. copri at the strain level. The authors analyzed the gut metagenomes of individuals with different dietary patterns, checking for the presence of distinct P. copri strains. They found that a diet high in fiber were linked to P. copri types with better ability in carbohydrate catabolism, while P. copri strains associated with an omnivore dietary pattern had a higher preponderance of genes involved in branched-chain amino acids (BCAA) biosynthesis. Whether particular strains are more prone to trigger RA than others, and whether different nutritional patterns could affect this risk, remains to be elucidated by further studies. However, it has been shown that high BCAA is a risk factor for type 2 diabetes, glucose intolerance, and promote pro-oxidant and pro-inflammatory activities in peripheral blood mononuclear cells [207], suggesting a possible relationship between P. copri, diet, and RA in genetically susceptible individuals, paving the way for precise nutritional interventions aiming to prevent RA. While the pathogenesis of microbiome-mediated diseases remains to be completely clarified, one mechanism may be linked to microbial metabolism. There is evidence that some foods have pro- or anti-inflammatory effects mediated by diet-related metabolites [208]. Metabolites generated by gut commensal microbes in response to host diet, may influence both microbiota and host homeostasis, with potentially beneficial or detrimental effects. Tang et al. have identified dietary compounds and phytochemicals that may affect microbiota abundance within the gut and interact with microbial community composition to change host metabolism. In particular long-term intake of plant-derived foods as well as consumption of artificial sweeteners were linked to important disparities in circulating metabolites, especially bile acids, which were linked on gut enterotype, suggesting that microbiome makeup and structure mediate the effect of nutrition on host physiology [91]. This could be interesting considering that bile acids are increasingly recognised as important signalling molecules in the regulation of immune homeostasis and inflammation [209].

Several metabolomics studies and genome-based analysis of bacteria have reported that the microbial metabolites regulate immune system and inflammation. For e.g., short chain fatty acids (SCFA), produced by bacteria that ferment fiber, are known to mediate immune functions and inflammation [210,211]. Moreover long-term vegetarian diet has been linked with an enrichment in butyrate-producing bacteria [212], while a short-term high-fiber nutritional intervention study in RA patients has been shown to increase anti-inflammatory SCFA and decrease pro-arthritic cytokines, along with a durable shift in the microbiome composition [102]. In addition, evidence suggests that SCFA may act as histone deacetylase inhibitors in human cells, thereby epigenetically modulating inflammation-related gene expression‎ [213]. Trimethylamine N-oxide (TMAO), is an important microbiota-generated metabolite derived from dietary choline, betaine, and L-carnitine, which are contained in great amounts, in red meat, eggs, and dairy. TMAO is known to exert an impact on several significant mechanisms in the atherosclerosis pathogenesis pathway and vascular disfunction, promoting the etiological mechanisms of cardiovascular disease in RA [214]. Persistent red meat consumption increases systemic TMAO levels while high intake of meat and processed-meat products has been associated with an increased risk of RA [215,216], suggesting that this association could be mediated by the host-microbiome and microbial metabolome. Recently, it has been found that RA patients have a distinct oral microbiome. In addition, RA oral microbiota showed greater micobial diversity in comparison with healthy subjects, suggesting that there could be more potentially pathogenic microbes in the oral cavity of patients with RA and that this could negatively affect the outcome of the disease [217]. Tong et al. have observed a typical compositional modification of salivary microbiome in persons at increased risk for RA, indicating that oral microbiota dysbiosis arise in the preclinic stage of RA and are linked with systemic autoimmune features [218]. For e.g., it has been shown that Porphyromonas gingivalis, a bacterium which can be found the oral cavity, may generate an enzyme that citrullinates proteins. A close connection between the resulting inflammatory disorder of the oral mucosa (periodontitis) and a higher susceptibility to seropositive RA has been suggested [219]. Interestingly, some studies revealed that dietary habits can influence periodontal health, both directly, and indirectly by altering oral microbiota composition, [103,220,221], suggesting that some benefit might possibly be achieved through dietary modulation in at risk subjects.

5. 류마티스 관절염, 미생물군집 및 영양

미생물군집이 호스트의 선천적 및 적응 면역 체계와 대사 잠재력에 영향을 미쳐 개인의 염증 상태에 영향을 미칠 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다 [197]. 최근 미생물군집 연구 기술의 발전으로 미생물 군집의 상세한 특성이 밝혀지면서, 장 미생물군집은 류마티스 관절염의 발병 메커니즘과 진행에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다 [3,198,199].

Zhang 등 연구진은 치료 경험이 없는 RA 환자 및 건강한 대조군으로부터 수집된 대변, 타액, 치아 샘플을 대상으로 메타게놈 시퀀싱과 메타게놈 전체 연관성 연구를 수행했습니다. 결과적으로, 그들은 RA 환자와 대조군 사이에서 장 미생물군과 구강 미생물군 사이에 주목할 만한 차이를 발견했으며, RA 환자의 변화된 장 미생물군과 구강 미생물군은 DMARDs에 의해 부분적으로 회복되었습니다 [200]. 다른 인간 미생물학 연구들은 RA 환자가 건강한 대조군과 비교할 때 장 미생물군 다양성이 감소했다는 것을 보여주었습니다 [201]. RA 환자, 특히 침식성 환자는 Bifidobacterium과 Bacteroides 속의 세균 풍부도가 감소한 특이적인 장 미생물군 유형을 보입니다 [202], 특정 희귀 세균 계통의 확장 [203], 그리고 질병의 전임상 단계에서 공유 에피토프 양성 개인에서 Prevotella copri의 풍부도가 증가합니다 [204]. 현재 식이 구성은 장 미생물 군집의 조절에 결정적인 역할을 하며, 따라서 RA를 포함한 많은 인간 질환의 예방, 관리 및 치료에 잠재적인 역할을 한다는 것이 인정되고 있습니다 [205]. 최근 몇 년간 식이/영양소, 장 미생물 군집, 면역 반응 관련 유전자 발현 간의 연관성을 보여주는 수많은 연구가 진행되었습니다 [206]. 이 관계를 고려할 때, 식이 개입을 통해 미생물 구성 조작은 중요한 치료적 이점을 제공할 수 있습니다. De Filippis 등[88]의 최근 연구는 식단이 P. copri 균주 수준에 영향을 미친다는 것을 제안했습니다. 연구진은 다양한 식이 패턴을 가진 개인의 장 메타게놈을 분석하여 서로 다른 P. copri 균주의 존재를 확인했습니다. 그들은 식이섬유가 풍부한 식단이 탄수화물 분해 능력이 우수한 P. copri 유형과 연관되어 있음을 발견했으며, 잡식성 식이 패턴과 연관된 P. copri 균주는 분지쇄 아미노산(BCAA) 생합성에 관여하는 유전자의 비율이 더 높았습니다. 특정 균주가 RA를 유발하는 데 더 취약한지, 그리고 다양한 영양 패턴이 이 위험에 영향을 미치는지 여부는 추가 연구를 통해 명확히 밝혀져야 합니다. 그러나 고농도 BCAA는 제2형 당뇨병, 포도당 내성 장애, 말초 혈액 단핵구 세포에서의 산화 촉진 및 염증 촉진 활동을 촉진하는 위험 요인으로 알려져 있습니다[207], 이는 유전적으로 취약한 개인에서 P. copri, 식이, 및 RA 간의 가능성 있는 관계를 시사하며, RA 예방을 목표로 한 정밀 영양 개입의 길을 열 수 있습니다. 미생물군집 매개 질환의 병리 메커니즘은 완전히 규명되지 않았지만, 한 가지 메커니즘은 미생물 대사 과정과 연관될 수 있습니다. 일부 식품이 식이 관련 대사물을 통해 염증 촉진 또는 억제 효과를 나타낸다는 증거가 있습니다[208]. 장 내 공생 미생물이 호스트의 식이에 반응하여 생성하는 대사물은 미생물군집과 호스트의 항상성에 영향을 미쳐 잠재적으로 유익하거나 유해한 효과를 초래할 수 있습니다. Tang 등[91]은 장내 미생물군집의 풍부도에 영향을 미치고 미생물군집 구성과 상호작용하여 호스트 대사 변화를 유발할 수 있는 식이 성분과 식물 화합물을 식별했습니다. 특히 식물 유래 식품의 장기 섭취 및 인공 감미료 섭취는 순환 대사체, 특히 담즙산에 대한 중요한 차이와 연관되었으며, 이는 장 내장형과 연관되어 미생물군집의 구성과 구조가 영양소가 호스트 생리학에 미치는 효과를 매개한다는 것을 시사합니다. 담즙산이 면역 항상성 및 염증 조절에 중요한 신호 전달 분자로 점점 더 인식되고 있다는 점을 고려할 때, 이는 흥미로운 사실입니다 [209].

여러 대사체학 연구와 박테리아의 게놈 기반 분석에 따르면, 미생물 대사 산물이 면역 체계와 염증을 조절하는 것으로 보고되었습니다. 예를 들어, 섬유질을 발효하는 박테리아에 의해 생성되는 단쇄 지방산(SCFA)은 면역 기능과 염증을 매개하는 것으로 알려져 있습니다 [210,211]. 또한 장기적인 채식 식단은 부티레이트 생성 세균의 풍부화와 연관되어 있습니다[212], 반면 류마티스 관절염 환자를 대상으로 한 단기 고섬유질 영양 개입 연구에서는 항염증성 SCFA 증가, 관절염 유발 사이토카인 감소, 미생물군집 구성의 지속적 변화가 관찰되었습니다[102]. 또한 SCFA가 인간 세포에서 히스톤 탈아세틸화 효소 억제제로 작용하여 염증 관련 유전자 발현을 에피게노믹으로 조절할 수 있다는 증거가 제시되었습니다 [213]. 트리메틸아민 N-옥사이드(TMAO)는 식이 콜린, 베타인, L-카르니틴에서 유래한 미생물군집 생성 대사물로, 적색 육류, 계란, 유제품에 풍부하게 함유되어 있습니다. TMAO는 동맥경화 병리 경로와 혈관 기능 장애의 여러 중요한 메커니즘에 영향을 미치며, RA에서 심혈관 질환의 발병 메커니즘을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다 [214]. 지속적인 적색 육류 섭취는 체내 TMAO 수치를 증가시키며, 육류 및 가공육 제품의 높은 섭취는 RA 위험 증가와 연관되어 있습니다 [215,216], 이는 이 연관성이 호스트-미생물군집 및 미생물 대사체에 의해 매개될 수 있음을 시사합니다. 최근 RA 환자는 독특한 구강 미생물군을 가지고 있다는 것이 발견되었습니다. 또한 RA 환자의 구강 미생물군은 건강한 대조군에 비해 미생물 다양성이 더 높았으며, 이는 RA 환자의 구강 내 잠재적으로 병인성 미생물이 더 많을 수 있으며, 이는 질병의 예후에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다 [217]. Tong 등[218]은 RA 발병 위험이 높은 개인의 타액 미생물군집에서 특이적인 구성 변화가 관찰되었으며, 이는 RA의 전임상 단계에서 구강 미생물군집의 불균형이 발생하며 전신 자가면역 특징과 연관되어 있음을 시사합니다. 예를 들어, 구강 내 존재하는 세균인 Porphyromonas gingivalis가 단백질을 시트룰린화하는 효소를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 구강 점막의 염증성 질환(치주염)과 혈청 양성 RA에 대한 높은 취약성 사이의 밀접한 연관성이 제안되었습니다[219]. 흥미롭게도 일부 연구는 식습관이 구강 미생물군집 구성 변화를 통해 직접적 및 간접적으로 치주 건강에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다[103,220,221], 이는 위험군에서 식이 조절을 통해 일부 이점이 달성될 수 있음을 시사합니다.

6. Discussion

The beginning of the 21st century was featured by fast progress in high-throughput ‘omics’ approaches, high-content-technologies, bioinformatics and computational power. Genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, and microbiomics analysis now make it possible to improve the understanding of the pathogenesis of complex diseases such as RA as well as to study the relationship between nutrition, microbiota, health and disease at a molecular level. Thanks to the ‘omics’ methods and approaches, researchers are now experiencing the opportunity of connecting food components, diet, individual genetic background, health, and disease. Novel ‘omics’ technologies offer unprecedented opportunities to overcome the limitations inherent in traditional nutrition and RA research. Although robust associations between dietary intake and population health or disease are evident from conventional observational epidemiology, the outcomes of large-scale intervention studies examining the causality of those links have often proved unconvincing or have failed to demonstrate causality, including nutritional interventional studies related to RA [222,223]. This apparent conflict is most likely due to the well-known difficulty in assessing nutritional status and measuring habitual dietary intake which may lead to confounding in observational epidemiology. Indeed, dietary intake assessment is usually established by self-reported food intake questionnaires, which have intrinsic limitations. Metabolomics and proteomics benefit from the accessibility to the advanced high-sensitivity analytical tools to provide new opportunities for dietary biomarker development and application. Biomarkers of food or nutrient intake may allow to assess food consumption accurately and objectively by measuring blood/urine/fecal metabolites and avoiding the subjective errors that self-reporting of intake may introduce. There are several proteomics and metabolomics studies that have detected candidate biomarkers for diverse dietary habits, as well as for several kinds of foods, including meat, vegetables and fruits. Numerous studies have also described metabolites associated to specific dietary patterns, like MedDiet, high fat, or Western diets [208].

Interestingly, some studies revealed increased levels of carnitine and taurine in patients with active RA [224,225]. Carnitine and taurine are known to be potential biomarkers of meat intake thus this might support the evidences from epidemiological studies which correlate high meat consumption with RA [215]. The identification of food biomarkers is an ongoing process. The application of biomarkers in nutritional research will be crucial to ameliorate the assessment of dietary intake, exposure to particular nutritional components, and of compliance to nutritional interventions, as well providing information on interindividual differences in response to diet. There is a large need for further studies to better understand the influence of diet or dietary bioactive components on RA risk, possibly encompassing a nutrigenomics approach. This approach will lead to precision nutrition, whose goals are the prevention and management of chronic diseases, such as RA, by adjusting nutritional interventions or recommendations according to a specific genetic background or metabolic profile. Even if dietary biomarkers usually allow for a more realistic measure of nutritional intake, some factors which are absent in the conventional methods of dietary assessment could bias the measurement of dietary intake biomarkers. Such factors include genetic variations, nutritional factors (e.g., nutrient-nutrient interaction), lifestyle/physiological conditions (e.g., smoking), biological sampling and analytical methodology. However, existing research on this issue is still scarce. Currently there is no agreement as to which metabolites would be the most suitable biomarkers for distinct kind of foods. By the way, some metabolites are indicators of groups of food, not being capable to distinguish between the exact kinds of foods being examined (for e.g., a metabolite typically found in meat may not be useful in discerning between different types of meat). Possibly, for several foods, an association of diverse metabolites would be more suitable as a marker than a single metabolite. Unfortunately, the multi-omics studies in RA have not gathered dietary intake data nor employed the same ‘omics’ platforms so far, hampering the connection of specific food intake with metabolic changes in RA patients. Thus it is essential to eval‎uate a biomarker’s reliability, reproducibility, ability to reveal modifications over time and robustness throughout different populations, as well as advantages and disadvantages to warrant it is assessed using the adequate techniques [208,226]. Since conducting nutrition research with human subjects may be often challenging, many studies aimed to explore the mutual relationship between autoimmune diseases, including RA, nutrition and microbiota have been- and are being carried out in animal models. However, while animal models have been helpful in clarifying the fundamental mechanisms underpinning RA pathogenesis and immune responses, the use of non-human models to replicate the complexity of the relationship between RA, diet, microbiota as well as to eval‎uate the effects of nutritional interventions, may possibly be misleading, taking into account the several interspecies differences characterizing for e.g., physiologic responses to nutrients and systemic inflammatory challenges [227,228], gastrointestinal physiology and microbiome composition [229]. Recent developments in stem cell biology and three-dimensional complex fluidic in vitro systems offer exciting opportunities for developing new human biology-based models for use in nutrigenomics, microbiota and RA omics-based research [198,229]. Such emerging tools, which are already being applied in biomedical research, are likely to be better models of the complexity of the human in vivo situation. The integration of these tools with nutrigenomics and microbiomics could provide nutrition researchers with huge opportunities to undertake well-controlled experiments using very manageable human-relevant models to investigate the mechanisms through which food components modulate gene and protein expression‎, metabolite production and epigenetic pathways in both health and disease. Individually, ‘omics’ technologies have promoted a critical shift in biomedical and nutrition sciences. Anyhow, each approach individually cannot grab the entire biological complexity of nutrition-disease relationships. Combination of multiple technologies, referred to as ‘multi-omics approach or systems biology’ is emerging as an approach to allow a broader view of biology, disease and the influences of environmental factors, including diet [230].

The integration of data from different ‘omics’ platforms (system biology) could provide multidimensional insight into the relationship between pathogenetic processes and the influence of nutrition, allowing the retrieval‎ of comprehensive and holistic biological information. Although an “inflammatory” dietary pattern may have a role in the switch from preclinical to clinical RA, and early nutritional intervention might possibly result in a delay or prevention of the onset of RA, it requires both an early diagnosis and the identification of at risk population [174,231]. Since current diagnostic tests are not sufficiently sensitive or accurate in the very early stages of the disease, RA is typically diagnosed only once damage to the joints has already begun, a time at which the window for optimal interventions may have been missed. The multi-omics approach has the potential to identify multiple biomarkers that can be used to revolutionize the management of RA by mean of enabling a timely diagnosis. Furthermore, through the analysis of biomarkers in patient populations, the disease could be stratified into distinct subsets that exhibit differential risks, outcomes, and eventually different responses to specific foods or dietary interventions. The integration of diverse complex ‘omics’ datasets may be considered one of the key challenges of today’s bioinformatics, due to different data formats, high data dimensionality and need for data normalization [232,233]. The constant exponential growth in ‘omics’ data requires a parallel development in computing power and software systems for handling this challenge. New bioinformatic stuffs for the integration of data from several ‘omics’ fields continue to arise, and will assist researchers to faithfully decode data in the context of biological systems, but harmonized actions are essential to encourage this process [234]. The multi-omics approach will provide the broader scientific community with a valuable resource to address many questions about RA pathogenesis and disease-nutrition interactions at a system-biology level, resulting in development of new diagnostic tools, therapeutic strategies, and targeted nutritional interventions, resulting in better disease prevention and management (Figure 1).

6. 논의

21세기 초반은

고효율 ‘오믹스’ 접근법, 고내용 기술, 생물정보학 및 계산 능력의

급속한 발전으로 특징지어졌습니다.

게노믹스, 트랜스크립토믹스, 프로테오믹스, 대사체학, 미생물체학 분석은

이제 RA와 같은 복잡한 질환의 병리 메커니즘을 이해하고

영양, 미생물군집, 건강 및 질환 간의 관계를 분자 수준에서 연구하는 것을 가능하게 합니다.

‘오믹스’ 방법과 접근법 덕분에 연구자들은

식품 성분, 식이, 개인의 유전적 배경, 건강, 질병을 연결하는 기회를 경험하고 있습니다.

새로운 ‘오믹스’ 기술은

전통적인 영양학 및 RA 연구의 한계를 극복하는 전례 없는 기회를 제공합니다.

전통적인 관찰 역학 연구에서는

식이 섭취와 인구 건강 또는 질병 간의 강력한 연관성이 명확히 나타납니다.

그러나

이러한 연관성의 인과 관계를 조사한 대규모 개입 연구의 결과는

종종 설득력이 부족하거나 인과 관계를 입증하지 못했으며,

RA와 관련된 영양 개입 연구도 예외는 아닙니다 [222,223].

이 명백한 모순은 영양 상태 평가와 습관적 식이 섭취 측정 시 관찰 역학에서 혼란 요인이 발생할 수 있다는 잘 알려진 어려움 때문일 가능성이 높습니다. 실제로 식이 섭취 평가는 일반적으로 자기 보고식 식이 조사표에 의존하며, 이는 내재적 한계를 가지고 있습니다. 대사체학과 단백체학은 고급 고감도 분석 도구에 접근할 수 있어 식이 생물표지자 개발 및 적용에 새로운 기회를 제공합니다. 식품 또는 영양소 섭취의 생물표지자는 혈액/소변/분변 대사물을 측정함으로써 주관적인 오류 없이 식품 섭취를 정확하고 객관적으로 평가할 수 있습니다. 다양한 식습관 및 육류, 채소, 과일 등 여러 종류의 식품과 관련된 후보 생물표지자를 탐지한 프로테오믹스와 대사체학 연구가 다수 존재합니다. 특정 식이 패턴과 관련된 대사산물에 대한 연구도 다수 진행되었습니다. 예를 들어, 지중해 식이(MedDiet), 고지방 식이, 서구 식이 등 [208]. 흥미롭게도 일부 연구에서는 활동성 류마티스 관절염(RA) 환자에게 카르니틴과 타우린 수치가 증가했다는 결과가 보고되었습니다 [224,225].

카르니틴과 타우린은

육류 섭취의 잠재적 바이오마커로 알려져 있어,

육류 섭취와 RA 사이의 연관성을 보여주는 역학 연구 결과와 일치할 수 있습니다 [215].

식품 바이오마커의 식별은 진행 중인 과정입니다.

영양 연구에서 바이오마커의 적용은 식이 섭취 평가, 특정 영양 성분 노출, 영양 개입 준수도를 개선하는 데 필수적이며, 개인 간 식이 반응 차이에 대한 정보도 제공할 것입니다. RA 위험에 대한 식이 또는 식이 생물활성 성분의 영향을 더 잘 이해하기 위해, 영양유전체학 접근법을 포함하는 추가 연구가 절실히 필요합니다. 이 접근 방식은 특정 유전적 배경이나 대사 프로파일 따라 영양 개입이나 권장 사항을 조정하여 RA와 같은 만성 질환의 예방 및 관리를 목표로 하는 정밀 영양으로 이어질 것입니다. 식이 생물표지자는 일반적으로 영양 섭취를 더 현실적으로 측정할 수 있지만, 전통적인 식이 평가 방법에서 누락된 일부 요인이 식이 생물표지자의 측정 결과를 왜곡할 수 있습니다. 이러한 요인에는 유전적 변이, 영양 요인(예: 영양소 간 상호작용), 생활 방식/생리적 조건(예: 흡연), 생물학적 채취 및 분석 방법론이 포함됩니다. 그러나 이 문제에 대한 기존 연구는 여전히 부족합니다. 현재 특정 식품 유형에 가장 적합한 대사체 바이오마커에 대한 합의는 없습니다. 참고로, 일부 대사체는 식품 그룹의 지표일 뿐, 검사 중인 정확한 식품 유형을 구분할 수 없습니다(예: 고기에서 일반적으로 발견되는 대사체는 다양한 고기 유형을 구분하는 데 유용하지 않을 수 있습니다). 일부 식품의 경우, 단일 대사체보다 다양한 대사체의 조합이 바이오마커로 더 적합할 수 있습니다. 불행히도, RA 환자를 대상으로 한 다중 오믹스 연구는 현재까지 식이 섭취 데이터를 수집하지 않았으며 동일한 ‘오믹스’ 플랫폼을 사용하지 않아, RA 환자의 식이 섭취와 대사 변화 간의 연관성을 규명하는 데 장애가 되고 있습니다. 따라서 바이오마커의 신뢰성, 재현성, 시간 경과에 따른 변화 탐지 능력, 다양한 인구 집단에서의 견고성, 장단점을 평가하여 적절한 기술로 평가될 수 있는지 확인하는 것이 필수적입니다[208,226]. 인간 대상 영양 연구는 종종 어려울 수 있기 때문에, RA를 포함한 자가면역 질환, 영양, 미생물군집 간의 상호 관계를 탐구하기 위한 많은 연구가 동물 모델에서 수행되어 왔으며 현재도 진행 중입니다. 그러나 동물 모델은 RA 병리 메커니즘과 면역 반응의 기본 메커니즘을 밝히는 데 유용했지만, RA, 식이, 미생물군집 간의 복잡한 관계를 재현하거나 영양 개입의 효과를 평가하기 위해 비인간 모델을 사용하는 것은 종간 차이로 인해 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 영양소に対する 생리적 반응과 전신 염증 자극에 대한 반응[227,228], 위장관 생리학 및 미생물군집 구성 [229]. 줄기세포 생물학 및 3차원 복잡 유체 체외 시스템의 최근 발전은 영양유전체학, 미생물군집 및 RA 오믹스 기반 연구에 활용될 수 있는 새로운 인간 생물학 기반 모델 개발에 흥미로운 기회를 제공합니다 [198,229]. 이러한 신흥 도구는 이미 생물의학 연구에 적용되고 있으며, 인간 체내 상황의 복잡성을 더 잘 반영하는 모델이 될 가능성이 높습니다. 이러한 도구와 영양유전체학 및 미생물유전체학의 통합은 영양 연구자들이 건강과 질병 상태에서 식품 성분이 유전자 및 단백질 발현, 대사체 생산 및 에피게놈 경로를 조절하는 메커니즘을 조사하기 위해 매우 관리 가능한 인간 관련 모델을 사용한 잘 통제된 실험을 수행할 수 있는 엄청난 기회를 제공할 수 있습니다. 개별적으로, ‘오믹스’ 기술은 생물의학 및 영양 과학 분야에서 중요한 전환점을 가져왔습니다. 어쨌든, 각 접근법은 단독으로 영양과 질병 관계의 전체 생물학적 복잡성을 포착할 수 없습니다. 다중 기술의 결합, 즉 ‘다중 오믹스 접근법 또는 시스템 생물학'은 생물학, 질병, 환경 요인(식습관 포함)의 영향을 더 넓게 이해하기 위한 접근법으로 부상하고 있습니다[230]. 다양한 '오믹스’ 플랫폼에서 수집된 데이터의 통합(시스템 생물학)은 병리적 과정과 영양의 영향 사이의 관계를 다차원적으로 이해하는 데 기여하며, 포괄적이고 전체적인 생물학적 정보를 추출할 수 있습니다. ‘염증성’ 식이 패턴이 전임상 단계에서 임상적 RA로의 전환에 역할을 할 수 있으며, 조기 영양 개입이 RA 발병의 지연 또는 예방에 기여할 수 있지만, 이는 조기 진단과 위험군 식별이 필수적입니다[174,231]. 현재 진단 검사는 질병의 매우 초기 단계에서 충분히 민감하거나 정확하지 않아, 관절 손상이 이미 시작된 시점에 RA가 진단되며, 이 시점에는 최적의 개입 시기가 이미 놓칠 수 있습니다. 다중 오믹스 접근법은 적시 진단을 가능하게 함으로써 RA 관리 방식을 혁신할 수 있는 다중 바이오마커를 식별하는 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 환자 집단에서 바이오마커 분석을 통해 질병을 서로 다른 위험도, 결과, 그리고 특정 음식이나 식이 개입에 대한 다른 반응을 보이는 서로 다른 하위 그룹으로 분류할 수 있습니다. 다양한 복잡한 ‘오믹스’ 데이터셋의 통합은 데이터 형식, 높은 데이터 차원성, 데이터 정규화 필요성 등으로 인해 오늘날 생물정보학의 주요 도전 과제 중 하나로 고려될 수 있습니다 [232,233]. ‘오믹스’ 데이터의 지속적인 지수적 성장에 따라 이 도전을 처리하기 위한 컴퓨팅 파워와 소프트웨어 시스템의 병행 발전이 필요합니다. 여러 ‘오믹스’ 분야로부터의 데이터 통합을 위한 새로운 생물정보학 도구들이 지속적으로 등장하고 있으며, 이는 연구자들이 생물학적 시스템의 맥락에서 데이터를 정확히 해석하는 데 도움을 줄 것입니다. 그러나 이 과정을 촉진하기 위해 조화된 행동이 필수적입니다 [234].

다중 오믹스 접근법은

RA 병인 메커니즘과 질병-영양 상호작용에 대한 많은 질문을

시스템 생물학 수준에서 해결하는 데 귀중한 자원을 제공할 것입니다.

이는

새로운 진단 도구, 치료 전략, 맞춤형 영양 개입의 개발로 이어져

질병 예방 및 관리가 개선될 것입니다 (그림 1).

Figure 1.

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An integrative ‘omics’ approach will lead to a more human-focused research, precision nutrition, eventually resulting in better prevention strategies, as well as better management of rheumatoid arthritis.

7. Conclusions

The continuous advancement in ‘omics’ technologies has a huge potential to transform nutrition and RA research. The application and integration of novel ‘omics’ technologies together with advanced computational tools will enable a better understanding of RA pathogenetic mechanisms at a molecular level, the discovery of new biomarkers, the identification and characterization of food bioactive compounds and their impact on RA-related pathways. This will lead to a more human-relevant approach to nutrition- and RA- research that ultimately will lead to a nutrigenomics approach and precision nutrition, for future better disease prevention and management.

7. 결론
‘오믹스’ 기술의 지속적인 발전은 영양학 및 류마티스 관절염(RA) 연구를 혁신할 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 새로운 ‘오믹스’ 기술과 고급 계산 도구의 적용 및 통합은 RA의 병리학적 메커니즘을 분자 수준에서 더 잘 이해하는 것, 새로운 바이오마커의 발견, 식품 생물활성 화합물의 식별 및 특성화, 그리고 이러한 화합물이 RA 관련 경로에 미치는 영향을 규명하는 데 기여할 것입니다. 이는 영양학 및 RA 연구에 인간 중심적인 접근 방식을 이끌어내며, 궁극적으로 영양유전체학 접근법과 정밀 영양학으로 이어져 미래의 질병 예방 및 관리에 기여할 것입니다.

Acknowledgments

T.Y.F.-H. is supported by a “Juan de la Cierva-Formación” post-doctoral contract.

Supplementary Materials

The following are available online at https://www.mdpi.com/2072-6643/13/3/763/s1, Table S1: Supplementary information about applied search terms in PubMed.

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Author Contributions

Conceptualization: M.C. and T.Y.F.-H.; Software, L.R. and D.C.; Data curation, I.D. and B.B.; Writing—original draft: M.C. and T.Y.F.-H.; Visualization: M.E.Z. and S.S.C.; Writing—review & editing: J.M.A.-S. and F.G.; Supervision: F.G. and M.B.; Project administration: M.B. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.