월요 소화기내과 컨퍼런스 The role of fecal biomarkers (calprotectin and lactoferrin) in the evaluation and monitoring for IBD 경희대학교병원 소화기내과 고원진

서론 생물표지자의 필요성 IBD 국내 유병률 증가 추세 임상지표(clinical indices)들은 복잡 Incidence of CD and UC in the Songpa-Kangdong district, Seoul, 1986–2005. IBD 국내 유병률 증가 추세 임상지표(clinical indices)들은 복잡 증상이나 진찰 소견에 근거를 두고 있어 장관의 염증 정도를 정확히 반영 못함 내시경검사는 비용이 많이 들고 침습적 검사이므로 자주 시행할 수 없음 Inflamm Bowel Dis Volume 14, Number 4, April 2008 장관의 염증을 객관적으로 측정하고 활동성을 감시할 수 있는 간단하고 저렴하면서 비침습적인 검사법의 필요

247–255 대변 내의 biomarker는 장점막과 직접 접촉하므로 장관의 염증을 보다 D. DESAI et al. 2007 Review Aliment Pharmacol Ther 25, 247–255 1980-2006 대변 내의 biomarker는 장점막과 직접 접촉하므로 장관의 염증을 보다 정확히 반영할 개연성이 있으며, 검사가 비침습적이고 비교적 저렴하여 주목받고 있다.

Calprotectin Calprotectin is a calcium binding protein with bacteriostatic and fungistatic properties. It is found in abundance in neutrophils and it is extremely stable. Measurement of faecal calprotectin would represent a surrogate marker of neutrophil influx into the bowel lumen and in turn, act as a marker of intestinal inflammation. It is resistant to enzymatic degradation and can be easily measured in faeces. It is not decomposed by fecal bacterial microflora, being present up to several days for stool stored at room temperature or more than 6 months when frozen. Calprotectin은 항균작용을 나타내는 단백질로서, 중성구의 세포질 단백의 50-60%를 차지하며 세포가 파괴되거나 활성화되면 세포 외로 분비되므로 염증의 정도와 잘 비례하는 민감한 표지자로 알려져 있다.

Lactoferrin Lactoferrin is a glycoprotein found in many body fluids as well as in granules of neutrophil granulocytes. Fecal lactoferrin levels quickly increase after influx of neutrophils into intestinal lumen during inflammation. Lactoferrin is a sensitive and specific marker in identifying intestinal inflammation. It is not decomposed by fecal bacterial microflora, being present up to 5 days for stool stored at room temperature. Lactoferrin은 중성구 2차 과립의 주성분이며 중성구가 활성화되면 분비되어 급성염증반응의 주요 인자로 작용 한다.9 대변 내에서 매우 안정하여 수 차례 동결-해동 과정을 거쳐도 영향을 받지 않으며 5일간 안정적으로 유지된다.10 Calprotectin과 마찬가지로 ELISA법으로 측정이 가능하다

염증성 장질환에서 대변 생물표지자의 유용성 진단 활성도 평가 치료 반응 평가 재발 예측 염증성 장질환과 과민성 장증후군의 감별 소장 크론병의 진단 대변 생물표지자가 증가하는 다른 질환들 활성도 평가 치료 반응 평가 재발 예측 관해 후 재발 예측 수술 후 재발 예측

염증성 장질환과 과민성 장증후군의 감별 염증성 장질환의 경우에는 체중감소, 빈혈, 혈변 등 기질적 원인을 시사하는 증상이나 증후가 동반되는 경우 가 흔하지만, 감별을 위해 내시경검사가 필요하다. 만약 염증성 장질환에 특이적인 생물표지자가 있다면 과민성 장증후군 환자에서 불필요한 내시경검사를 피할 수 있다. 복통이나 설사 등의 증상을 호소하는 환자에서 그 원인이 기질적 인지 기능성인지 감별하는 것이 중요하다. 염증성 장질환의 경우에는 체중감소, 빈혈, 혈변 등 기질적 원인을 시사하는 증상이나 증후가 동반되는 경우가 흔하지만, 때론 과민성 장증후군과의 감별이 어려운 경우가 있으며, 감별을 위해 내시경검사가 필요하게 된다. 만일 염증성 장질환에 특이적인 생물표지자가 있다면 과민성 장증후군 환자에서 불필요한 내시경검사를 피할 수 있으므로, 특히 서구처럼 내시경검사 비용이 고가인 지역에선 유용할 것이다.

염증성 장질환과 과민성 장증후군의 감별 (1) Histologic inflammation, predict relapses, Differentiate from IBS, Cause clinical symptoms, Response to treatment Michael R. et al. Inflamm Bowel Dis Vol. 12, Number 6, June 2006 1. 대변 calprotectin; IBD 증가, IBS와 정상대조군 간에는 차이가 없다. 4,18,19 2. IBD 환자에서 대변 calprotectin; 높은 음성예측도, 양성예측도는 낮았다. 4 절사값을 50 μg/g으로 했을 때 민감도와 특이도는 89%, 81%였으며, 절사값을 100 μg/g으로 했을 때는 각각 98%, 91%였다. 18 Von Roon et al. Am J Gastroenterol 2007;102:803–813

Recommended position of faecal calprotectin in diagnostic pathway 염증성 장질환과 과민성 장증후군의 감별 (2) Recommended position of faecal calprotectin in diagnostic pathway 다른 메타분석에서 염증성장질환이 의심되는 환자에서 선별검사로 사용할 경우 내시경검사가 필요한 환자의 수를 67% 감소시키는 효과를 나타냈다. 반면에 검사결과가 위음성을 보임으로 인해 약 6%의 환자에서 진단이 늦어지는 문제가 있었다. van Rheenen P F et al. BMJ 2010;341:bmj.c3369

염증성 장질환과 과민성 장증후군의 감별 (3) 19개의 연구, 1,000명의 환자를 분석한 결과, IBD 진단에서 대변 lactoferrin의 평균 민감도는 80%, 특이도는 82%,20 일부 연구에서는 100%의 특이도를 보여 대변 lactoferrin이 증가된 경우 IBS을 완전히 배제할 수 있었다.21 대변 lactoferrin, calprotectin, polymorphonuclear neutrophil (PMN)-elastase와 CRP 등 네 가지 생물표지자를 비교한 결과, calprotectin과 lactoferrin의 IBD 진단정확도는 80%로, PMN-elastase (74.1%)나 CRP (64%)보다 높았다.22 크론병에서는 calprotectin (84%)이 가장 높은 진단 정확도를 보인 반면, 궤양성대장염에서는 lactoferrin (83.3%)이 가장 높았다. 저자들은 네 가지 생물표지자와 임상지표를 종합한 comprehensive index를 제시하였는데, UC 진단 정확도를 95%까지 높일 수 있었다. Inflamm Bowel Dis Volume 15, Number 11, Nov 2009 Langhorst et al. Am J Gastroenterol 2008;103

소장 크론병의 진단 (1) S. DOLWANI et al. Aliment Pharmacol Ther 2004; 20 내시경으로 관찰이 어려운 소장의 염증을 반영하고 진단할 수 있는 생물표지자가 있다면 유용할 것이다. 소장 병변 진단의 대변 calprotectin 유용성을 조사한 연구에서, 소장조영술을 통해 소장 병변이 진단된 모든 증례에서 대변 calprotectin 수치가 60 μg/g보다 높았다. 즉, 대변 calprotectin 수치가 60 μg/g보다 낮을 경우 음성예측치는 100%였다. 이를 근거로 저자들은 대변 calprotectin 수치가 60 μg/g 미만일 경우, 소장조영술을 시행할 필요가 없다고 주장하였다.26 S. DOLWANI et al. Aliment Pharmacol Ther 2004; 20

소장 크론병의 진단 (2) Sipponen T et al. Scand J Gastroenterol 2012;47 그러나 캡슐내시경을 이용한 최근의 연구에서는 대변 calprotectin는 낮은 민감도로 인해 소장 크론병의 선별검사로서의 유용성은 낮다고 하였다.27 캡슐 내시경을 통해 소장 크론병으로 진단된 환자에서 calprotectin은 높았으나 검사의 민감도와 특이도는 59%, 71%였다. Sipponen T et al. Scand J Gastroenterol 2012;47

대변 생물표지자가 증가하는 다른 질환들 van Rheenen P F et al. BMJ 2010;341:bmj.c3369 세균성 혹은 바이러스성 장염, 위장관의 악성종양 및 폴립, 복강병(celiac disease), 현미경장염, 혹은 NSAID 복용 시에도 대변 내 생물표지자가 증가할 수 있으므로 검사 결과를 판독할 때 유의해야 한다. . van Rheenen P F et al. BMJ 2010;341:bmj.c3369

활성도 평가 (1) F Costa et al. Gut 2005;54:364–368. doi: 10.1136 Table 4. Overall Strength of Association Between Biomarkers and Estimates of Disease Activity Using the Spearman Rank Correlation Coefficient, 0.15 IBD 활동성을 평가하는 임상적, 내시경적 및 조직학적 지표들과 대변 생물표지자와 연관성에 대한 연구들이 진행되었다. 79명의 IBD를 12개월 추적 관찰한 연구에서 대변 calprotectin은 UC에서 임상지표와 비례하여 질병활성도를 잘 반영했으나, 크론병에서는 유의한 결과를 보이지 못했다.28 164명의 크론병 환자를 대상으로 한 연구에서도 대변 calprotectin 및 lactoferrin CDAI와 유의한 상관 관계를 보이지 않았던 반면, 내시경적 활성도와는 상관 관계를 보였다.29 Simple Endoscopic Score for Crohn’s Disease (SES-CD) Figure 1 (A). ROC curve for faecal calprotectin in predicting the relapse rate in CD The area under the curve was 0.58 (95% CI 0.40–0.77) (B). ROC curve for faecal calprotectin in predicting the relapse rate in UC The area under the curve was 0.87 (95% CI 0.77–0.98) Table 6. Area Under the Curve and Standard Error for Each Biomarker and Combination of Biomarkers as a Predictor of Endoscopic Disease Activity (SES-CD 7) F Costa et al. Gut 2005;54:364–368. doi: 10.1136 JONES ET AL. CLINICAL GASTROENT. AND HEPA. Vol. 6,

활성도 평가 (2) BMC Research Notes 2009, 2:221 그러나 CDAI 와 유의한 상관 관계를 보였다는 보고도 있다.30 같은 연구에서 대변 calprotectin과 lactoferrin 모두 내시경적 활성도 지표와도 상관 관계를 보였으며, 52명의 환자 중 49명 에서 대변 lactoferrin 양성, 40명에서 calprotectin 양성을 보여 조직학적 활성도와도 연관을 보였다. BMC Research Notes 2009, 2:221

활성도 평가 (3) James D. LEWIS, GASTROENTEROLOGY Vol. 140, No. 6 연구들을 종합하면, IBD에서 내시경 점수와 대변 calprotectin의 상관계수는 0.48-0.83이며, lactoferrin의 경우엔 0.19-0.87로 보고되었다.31 James D. LEWIS, GASTROENTEROLOGY Vol. 140, No. 6

치료에 대한 반응 평가 (1) IBD에서 치료에 대한 반응을 평가하고 예측하는 데 있어 대변 생물표지자들이 이용되고 있다. 38명의 염증성장질환 환자를 대상으로 치료 전후(8주) 대변 calprotectin을 측정한 결과, UC에서 완전반응; 유의한 감소(P＜0.01) 부분반응 혹은 무반응을 보인 경우엔 유의한 변화가 없었다. CD에서 완전반응; 감소하는 경향을 보였다(P=0.13). 계속 증가되어 있었던 경우엔 30%의 환자가 불완전반응 치료후 대변 calprotectin의 정상화가 성공적인 치료결과를 예측하는 대리표지자로서의 가능성을 보였다.34 급성 중증 UC에서 대장절제술이 필요했던 경우에 대변 calprotectin이 높았으며 Kaplan-Meier 분석에서 1,922.5 μg/g을 절사값으로 했을 때 1.1년의 추적기간 동안 87%의 환자에서 대장절제술이 필요하여, 대변 calprotectin이 대장절제술의 예측인자였다.35 Figure 1 FC levels (box displays median, 25-75th percentile and lines 10-90th percentile with dots displaying outliers), and treatment outcome in terms of complete and incomplete response in patients with UC and CD treated for 8 wk Figure 3 . Kaplan – Meier survival curves for UC patients, with values for calprotectin above and below 1,922.5 ug / g (log-rank P = 0.02, median 0.9 years follow-up; ROC analysis of maximum likelihood ratio 9.23). M.Wagner et al. World J Gastroenterol Sep. 28, 2008 Volume 14 Ho et al. The American Journal of GASTROENTEROLOGY

치료에 대한 반응 평가 (2) A. G. Røseth et al. Scand J Gastroenterol 2004 (10) IBD 치료목표인 점막치유를 확인하기 위해선 침습적인 내시경검사가 필수적인데, 이를 대신할 점막치유의 대리표지자로서 대변 생물표지자가 주목받고 있다. 내과적치료후 점막치유가 유도된경우 UC, CD 모두에서 대변calprotectin이 50 μg/g 이하로 감소되었고,37 UC 치료 후 대변 lactoferrin이 Mayo score 감소와 비례하여 유의하게 감소한다고 보고되었다.38 Fig. 1. Faecal calprotectin values among IBD patients with active disease (closed circles) and during remission (open circles). There are 18 paired patients (6 with CD and 12 with UC) connected with lines. Faecal calprotectin values are on a log scale. A. G. Røseth et al. Scand J Gastroenterol 2004 (10) I Masoodi et al. Journal of Gastroent. and Hep, 24 (2009)

치료에 대한 반응 평가 (3) Inflammatory Bowel Diseases. 14(10) October 2008 Fast and sharp decrease in calprotectin predicts remission by infliximab in anti-TNF naïve patients with ulcerative colitis. METHODS: In this prospective study 53 patients with active UC were treated with infliximab (5 mg/kg) at baseline, week 2, and week 6. Faecal calprotectin was measured every week. Sig. were performed at baseline, wk 6 and wk 10. RESULTS: Median calprotectin levels decreased from 1260 at baseline to 72.5 at week 10 (p<0.001). After 10 weeks, infliximab therapy induced endoscopic remission and a decrease in calprotectin to<50 mg/kg A significant decrease of calprotectin levels was seen at week 2 for patients with an endoscopic remission at week 10. (p<0.001). At week 10 an excellent correlation was found between endoscopic remission and clinical Mayo score and with calprotectin levels CONCLUSIONS: Infliximab induces a fast and significant decrease of faecal calprotectin levels in anti-TNF naïve patients 특히 기존의 치료에 비해 점막치유효과가 우수한 것으로 알려진 생물학제제 치료후 반응을 관찰하고 예측하는데 대변생물표지자가 유용한 것으로 보고되고 있다. 15명의 CD를 대상으로 한 초기 연구에서 항TNF 치료후 대변 calprotectin과 lactoferrin 모두 유의한 감소를 보였으며, 이는 Crohn’s disease endoscopic index of severity (CDEIS)와 밀접한 연관을보여 두 표지자 모두 점막치유를 잘 반영하였다.39 53명의 UC환자에서 infliximab 유도요법(0, 2, 6주)을 하면서 매주 대변calprotectin을 측정하여 변화를 관찰한 결과, 10주째 calprotectin의 중간값은 1,260μg/g에서 72.5μg/g으로 감소하였으며, 특히 10주째 내시경적 관해가 유도된 환자에서는 치료 2주째 calprotectin이 급격히 감소하였다.40 De Vos M et al. J. Crohns Colitis 2012 Jun;6(5)

관해 후 재발 예측 (1) 임상적 관해 상태의 염증성장질환 환자 80명을 1년동안 추적 관찰한 연구에서 Figure 1. 재발군과 비재발군 간에 대변 calprotectin의 유의한 차이를 보였으며(크론병, 122 vs. 41.5 μg/g; 궤양성 대장염, 123 vs. 29.0 μg/g), 절사값 50 μg/g에서 민감도 90%, 특이도 83%로 재발의 위험을 예측할 수 있었다.41 Figure 1. ROC for fecal calprotectin in predicting relapse of disease in all patients with IBD (CD and UC). The value of fecal calprotectin that gives the maximal sum of (sensitivity) + (specificity) is 50mg/L. TIBBLE ET AL. GASTROENTEROLOGY Vol. 119, No. 1

관해 후 재발 예측 (2) F Costa et al. Gut 2005;54:364–368. doi: 10.1136 Figure 2 (A) Kaplan-Meier survivor curves for Crohn’s disease patients, with values for calprotectin above and below 150 mg/g. Log rank test for equality of survivor functions, p value = 0.0432. (B) Kaplan-Meier survivor curves for ulcerative colitis patients with values of calprotectin above and below 150 mg/g. p value = 0.0000. 그러나 동일한 디자인의 다른 연구에서는 UC경우 대변 calprotectin 수치가 유의한 차이를 보인 반면(220.6 vs. 67 μg/g), 크론병에서는 두 군 간에 차이가 없어 다른 결과를 보였다. 이 연구에서 대변 calprotectin이 150 μg/g 이상인 경우 재발의 위험도는 궤양성대장염은 14배, 크론병은 2배로, 크론병보다는 궤양성 대장염에서 재발의 강력한 예측인자였다.28 F Costa et al. Gut 2005;54:364–368. doi: 10.1136

관해 후 재발 예측 (3) Prediction of Crohn’s disease relapse with faecal calprotectin in infliximab responders: a prospective study Laharie et al. investigated the role of FC in predicting relapse of Crohn’s disease in patients induced with IFX and maintained on immunomodulator monotherapy. In the 77% patients who responded to IFX at week 14 (steroid-free with Crohn’s disease activity index (CDAI) <150), 46% had a clinical relapse based on CDAI over the next 38 weeks. In this study, FC at week 14 did not predict who in remission would relapse over the next 38 weeks at either of the cutoff levels generally used; C-reactive protein (CRP) was also not predictive. Aliment Pharmacol Ther 2011; 34: 576–586 65명의 크론병환자를 대상으로한 전향적 연구에서 infliximab유도요법후 관해가된 환자 50명(77%) 중 23명이 1년내에 재발을 경험하였는데, 14주째 대변 calprotectin 수치는 관해유지군과 재발군 간에 차이가 없어 재발을 예측하지 못했다.42 반면 infliximab중단후 재발의 예측인자를 조사한 STORI 연구에서는 남성, 백혈구 ＞6,000/mm3, 혈색소 ≤14.5 g/dL, CRP ≥ 0.5 mg/dL, 대변 calprotectin ≥300 μg/g 등이 재발의 위험인자로 나타났다.43 LOUIS ET AL GASTROENTEROLOGY Vol. 142, No. 1

관해 후 재발 예측 (4) Inflamm Bowel Dis Volume 18, Number 11, November 2012 항TNF 치료를 받은 60명의 IBD환자(크론병 34명, 궤양성 대장염 26명)를 대상으로 한 최근 연구에서도 유도요법후 대변 calprotectin이 정상화된 31명 중 26명(84%)이 1년 후에 임상적 관해 상태였던 것에 비해 calprotectin이 100μg/g 이상으로 증가되어 있었던 29명 중 11명(38%)만이 관해 상태를 유지하고 있었으며, 절사값을 139 μg/g으로 했을 때 민감도 72%, 특이도 80%로 1년 후 활동성 질환의 위험을 예측할 수 있었다.44 ROC curve of the best value of FC decline to predict positive response in IBD patients. The value is 88%, with a sensitivity of 87% and a specificity of 65%, AUC 0.771

수술 후 재발 예측 (1) Fecal lactoferrin and calprotectin after ileocolonic resection for Crohn's disease. METHODS: 63 patients who had undergone ileocolonic resection for Crohn's disease with a median follow-up of 40.5 months were enrolled. The predictors for fecal lactoferrin and calprotectin levels RESULTS: The mean lactoferrin level was 21 mg/g and the mean calprotectin fecal level was 247 ng/ml. C-reactive protein levels (P < 0.01), calprotectin levels (P < 0.01), and the presence of clinical recurrence (P = 0.04) resulted to be independent predictors of lactoferrin levels. Only lactoferrin levels resulted to be an independent predictor for calprotectin fecal levels (P < 0.01). Scarpa M. et al. Dis Colon Rectum. 2007 Jun;50(6):861-9. 회장-결장절제술(ileocolonic resection)을 통해 수술적 관해가 된 크론병환자의 대변 생물표지자의 유용성에 대한 연구에서 수술 후 40.5개월의 추적기간동안 대변 calprotectin은 평균 247.0±22.7 ng/mL, lactoferrin은 평균 21.0±3.9 μg/g로 수술 후에도 비교적 오랫동안 높게 유지되어 수술 후 재발을 예측하기에 대변 표지자의 유용성은 제한적일 것이라고 보고되었으나,45

수술 후 재발 예측 (2) 그 후 다른 전향적 연구에서는 수술 후 별다른 합병증이 없다면 2개월 내로 calprotectin 및 lactoferrin 수치가 정상화되며, CRP나 내시경 소견보다 더 정확하게 수술 후 재발을 예측할 수 있었다.46

요약

결론 대변 생물표지자는 염증성 장질환의 진료에 있어 기능성 장질환과의 감별, 질병의 활성도 평가, 치료 후 반응의 평가 및 예측, 내과적 혹은 수술적 관해 후 재발의 예측 등 다양한 방면에서 유용성이 입증되고 있다. 대변 생물표지자가 현재 진단의 기준이 되는 내시경을 대체할 수 있는 것은 아니지만, 이에 대한 경험과 정보가 축적된다면 불필요한 검사를 줄이고 적절한 진료 지침을 마련하는 데 도움이 될 것이다.

CALFAST vs calprest-elisa