Cytokine profiling as a measure of immunological development and deviation throughout pregnancy in healthy women and women with PCOS

Abstract

Norsk sammendrag Cytokinprofilering som mål på immunologiske forandringer gjennom svangerskapet hos friske kvinner og kvinner med PCOS Mors immunsystem tilpasser seg gjennom de ulike fasene av svangerskapet for å sikre best mulige forhold for mor og barn. Immunresponsen organiseres blant annet ved hjelp av et nettverk av små løselige proteiner kalt cytokiner. Analyse av flere cytokiner samtidig kan derfor danne et sensitivt fingeravtrykk av den immunologiske utviklingen gjennom svangerskapet. Polycystisk ovariesyndrom (PCOS) er en hormonell forstyrrelse som kjennetegnes av økte nivåer av mannlig kjønnshormon (androgener), uregelmessig menstruasjon og cyster på eggstokkene. Tilstanden er forbundet med immunologiske forandringer og gir økt risiko for svangerskapskomplikasjoner. Alvorlighetsgraden til PCOS virker å være avhengig av om kvinnen har høye androgennivåer (hyperandrogen fenotype) eller ikke (normoandrogen fenotype). Detaljert kunnskap om hvordan immunsystemet forandrer seg gjennom svangerskapet hos friske kvinner og hos kvinner med PCOS vil kunne bidra til å sikre best mulig oppfølging av mor og barn under svangerskapet. Formålet med denne avhandlingen var å kartlegge den immunologiske utviklingen under svangerskapet hos friske kvinner og hos kvinner med PCOS ved å måle mange cytokiner i mors serum på én gang. Det var videre ønskelig å undersøke om den immunologiske utviklingen hos kvinner med PCOS avvek fra den hos friske gravide, og om mønstre av cytokiner og hormoner varierte med androgen fenotype. Avhandlingen er basert på data fra to grupper friske gravide og to grupper gravide med PCOS. Serumprøver fra flere tidspunkt i svangerskapet hos over 600 kvinner ble analysert for 27 cytokiner, tre hormoner og CRP. En rekke univariate og multivariate statistiske analyser ble benyttet. Cytokinprofilering i serum ga et godt bilde av hvordan immunsystemet utvikler seg gjennom normale svangerskap, og ulike faser av svangerskapet viste distinkte cytokinmønstre. Kvinner med PCOS viste økt immunologisk aktivitet og en avvikende immunologisk utvikling gjennom svangerskapet sammenliknet med kvinner uten PCOS.Kliniske faktorer som mors kroppsvekt og fosterets kjønn påvirket den immunologiske statusen i svangerskapet. Kvinner med PCOS av hyperandrogen fenotype viste økt cytokin- og hormonaktivitet gjennom hele svangerskapet sammenliknet med de med normoandrogen fenotype, og nye subgrupper av kvinner med hyperandrogen fenotype ble oppdaget gjennom kombinert analyse av cytokiner og hormoner. Avhandlingen viser at cytokinprofilering sensitivt og detaljert speiler svangerskapets immunologiske faser og hvordan den immunologiske utviklingen påvirkes av ulike maternelle og føtale faktorer. Det avsløres for første gang at kvinner med PCOS har betydelig forsterket immunologisk aktivering gjennom hele svangerskapet. Denne viser seg å være sterkest hos kvinner med hyperandrogen fenotype og i kombinasjon med varierende hormonnivåer understreker resultatene at PCOS er en heterogen tilstand ved graviditet. Resultatene tyder på at cytokinprofilering på sikt kan ha stor nytte innen svangerskapsomsorgen som sensitivt verktøy for å identifisere og følge opp kvinner med økt risiko for svangerskapskomplikasjoner.

English summary Cytokine profiling as a measure of immunological development and deviation throughout pregnancy in healthy women and women with PCOS During the different stages of pregnancy, the maternal immune system must delicately balance the demands of the developing fetus while maintaining immunological integrity. Cytokines play vital roles in orchestrating the complex and dynamic immunological activity in pregnancy and broad characterization of multiple cytokines may therefore provide a sensitive fingerprint of the immunological state of pregnancy. Polycystic ovary syndrome (PCOS) is a common endocrine disorder associated with immunological alterations in the non-pregnant state and increased risk of complications in pregnancy. The clinical risk profile in women with PCOS seems to differ with androgenic status (hyper- or normoandrogenic phenotype). Detailed knowledge about the immunological development and deviations in pregnancy in healthy women and women with PCOS is vital to support mothers and clinicians making informed decisions to secure optimal health for mother and fetus. The overall aim of this thesis was to explore the immunological development and deviations in pregnancy in healthy women and in women with PCOS. We further wished to explore if the immunological development in women with PCOS deviated from the development in healthy pregnant women, and if cytokine and hormone patterns varied with androgenic phenotype. This thesis includes data from two cohorts of healthy pregnant women and two cohorts of pregnant women with PCOS. More than 600 women provided serum samples at several time points throughout pregnancy. The serum samples were analyzed for 27 cytokines, three androgens and CRP. Several univariate and multivariate statistical methods were used. Serum cytokine profiling provided an accurate measure of the immunological development and deviations in normal pregnancy, and different stages of pregnancy showed distinct serum cytokine patterns. Women with PCOS showed increased immune activity in early pregnancy and a distinct cytokine development throughout pregnancy compared to women without PCOS. Different clinical characteristics such as maternal BMI and fetal sex also affected the immunological patterns in pregnancy. Women with hyper- and normoandrogenic PCOS showed distinct immuno-hormonal activity throughout pregnancy, and new subgroups of hyperandrogenic women were discovered by combined analysis of cytokines and hormones. This thesis confirms that cytokine profiling sensitively reflects the complex immunological dynamics of pregnancy and reveals how it is affected by maternal and fetal factors. We are the first to reveal that women with PCOS show a distinct immunological activity and development throughout pregnancy characterized by a broad mobilization of serum cytokines. Further increased immuno-hormonal activity in women with hyperandrogenic PCOS underlines the heterogeneity of the condition. In total, this thesis displays a promising clinical potential of serum cytokine profiling in pregnancy as a useful tool for more targeted identification and monitoring of women at risk for developing complications.