Standardized phenotyping of periodontitis - using OPG radiographs for genome-wide association studies (GWAS)

Abstract

Introduction: Periodontitis is a complex, inflammatory disease resulting in breakdown of the supporting structures of teeth. The disease is caused by a complex interplay between numerous factors, including the immunological responses of the host, which are largely regulated by genes. Still, the current knowledge on genes and genetic variants affecting the development and progression of periodontitis is limited. Genome-wide association studies (GWAS) have been used successfully in the past to identify genetic variants that associate with the risk of complex diseases. Only a few have been found to be associated with periodontitis. Identifying such variants can aid in the understanding of the biological pathways underlying periodontitis as well as in developing new treatment modalities. GWAS studies of complex diseases generally require large samples and standardized phenotypes.Objectives: The objectives of the study were first; to create standardized diagnostic criteria with which individuals with signs of periodontitis could be retrospectively diagnosed from a large set of orthopantomogram (OPG) radiographs and second; to use the data derived from these methods to create phenotypes to perform the first GWAS studies on periodontitis in Iceland.Materials and methods: Digital OPG radiographs of 4351 adult individuals that had undergone radiographic examination at The Dental Clinic at the University of Iceland in the years 2011-2017 were examined. Measurements on bone loss were made on each individual‘s OPG, by one examiner. To test inter-rater reliability, 100 OPGs were examined by another examiner. Descriptive statistical analyses were performed and individuals were categorized into groups, with (N = 363) and without (N = 619) signs of periodontitis on OPG radiographs, according to pre-designed classification criteria based on measurements of bone loss and the distribution of bone loss and tooth loss. Based on these phenotypes, deCODE genetics conducted GWASs on so-defined case and control groups using samples from individuals who had given their consent for genetic studies. To increase statistical power, cases were also compared to a population control group of about 188 thousand Icelanders.Results: Signs of periodontitis were reliably detected retrospectively from this large set of OPG radiographs (intra-rater reliability = 90%). The study shows that the prevalence of individuals with signs of periodontitis on OPG radiographs was 8.5% among the patients of the THÍ clinic, while 14.4% had no signs of periodontitis on OPG radiographs. No genetic marker reached the threshold of genome-wide significance.1Conclusions: This is the first study conducted in Iceland to retrospectively analyze a large set of OPG for signs of periodontitis and to use the derived phenotypes to look for genetic variants associating with risk of the disease. The methods used to detect signs of periodontitis on OPGs were found to be reliable and can be used to retrospectively identify and categorize individuals into groups of patients with and without signs of periodontitis. Future studies are needed to verify these diagnostic criteria clinically. Although the GWASs performed identified no genetic risk factors for periodontitis, their results can be used in meta-analyses with comparable phenotypes in other populations. It would be of interest to conduct similar GWASs with larger samples and supplemented with clinical examinations. The results emphasize the need for further research on the genetics of periodontitis, on larger sample sizes in more non-homogenous populations and for more standardized definitions of phenotypes.

Inngangur: Tannhaldssjúkdómur (e.periodontitis) er flókinn bólgusjúkdómur sem leiðir til niðurbrots á stoðvefjum tanna. Um er að ræða samspil margra þátta, þ.m.t. ónæmiskerfisins en því er að stórum hluta stjórnað af genum. Þekking á genum og genaþáttum sem hafa áhrif á sjúkdómsmynd tannhaldssjúkdóma er enn takmörkuð.Víðtæk erfðamengisleit (e.genome-wide association study, GWAS) er rannsóknaraðferð sem hefur víða verið notuð með góðum árangri. Aðferðin ber saman tíðni erfðabreytileika í erfðamengi sjúklinga og viðmiðunarhóps í þeim tilgangi að leita erfðaþátta sem tengjast áhættu á sjúkdómum. Séu kennsl borin á slíka erfðaþætti gæti það hjálpað til við að skilja þróun og feril tannhaldssjúkdóma sem jafnvel gæti leitt til nýrra meðferðarleiða. Víðtæk erfðamengisleit flókinna sjúkdóma krefst jafnan stórra hópa einstaklinga og staðlaðra svipgerða (e.phenotypes). Markmið: Tilgangur rannsóknarinnar var tvíþættur. Annarsvegar að kanna hvort unnt væri að greina á áreiðanlegan máta sjúklinga með tannhaldssjúkdóm, á grundvelli orthopantomogram (OPG) röntgenmynda og hinsvegar að nýta gögn myndúrvinnslunnar til þess að skilgreina svipgerðir fyrir fyrstu víðtæku erfðamengisleitirnar sem gerðar hafa verið á tannhaldssjúkdómi á Íslandi, til að leita erfðaþátta sem tengjast áhættu á tannhaldssjúkdómi.Efniviður og aðferðir: Skoðaðar voru stafrænar OPG röntgenmyndir 4351 fullorðins einstaklings sem kom í myndatöku á Tannlæknadeild Háskóla Íslands (THÍ) á árunum 2011-2017. Beintap var mælt á mynd hvers einstaklings af einum skoðanda. Gerð var áreiðanleikakönnun (intra- og inter-rater reliability) á grundvelli 100 röntgenmynda sem og ítarleg lýsandi tölfræðigreining á gögnunum. Einstaklingar voru síðan flokkaðir í hópa, með og án merkja um tannhaldssjúkdóm, eftir fyrirfram ákveðnum skilgreiningum og flokkunarkerfi byggt á mælingum og dreifingu á beintapi og tannvöntun á OPG röntgenmyndum. Því næst voru gerðar víðtækar erfðamengisleitir meðal þeirra sem höfðu gefið sýni og samþykki til erfðarannsókna hjá Íslenskri erfðagreiningu (Íe). Annars vegar voru bornir saman hópar með (N = 363) og án (N = 619) merkja um tannhaldssjúkdóm á OPG röntgenmyndum og hinsvegar var erfðamengi sjúklingahópsins borið saman við erfðamengi um 188 þúsund Íslendinga í viðmiðunarhópi. Niðurstöður: Unnt er að greina sjúklinga sem bera merki um tannhaldssjúkdóm á áreiðanlegan hátt (áreiðanleiki milli tveggja skoðara = 90%) úr stóru safni OPG mynda. Sýnt var fram á að hlutfall skjólstæðinga THÍ á árunum 2011-2017 sem greindir voru með merki um tannhaldssjúkdóm var 8.5% en 14.4% greindust ekki með merki um tannhaldssjúkdóm. Víðtækar erfðamengisleitir skiluðu ekki niðurstöðum sem náðu þröskuldi tölfræðilegrar marktækni1 og því fannst enginn erfðaþáttur sem óyggjandi tengist tannhaldssjúkdómi. Ályktanir: Þetta er fyrsta rannsóknin sem gerð hefur verið á Íslandi til að greina einstaklinga sem bera merki um tannhaldssjúkdóm á grundvelli OPG röntgenmynda og til að nota skilgreindar svipgerðir til að leita erfðaþátta sem tengjast áhættu á tannhaldssjúkdómi. Hægt er að álykta að aðferðirnar sem lýst er og voru notaðar í þessari rannsókn séu gagnlegar til að bera kennsl á og flokka á staðlaðan og áreiðanlegan hátt, einstaklinga í tvo hópa; þá sem hafa merki um tannhaldssjúkdóm og þá sem hafa heilbrigt tannhald samkvæmt röntgenmyndum. Þó niðurstöður víðtæku erfðamengisleitanna hafi ekki greint erfðaþátt má nýta þær í samanburði við niðurstöður annarra rannsókna á sambærilegum svipgerðum. Frekari rannsókna er þörf á erfðaþáttum tannhaldssjúkdóma og leiða má líkum að því að stærri hópa sé þörf til að rannsaka erfðaáhættu svo flókins sjúkdóms. Áhugavert væri að gera svipaðar rannsóknir og þessa, byggðar á klínískri skoðun og greiningu. Niðurstöðurnar sýna fram á þörf á frekari rannsóknum á erfðaþáttum tannhaldssjúkdóma, á stærri hópum í fjölbreytilegum þýðum og þörf á stöðluðum skilgreindum svipgerðum tannhaldssjúkdóms.