炎症性および高インスリン食パターンは特定の腸内マイクロバイオームプロファイルと関連している：TwinsUKコホート研究
近年、腸内マイクロバイオーム（gut microbiome）が人間の健康と疾病において果たす役割が注目を集めています。研究によれば、腸内微生物の不均衡（dysbiosis）は、肥満、炎症性腸疾患、がん、神経変性疾患など、多くの慢性疾患と密接に関連しています。食事は腸内マイクロバイオームに影響を与える重要な要因であり、微生物の組成や機能を調節することで宿主の代謝健康に影響を及ぼす可能性があります。しかし、食事パターンと腸内マイクロバイオームの具体的な関連メカニズムはまだ十分に解明されていません。
本研究は、2つの代謝性食事パターン——高インスリン血症食事指数（Empirical Dietary Index for Hyperinsulinaemia, EDIH）と炎症性食事パターン（Empirical Dietary Inflammatory Pattern, EDIP）——と腸内マイクロバイオームの関係を探ることを目的としています。EDIHとEDIPは、食物摂取頻度質問票（Food Frequency Questionnaire, FFQ）に基づいて開発された食事指数で、それぞれ食事がインスリン分泌と慢性炎症に及ぼす影響を評価するために使用されます。これまでの研究では、これらの食事パターンが2型糖尿病、心血管疾患、がんなどの代謝性疾患のリスクと関連することが示されています。しかし、腸内マイクロバイオームがこれらの関連性において果たす仲介役割は十分に研究されていません。
論文の出典
本論文は、The Ohio State University、University of Utah、およびKing’s College Londonの研究チーム、Ni Shi、Sushma Nepal、Rachel Hooblerらによって共同で執筆されました。論文は2024年10月14日に受理され、Gut Microbiome誌に掲載され、タイトルは《Pro-inflammatory and hyperinsulinaemic dietary patterns are associated with specific gut microbiome profiles: A TwinsUK cohort study》です。
研究の流れ
1. 研究対象とデータ収集
研究はTwinsUKコホートを基に行われました。これは英国の双胞胎登録データベースで、18歳から100歳までの15,000人以上の双胞胎参加者が含まれています。研究チームはこのコホートから1,610名の成人参加者を選び、これらの参加者は糞便サンプルの16S rRNAシーケンスデータを提供しました。さらに、研究では参加者の食習慣（FFQによる）、血清バイオマーカー（インスリン、グルコース、C反応性蛋白など）、およびライフスタイルや人口統計学的情報を収集しました。
2. 食事評価とEDIH/EDIPの計算
食事データは131項目のFFQを用いて評価され、参加者が週に摂取する食品の種類と量が記録されました。データの比較可能性を確保するため、研究チームは食品摂取量を米国栄養データシステム（Nutrition Data System for Research, NDSR）の推奨分量に標準化しました。これらのデータに基づき、研究チームは各参加者のEDIHとEDIPスコアを計算しました。EDIHとEDIPはそれぞれ、食事がインスリン分泌と慢性炎症に及ぼす潜在的な影響を反映しています。
3. 腸内マイクロバイオームの分析
糞便サンプルの16S rRNAシーケンスデータはIllumina MiSeqプラットフォームで生成され、DADA2パイプラインを用いて分析されました。研究チームはシーケンスデータを属（genus）レベルに分類し、マイクロバイオームのα多様性（Shannon指数とPielou均等度指数）を計算しました。EDIHとEDIPに関連するマイクロバイオームの特徴を特定するため、研究チームは弾性ネット回帰（Elastic Net Regression）モデルを使用し、10分割交差検証を用いてモデルの訓練とテストを行いました。
4. 機能経路の予測
研究チームはPICRUSt2ツールを使用して、EDIHとEDIPに関連するマイクロバイオームの機能経路を予測しました。代謝経路の多変量線形回帰分析を通じて、食事パターンと有意に関連する生合成および分解経路をスクリーニングしました。
5. 統計分析
研究では、多変量線形回帰モデルを用いて、EDIHとEDIPスコアと血清バイオマーカー（インスリン、グルコース、C反応性蛋白など）の関係を分析しました。さらに、双子ペアに対する感度分析を行い、遺伝的要因の影響を排除しました。
主な結果
1. 食事パターンとマイクロバイオームの多様性
研究によると、高いEDIHとEDIPスコア（つまり、高インスリン血症または炎症促進型の食事パターン）は、腸内マイクロバイオームのα多様性の低下と有意に関連していました。具体的には、最低五分位と比較して、最高五分位のEDIHとEDIPスコアは、それぞれShannon指数を3.2％と2.3％低下させ、Pielou均等度指数を2.1％と1.4％低下させました。
2. EDIHとEDIPに関連する微生物属
弾性ネット回帰モデルにより、EDIHに関連する32の微生物属とEDIPに関連する15の微生物属が特定されました。特に、Ruminococcaceae_UCG-008、Lachnospiraceae_UCG-008、Defluviitaleaceae_UCG-011などの属は、低いインスリンおよび炎症レベルと関連していました。一方、NegativibacillusやStreptococcusなどの属は、高いインスリンおよび炎症レベルと関連していました。
3. 機能経路の分析
機能経路の分析によると、EDIHとEDIPスコアは、複数の代謝経路と有意に関連していました。例えば、EDIHスコアが高い参加者は、脂肪酸生合成経路の減少を示しました。一方、EDIPスコアが高い参加者は、ヌクレオチド糖やアミノ酸代謝経路の変化を示しました。さらに、メバロン酸経路（Mevalonate Pathway）は、両方の食事パターンで有意に上方調節されており、この経路はコレステロール合成と細胞代謝調節と密接に関連しています。
4. 血清バイオマーカーの分析
研究によると、高いEDIHとEDIPスコアは、高いインスリンレベルとインスリン抵抗性（HOMA-IR）と有意に関連していました。また、EDIPスコアは、高いC反応性蛋白レベルとも関連しており、炎症促進型の食事パターンが全身性炎症を引き起こす可能性を示唆しています。
結論と意義
本研究は、高インスリン血症および炎症促進型の食事パターンが、腸内マイクロバイオームの組成と機能を変化させることで、宿主の代謝健康と慢性疾患リスクに影響を及ぼす可能性を示しています。具体的には、これらの食事パターンはマイクロバイオームの多様性を低下させ、脂肪酸、アミノ酸、コレステロール代謝に関連する生合成経路を変化させます。これらの発見は、将来の食事介入研究において、腸内マイクロバイオームを調節することでインスリン抵抗性と慢性炎症を軽減し、代謝健康を改善するための新たな方向性を提供します。
研究のハイライト
- 非米国人口で初めてEDIHとEDIPの有効性を検証：本研究は、英国のTwinsUKコホートで初めてEDIHとEDIPを適用し、食品分量の標準化を通じてデータの比較可能性を向上させました。
- 食事パターンに関連する微生物属を特定：弾性ネット回帰モデルを用いて、高インスリン血症および炎症促進型の食事パターンと有意に関連する微生物属を特定し、将来のマイクロバイオーム介入のための潜在的なターゲットを提供しました。
- 機能経路分析による代謝メカニズムの解明：PICRUSt2ツールを用いて、EDIHとEDIPが脂肪酸、アミノ酸、コレステロール代謝経路に及ぼす影響を明らかにし、食事パターンと代謝健康の間のメカニズムを理解するための新たな知見を提供しました。
その他の価値ある情報
研究チームは、双子ペアに対する感度分析も行い、マイクロバイオームの多様性と食事パターンの関係が双子ペアにおいても一貫していることを示し、研究結果の堅牢性をさらに裏付けました。さらに、研究チームは、将来の研究においてメタゲノムおよびメタトランスクリプトームデータを組み合わせる必要性を強調し、食事パターンとマイクロバイオームの複雑な相互作用をより包括的に解明することを提唱しました。