母乳微生物とオリゴ糖が乳児腸内細菌叢の時間的発達に果たす役割

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母乳微生物とオリゴ糖が乳児腸内細菌叢の発達に果たす重要な役割

学術的背景

乳児の腸内細菌叢の発達は、生命の初期段階において極めて重要であり、母乳育児はこのプロセスの主要な要因の一つです。母乳は、乳児に必要な栄養を提供するだけでなく、豊富な微生物やオリゴ糖、特にヒトミルクオリゴ糖（Human Milk Oligosaccharides, HMOs）を含んでいます。これらの成分は、乳児の腸内細菌叢の形成に深い影響を与えます。しかし、母乳中の微生物とHMOsが乳児の腸内細菌叢の発達に重要な役割を果たすことが示されているものの、授乳期間中にそれらがどのように時間とともに変化するかについての体系的な研究はまだ限られています。特に、オランダ人を対象とした研究はさらに少ない状況です。そこで、本研究は、母乳中の微生物とHMOsが、乳児の出生後1ヶ月、3ヶ月、および9ヶ月時の腸内細菌叢の組成に及ぼす影響を探ることを目的とし、この分野の研究ギャップを埋めることを目指しています。

論文の出典

この研究は、オランダのワーヘニンゲン大学（Wageningen University & Research）、マーストリヒト大学（Maastricht University）、およびFrieslandCampinaなどの研究チームによって共同で行われました。論文の筆頭著者はMartha F. Endika、責任著者はHauke Smidtです。この研究は2024年4月26日に受理され、『Gut Microbiome』誌に掲載されました。論文のタイトルは「Seeding and feeding milestones: the role of human milk microbes and oligosaccharides in the temporal development of infant gut microbiota」です。

研究のプロセス

1. 研究デザインとサンプル収集

本研究では、23組の母子ペアを対象に、母乳と乳児の便サンプルを収集しました。サンプルは、乳児の出生後1ヶ月、3ヶ月、および9ヶ月時に採取されました。すべての乳児は満期正期産であり、出生後少なくとも3ヶ月間は完全母乳育児でした。除外基準には、早産（妊娠37週未満）や出生後1ヶ月以内に抗生物質を使用した乳児が含まれます。

母乳サンプルは、母親が朝の授乳前に手搾りまたは搾乳器を使用して採取しました。便サンプルは、おむつから採取し、無菌スプーンを使用して収集しました。すべてのサンプルは採取後すぐに冷蔵され、72時間以内に研究所に送られ、さらなる処理が行われました。

2. DNA抽出と微生物叢分析

母乳サンプルは遠心分離処理後、FastDNA Spin Kit for Soilを使用してDNAを抽出しました。便サンプルは、繰り返しビーズビーティング法（Repeated Bead Beating Method）を用いてDNAを抽出しました。その後、Illumina NovaSeq 6000プラットフォームを使用して、16S rRNA遺伝子のV4領域をシーケンスし、微生物組成を分析しました。

3. HMOs分析

母乳中のHMOsは、固相抽出（Solid-Phase Extraction, SPE）技術を用いて分離・精製し、高速陰イオン交換クロマトグラフィー-パルスアンペロメトリー検出（High-Performance Anion-Exchange Chromatography-Pulsed Amperometric Detection, HPAEC-PAD）および質量分析（Mass Spectrometry, MS）を用いて定量分析を行いました。合計18種類のHMOsを分析し、そのうち8種類はフコシル化HMOs、4種類は非フコシル化中性HMOs、6種類はシアリル化HMOsでした。

4. データ分析

R言語を使用してデータ分析を行い、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）やPERMANOVAなどの手法を用いて、微生物叢の変化とHMOsとの関係を評価しました。α多様性はShannon指数を用いて計算し、β多様性はAitchison距離を用いて評価しました。

主な結果

1. 母乳と乳児便の微生物叢の動的変化

研究の結果、母乳サンプル中の主要な細菌属は、連鎖球菌（Streptococcus）、ブドウ球菌（Staphylococcus）、および未分類の腸内細菌科（Enterobacteriaceae uncl.）であり、乳児便中の主要な細菌属は、ビフィドバクテリウム（Bifidobacterium）、バクテロイデス（Bacteroides）、および未分類の腸内細菌科でした。母乳と乳児便の間で共有された細菌配列バリアント（Amplicon Sequence Variants, ASVs）は、主にビフィドバクテリウム、連鎖球菌、腸内細菌科、ベイロネラ（Veillonella）、バクテロイデス、およびヘモフィルス（Haemophilus）などの属に属していました。

2. 母乳微生物叢の時間的変化

授乳期間中、母乳微生物叢の組成は著しく変化しました。特に、9ヶ月時には、母乳中のナイセリア（Neisseria）、グラニュリカテラ（Granulicatella）、ヘモフィルス、アクチノミセス（Actinomyces）、ベイロネラ、および連鎖球菌などの細菌属の割合が著しく増加しました。これらの細菌属は、通常、乳児の口腔細菌叢と関連しています。

3. 乳児便微生物叢の時間的変化

乳児便の微生物叢のα多様性は、9ヶ月時には1ヶ月時および3ヶ月時よりも著しく高くなりました。9ヶ月時には、便中のアナエロスティペス（Anaerostipes）、ブラウティア（Blautia）、およびフィーカリバクテリウム（Faecalibacterium）などの細菌属の割合が著しく増加し、乳児が補完食を摂取した後に腸内細菌叢が著しく変化したことが示されました。

4. HMOsの時間的変化

研究の結果、母乳中のHMOs濃度は授乳期間中に著しく変化しました。特に、3-フコシルラクトース（3-Fucosyllactose, 3-FL）の濃度は9ヶ月時に著しく増加しましたが、他のHMOsの濃度は変わらないか減少しました。また、母乳中のHMOs濃度と乳児便の微生物叢組成との間には有意な関連性は見られませんでした。

結論と意義

本研究は、母乳中の微生物とHMOsが乳児の出生後1ヶ月、3ヶ月、および9ヶ月時にどのように変化するかを縦断的に分析し、母乳微生物が乳児の腸内細菌叢の発達において重要な役割を果たすことを明らかにしました。研究の結果、母乳微生物叢は授乳期間中に著しく変化し、母乳と乳児便の間で共有された細菌配列バリアントは、母乳微生物が乳児の腸内細菌叢の定着に重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。しかし、HMOsの濃度変化が乳児の腸内細菌叢に及ぼす影響は比較的限定的でした。

この研究の科学的価値は、母乳微生物とHMOsがオランダ人において時間とともにどのように変化し、乳児の腸内細菌叢にどのような影響を与えるかを体系的に探った初めての研究である点にあります。また、研究結果は、母乳育児が乳児の健康において重要であることを示す新たな証拠を提供し、母乳成分に基づいた乳児用調製乳の開発に理論的基盤を提供するものです。

研究のハイライト

  1. 時間的動態分析：オランダ人を対象として、母乳微生物とHMOsが授乳期間中にどのように時間とともに変化するかを体系的に分析した初めての研究です。
  2. 共有細菌配列バリアント：母乳と乳児便の間で共有された細菌配列バリアントを発見し、母乳微生物が乳児の腸内細菌叢の定着に潜在的な役割を果たしている可能性を示しました。
  3. HMOsの限定的な影響：HMOsの濃度変化が乳児の腸内細菌叢に及ぼす影響は比較的限定的であり、母乳微生物が乳児の腸内細菌叢の発達においてより重要な役割を果たす可能性があることが示されました。
  4. 革新的な実験手法：効率的なDNA抽出とシーケンス技術、および精密なHMOs分析手法を採用し、類似の研究に技術的参考を提供しました。

その他の価値ある情報

研究では、母乳中の微生物組成が9ヶ月時には乳児の口腔細菌叢と類似していることが発見され、乳児の口腔細菌叢が逆流して母乳に入る可能性が示唆されました。この発見は、母乳微生物の起源と乳児の健康におけるその役割をさらに研究するための新たな視点を提供します。