マウスの実験的腸炎発症の潜在的バイオマーカーとしての水素ガスと腸内細菌叢

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炎症性腸疾患（Inflammatory Bowel Disease, IBD）は、潰瘍性大腸炎（Ulcerative Colitis, UC）とクローン病（Crohn’s Disease, CD）を含む慢性炎症性疾患です。IBDの罹患率は世界的に年々増加しており、患者や社会に大きな健康および経済的負担をもたらしています。現在、IBDの診断は主に内視鏡検査に依存していますが、この方法は高価で侵襲的であり、連続的な使用には不便です。そのため、より便利で非侵襲的な診断方法の開発が急務となっています。

近年、腸内細菌叢（gut microbiota）とIBDの病態との関係が注目されています。腸内細菌叢の代謝産物、例えば水素（H₂）、アンモニア（NH₃）、硫化水素（H₂S）などは、血液-肺バリアを通過して呼吸系に入り、最終的に呼気として排出される可能性があります。これらのガス成分は、IBDのバイオマーカーとなる可能性があります。しかし、現在の研究の多くは高分子量の揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）に焦点を当てており、低分子量のガス成分、例えば水素は十分に研究されていません。

論文の出典

この研究は、Keio UniversityとThe University of Tokyoの研究チームによって共同で行われ、主な著者にはYuta Fujiki、Takahisa Tanaka、Kyosuke Yakabeなどが含まれます。論文は2023年10月20日に受理され、『Gut Microbiome』誌に掲載されました。DOIは10.1017/gmb.2023.17です。

研究の流れ

1. 実験設計と動物モデル

研究では、Dextran Sulphate Sodium（DSS）誘導性の大腸炎マウスモデルを使用し、IBDの炎症過程を模倣しました。実験は2つのグループに分けられ、一方のマウスはDSS処理を受け、もう一方のマウスは陰性対照としてDextran（DSSの類似体）を受けました。実験は15日間続けられ、その間、マウスの体重変化と糞便中のLipocalin-2（LCN2）レベルが毎日モニタリングされました。LCN2は腸管炎症のバイオマーカーです。

2. バイオガスの測定

研究チームは、マウスケージ内の5種類のバイオガス（水素（H₂）、アンモニア（NH₃）、硫化水素（H₂S）、メタンチオール（CH₃SH）、エタンチオール（C₂H₅SH））を連続的に測定するためのガスサンプリングシステムを設計しました。このシステムはセンサーガスクロマトグラフ（sensor gas chromatographs）を使用してガス濃度をリアルタイムでモニタリングし、サンプリング頻度は1時間に10回でした。ガス濃度はマウスの呼吸、皮膚ガス、および糞便中のガス成分を反映しています。

3. 腸内細菌叢の分析

実験の異なる時点（0日目、1日目、3日目、5日目、7日目、9日目、12日目、15日目）で、マウスの糞便サンプルを採取し、16S rRNA遺伝子シーケンシングを行い、腸内細菌叢の組成と多様性を分析しました。Qiime2ソフトウェアを使用してシーケンスデータを処理し、Amplicon Sequence Variants（ASVs）を構築し、Silvaデータベースを使用して種の分類を行いました。

4. データ分析

研究では、Pearson相関分析を使用して、バイオガス濃度と大腸炎の表現型（体重変化とLCN2レベル）との相関関係を評価しました。さらに、受信者操作特性曲線（Receiver Operating Characteristic, ROC）を使用して、各ガスが大腸炎の発症を診断する能力を評価しました。

主な結果

1. バイオガスと大腸炎表現型の相関

DSS処理を受けたマウスでは、水素（H₂）レベルはLCN2レベルと負の相関があり、体重変化とは正の相関がありました。これは、H₂レベルが大腸炎の発症に伴って減少することを示しており、腸管炎症の潜在的なバイオマーカーとなる可能性があります。また、硫化水素（H₂S）のROC曲線下面積（AUC）が最も高く、H₂Sが大腸炎の発症を予測する上で高い診断価値を持つことを示しています。

2. 腸内細菌叢の変化

DSS処理を受けたマウスでは、腸内細菌叢の多様性と豊富さが徐々に減少しました。AkkermansiaceaeとRikenellaceaeの相対的な豊富さはLCN2レベルと正の相関があり、体重変化とは負の相関がありました。一方、Tannerellaceaeの相対的な豊富さはLCN2レベルと負の相関があり、H₂レベルとは正の相関がありました。これは、Tannerellaceaeが大腸炎の症状を緩和する上で積極的な役割を果たす可能性があることを示唆しています。

3. バイオガスと腸内細菌叢の相関

Tannerellaceaeの相対的な豊富さはH₂レベルと正の相関があり、AkkermansiaceaeとRikenellaceaeの相対的な豊富さはH₂レベルと負の相関がありました。この結果は、H₂が腸管炎症のバイオマーカーとしての可能性をさらに支持しています。

結論と意義

この研究は、水素（H₂）レベルが実験性大腸炎の発症と密接に関連しており、IBDの非侵襲的なバイオマーカーとなる可能性があることを示しています。さらに、特定の腸内細菌叢（例えばTannerellaceae）はH₂レベルの変化と関連しており、IBDの病態において重要な役割を果たす可能性があります。この発見は、IBDの診断と治療に新たな視点を提供します。

研究のハイライト

  1. 新しい研究方法：研究チームは、マウスケージ内のガス成分をリアルタイムでモニタリングする連続的なバイオガス測定システムを開発し、類似の研究に技術的な参考を提供しました。
  2. 低分子量ガスの研究：これまでの研究とは異なり、この研究は低分子量のガス成分（例えばH₂）に焦点を当て、この分野の研究空白を埋めました。
  3. 腸内細菌叢とガス代謝の関連：研究は初めて、特定の腸内細菌叢とバイオガスレベルとの関連性を明らかにし、IBDの病態を理解する上で新たな視点を提供しました。

その他の価値ある情報

研究では、硫化水素（H₂S）が大腸炎の発症を予測する上で高い診断価値を持つことも発見され、今後の研究に新たな方向性を提供しました。さらに、研究チームは将来的に呼気成分のみを測定する実験モデルを確立し、診断の精度をさらに向上させることを計画しています。

この研究は、IBDの診断に新たなバイオマーカーを提供するだけでなく、腸内細菌叢とガス代謝の複雑な関係を理解する上で重要な手がかりを提供し、科学的および応用的価値が高いです。