腸内細菌叢由来の代謝物は、どのように宿主脳機能に影響を与えるか

• Project/Area Number: 23KJ1401
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 49050:Bacteriology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 君塚 夏実 京都大学, 医学研究科, 研究員
• Project Period (FY): 2023-04-25 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 腸内細菌 / メタボローム解析 / 短鎖脂肪酸

Outline of Research at the Start

現行の多くの研究では、腸内細菌叢 と宿主表現型の相関記載の枠を出ず、特に細菌叢由来の代謝物の研究では「鍵となる因子」が絞り込めていない。この課題に取り組むべく、本研究では最先端の質量分析の技術(ノンターゲット・メタボロミクス)を用いることにより、腸内細菌叢から産生される代謝物の分子構造を明らかとする。さらに自身の得意な腸内細菌を制御したin vivo・in vitro実験系を用いて代謝物の機能を理解し、宿主介入経路を同定する。さらに歩を進め、マウス疾患モデルに適用し、宿主の表現型との因果関係の検証を行う。これにより疾病表現型に寄与する代謝物の分子経路に迫る。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の計画通り、腸内細菌による代謝産物のバリエーション及びその中でも宿主へ移行する代謝産物の種類と量を把握するための実験を行った。
腸内細菌の主な栄養源である食物繊維の13C-15N標識体をマウスに経口投与し、糞便、門脈血、肝臓、心臓血を採取後、メタボローム解析を行った。食物繊維は水溶性のイヌリン、不溶性のセルロースを用い、解析にはLC-MS及びIC-MSを用いた。その結果、腸内細菌代謝産物の中でも特に門脈経由で宿主に吸収され、生理機能に影響を与える可能性の高いものが絞り込まれた。
また、主要な腸内細菌代謝産物である短鎖脂肪酸は宿主のエネルギー源として重要であるだけでなく、炎症性腸疾患などの腸管局所の疾患や、肥満や糖尿病などの全身性疾患の制御においても重要であることが知られている。本実験において、短鎖脂肪酸の中でも特に酢酸は、糞便、門脈血、肝臓、心臓血中から標識体（すなわち腸内細菌由来）として検出されたが、プロピオン酸や酪酸の標識体は糞便、門脈血からのみ検出された。この結果より、腸内細菌由来の酢酸は全身移行し、腸管と離れた組織の機能に影響を与え得るが、プロピオン酸や酪酸は一部門脈経由で肝臓に到達するもののほとんど全身移行しないことが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

出産・育児休暇を取っていたため研究可能期間は4月から7月までの4ヶ月間のみであったが、その間にin vivoの実験を多く行い、自宅解析可能なデータを収集することで効率良く研究を遂行することができた。

Strategy for Future Research Activity

今後は、メタボローム解析の結果を元に、腸内細菌代謝産物の具体的な機能やメカニズムの同定段階に移行する。疾患モデルマウスへ投与し表現系の観察を行う。効果が見られた場合には受容体解析や培養細胞への添加を通し、詳細なメカニズムの同定に迫る。

Research Products

• [Journal Article] Amino acid catabolite markers for early prognostication of pneumonia in patients with COVID-19 (2023)
  • Author(s): Maeda Rae、Seki Natsumi、Uwamino Yoshifumi、Wakui Masatoshi、Nakagama Yu、Kido Yasutoshi、Sasai Miwa、Taira Shu、Toriu Naoya、Yamamoto Masahiro、Matsuura Yoshiharu、Uchiyama Jun、Yamaguchi Genki、Hirakawa Makoto、Kim Yun-Gi、Mishima Masayo、Yanagita Motoko、Suematsu Makoto、Sugiura Yuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 8469-8469
  • DOI: 10.1038/s41467-023-44266-z
  • Peer Reviewed / Open Access