メタボロミクスが究明する低出生体重児疾患発症リスク因子解明による先制医療の実現

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K07829
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 加賀 直子 順天堂大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (80338342)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高 ひかり 順天堂大学, 医学(系)研究科(研究院), 助教 (60338374)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 胎生期低栄養 / メチルドナー / DOHaD / 耐糖能異常

Outline of Annual Research Achievements

胎生期の低栄養環境は出生時低体重の原因となり、将来の虚血性心疾患、糖尿病、高血圧、メタボリック症候群、脳梗塞などの発症リスクを増加させる。本研究では、妊娠期母の低糖質カロリー制限食による低出生体重仔のメチルドナー不足がもたらすエピジェネティックな変化に着目した。妊娠後期または授乳期に母ラットへ高メチルドナー食を与え、妊娠最終日の胎仔及び1週齢仔における血中低分子代謝産物の変動から母を介した仔へのメチルドナー補充の影響を解析した。
これまでの結果からメチルドナー補充群では胎生期低栄養で変動した早期の耐糖能異常マーカー代謝産物X の血中レベルの回復がみられ、早期のメチルドナー補充が耐糖能異常の軽減に寄与する可能性を示唆した。
腎機能および心機能の低下は互いに密接に関連している。高血圧、二型糖尿病などではAsymmetric dimethylarginine（ADMA）の血中濃度が上昇し、動脈硬化・心血管疾患を進行させることや、慢性腎臓病患者における血中trimethyl amine N-oxide (TMAO)濃度の上昇が心血管イベントなどの予後不良因子であることが既に報告されている。そこでラット仔におけるこれらの関連代謝産物の血中レベルの変動解析を行った。TMAO,TMAは標準物質の分析が間に合わなかったため、得られた精密質量のみで同定を行った。
その結果、血中ADMA関連代謝産物は胎仔・一週齢仔に関わらず低栄養での有意な変動は見られなかった。一方、血中TMAOレベルは、胎仔では低栄養群で減少、一週齢仔では低栄養群で有意に増加していた。メチルドナー群ではコリンがtrimethylamine lyase によりTMA へ変換されるためTMA、TMAOは著しく増加してしまった。一週齢低栄養仔における血中TMAO様物質の増加は将来の腎障害や心血管障害発症を予測させる結果となった。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

胎生期低栄養による代謝の変動および早期メチルドナー補充による代謝の回復を表現型により近い血中代謝物の変動から解析した。これまでの結果から早期のメチルドナー補充は耐糖能異常の軽減に寄与する可能性を示唆した。
2020年度はuremic toxin であるADMA、 TMAOの血中レベルを解析し、低栄養仔における高血圧・動脈硬化・心血管疾患発症の有無および早期のメチルドナーによるこれらのリスク因子への影響を検討した。
一酸化窒素（NO）は内皮機能保護・血管恒常性維持に重要な物質である。Asymmetric dimethylarginine （ADMA）はNO合成酵素に対する内因性の阻害物質であり、血中ADMAの増加はNO産生を抑制し血管内皮障害を惹起、動脈硬化を促進させることが知られている。低栄養胎仔・一週齢仔共に血中ADMAレベルに大きな影響が見られなかったことから重度の高血圧、慢性腎臓病、2型糖尿病を促進するような血管内皮障害は発症してないと推測される。しかし、低栄養一週齢仔における血中TMAO様物質の増加は、将来の腎障害や心血管障害の発症を予測させる結果となった。trimethylamine N-oxide（TMAO）は腸内細菌由来の代謝産物のひとつである。コリンは，腸管において腸内細菌の持つ trimethylamine （TMA） lyaseにより TMA へ変換、その後門脈を経由して肝臓に運ばれ，そこで flavin monooxygenase 3（FMO3）により TMAO へ代謝され血液中へ移行する。このことからコリンを含むメチルドナー補充による改善は望めない。TMAOレベルの改善には腸内細菌叢の解析を含めた検討が必要になると考えられる。
2020年度はコロナによる研究時間の短縮、本来の業務である依頼分析の多忙により疎水性画分の分析まで進むことができなかった。

Strategy for Future Research Activity

21年度は、胎生期低栄養出生仔における脂質代謝の変動と疾病発症リスクとの関係およびメチルドナー補充による疾病回避リプログラミングの可能性を探るため、血中疎水性画分の代謝物解析を行う。多様な脂質（疎水性）成分が存在する血清のクロロホルム/メタノール下層画分（疎水性画分）に安定同位体標識された脂質分子を内部標準物質として添加し、HPLC/LTQ Orbitrap MSを用いた網羅的な測定を行う。イオントラップー超高分解能質量分析計を用い多段階開裂、正・負両極性での分析を行うことにより、より多くの内在性脂溶性成分の同定を目指す。Compound Discoverer, Lipid Search Softwareを用いた定性・比較解析を行い、妊娠期低栄養環境がもたらす脂質代謝への影響や妊娠後期・授乳期のメチルドナー補充による変動を解析する。着目すべき変動に対し可能な限り三連四重極質量分析計による詳細な定量解析を行いたい。
また、TMAO標準品を用い、極性代謝物解析で変動したTMAO様物質の確認を行う。
代謝によって産生される代謝産物（メタボライト）の解析は、代謝の変動を反映し表現型により近いと考えられる。本研究では血中の低分子代謝産物を測定し、妊娠期の低糖質カロリー制限がもたらすリスクに対する早期メチルドナー補充によるリプログラミングの可能性を明らかにすることにより、低栄養低出生体重児のリスク因子に対する早期介入の可能性を見出し将来のQuality of life (QOL)向上を目指す。

Causes of Carryover

2020年度はコロナによる研究時間の短縮や本来の業務である依頼分析の多忙により分析が進まず、実験で使用する消耗品の購入がほとんどなかった。
また参加希望していた学会の中止やオンライン開催により旅費の使用等が皆無であったため予算の使用が少なかった。
本年度は新たな分析系でチャレンジするため、カラム・標準物質・消耗品の購入が増加すると考えられる。
また、超精密質量分析計を用いて網羅的解析を行うことから測定データ容量が非常に大きくなる。そのためデータ解析・データ保管用の大容量のデバイスが必要となり消耗品として新たに購入する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Alterations of the gut ecological and functional microenvironment in different stages of multiple sclerosis (2020)
  • Author(s): Takewaki D, Suda W, Sato W, Takayasu L, Kumar N, Kimura K, Kaga N, Mizuno T, Miyake S, Hattori M, Yamamura T
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 117 Pages: 22402-22412
  • DOI: 10.1073/pnas.2011703117
  • Peer Reviewed / Open Access