口腔細菌叢をターゲットとした新たな周産期合併症予測モデルの開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K17208
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 玉原 亨 東北大学, 東北メディカル・メガバンク機構, 講師 (40756235)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 口腔細菌叢 / 周産期 / コホート / 歯周病

Outline of Annual Research Achievements

本研究では周産期における口腔内細菌叢の変化に着目をし、周産期の口腔内細菌叢変化と周産期合併症の関連について探索をおこなう。この結果から、口腔内細菌叢をターゲットとした周産期合併症リスク予測モデルを構築し、比較的容易に介入できる口腔内環境の整備が周産期合併症のリスク軽減に寄与し得ることを明らかにする。具体的には、周産期の細菌叢の変動をUnifrac距離を用いて表現することで周産期合併症の原因となる口腔内細菌叢変動パターンを分離する。分離されたパターンおよびコホート調査における生理・生化学データを材料に機械学習をおこない、マルチモーダルベイジアンネットワークを構築することで、周産期合併症のリスク予想モデルを構築する。
269人の妊婦の唾液検体（807検体）の解析は既に終了しているため、本年度は歯垢検体（807検体）を用いて検体に含まれる細菌の16S rRNA配列の取得をおこなった。Miseqにより得られた16S rRNA配列から、QIIME2パイプラインに沿って各検体に含まれる細菌の組成を明らかにし、さらに検体間の細菌叢の変動をUnifrac距離を用いて算出した。また、周産期合併症に特有の歯垢細菌叢の時系列変化パターンの解析をおこなった。そして、唾液・歯垢それぞれの妊婦の周産期における口腔内細菌叢の変化をUnifrac距離を用いて表現し、周産期合併症の有無で重みを付けることによって時系列変化パターンを分離した。これら一連の分析から、唾液・歯垢ともに周産期特有のパターンを見出すことができ、さらに早産となる口腔細菌叢変化パターンがある可能性を示唆することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は下記２点の研究を進める計画であり、２点とも達成することができた。具体的には、１．歯垢検体を用いた細菌のメタゲノム解析、２．周産期合併症に特有の歯垢細菌叢の時系列変化パターンの解析の２点である。
１．については、269人の妊婦の唾液検体（807検体）の解析は既に終了しているため歯垢検体（807検体）を用いて検体に含まれる細菌の16S rRNA配列の取得を予定どおりおこなうことができた。そしてMiseqにより得られた16S rRNA配列から、QIIME2パイプラインに沿って各検体に含まれる細菌の組成を明らかにし、さらに検体間の細菌叢の変動Unifrac距離を用いて算出した。２．については、歯垢・唾液それぞれの妊婦の周産期における口腔内細菌叢の変化をUnifrac距離を用いて表現し、周産期合併症の有無で重みを付けることによって時系列変化パターンを予定どおり分離することができた。

Strategy for Future Research Activity

下記２点をおこなう予定である。具体的には、１．口腔内細菌叢の時系列変化パターンを用いたベイジアンネットワークの構築、２．構築したベイジアンネットワークの感度、特異度の算出の２点である。
１．については、唾液及び検体から作成したUnifrac移動距離の確率分布およびコホート調査から取得した生理・生化学データを材料に、python上で確率モデルを実装できるEdwardライブラリを用いて機械学習をおこない、マルチモーダルベイジアンネットワークを構築する。２．については、TMM計画のコホート調査に参加した約4000人の妊婦のうち、周産期合併症の有無でランダムにそれぞれ50人抽出し、構築したネットワークに代入してモデルの感度と特異度を算出する。算出に使用した情報はその都度学習材料としてネットワークに組み込む。

Causes of Carryover

今年度におこなった歯垢のシークエンスについて、確認用のシークエンス試薬が新型コロナウイルス感染拡大のため納品が今年度に間に合わなかった。そこで、確認用のシークエンス試薬が次年度に納品された後に、確認用のシークエンスをおこなう予定である。