果糖の長期大量摂取はマウスに腸内細菌異常を誘発し涙腺機能障害を促進する

目の実験的研究
オンラインで入手可能 2023年7月11日, 109573
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研究論文
果糖の長期大量摂取はマウスに腸内細菌異常を誘発し涙腺機能障害を促進する

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001448352300194X

著者リンク オーバーレイパネルを開くDi Qi, Sen Zou, Dingli Lu, Xiaoting Pei, Shenzhen Huang, Du-Liurui Huang, Jiangman Liu, Hongli Si, Zhijie Li
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https://doi.org/10.1016/j.exer.2023.109573Get 権利と内容
要旨
涙腺は、涙液層の分泌を通じて眼表面の健康を維持するために不可欠である。したがって、涙腺の構造と機能に影響を及ぼす内因性因子と外因性因子、およびそれらの根底にあるメカニズムを探求することは重要である。高糖分と高脂肪を特徴とする欧米化された食生活の普及に伴い、腸内細菌叢のディスバイオシスを誘発することで、眼疾患を含む多くの疾患に対する感受性が高まっている。ここで我々は、15％高フルクトース水を1ヵ月間飲用したマウスにおいて、腸内細菌叢の組成、存在量、多様性が、16S rRNA配列決定によって有意に変化することを見出した。これは、マウスの眼窩外涙腺（ELG）における脂質沈着と炎症細胞浸潤の有意な増加を伴っていた。バルクRNAシーケンスに基づくトランスクリプトーム解析により、いくつかの代謝および免疫関連経路の異常な活性化が明らかになった。さらに、コリン作動性受容体作動薬ピロカルピンによる刺激に対する分泌反応が有意に低下していた。しかし、高フルクトース摂取（HFI）マウスの腸内細菌叢の組成と多様性を、正常な若い健康なマウスの糞便を移植することで改善したところ、上記のELG構造、炎症細胞浸潤、分泌機能、トランスクリプトーム解析における病理学的変化は、年齢をマッチさせた対照マウスと比較して有意に回復した。結論として、我々のデータは、長期のHFIが、腸内ディスバイオシスの誘導を介して、ELGの構造と機能に病理学的損傷を引き起こす可能性を示唆している。糞便移植によるHFI処置マウスの腸内ディスバイオシスの回復は、これらの病理学的障害を改善する役割を果たす可能性がある。
はじめに
果糖は果物や蜂蜜に含まれる天然甘味料である。果糖は果実飲料、ミルクティー、焼き菓子、加糖ヨーグルトにも含まれている。しかし、果糖の摂取量の増加に伴い、代謝系、免疫系、心血管系に関連する疾患の発生率が著しく増加し（Lancaster, 2020; Lyssiotis and Cantley, 2013; Taskinen et al., 2019; Todoric et al. 最近では、高フルクトース摂取（HFI）が視覚系に及ぼす影響にも注目が集まっている（Heら、2021；Luoら、2015；Rinninellaら、2018）。
複数の研究が、高フルクトース摂取と視覚系障害の潜在的関連を支持する証拠を提供している（Castroら、2015；Huangら、2021a；Kearneyら、2014；Moreno-Montañésら、2021；Thierryら、2014）。HFIが視覚系に影響を及ぼす主なメカニズムは、代謝機能障害の間接的な誘発と他の生理学的システムの障害である。特に、糖尿病性網膜症や加齢黄斑変性の発症リスクの増加が、HFI患者において観察されている(Barrière et al., 2018; Roddy et al., 2020)。さらに、白内障や緑内障などの眼疾患にしばしば関連する慢性炎症や酸化ストレスの存在は、果糖の大量摂取によって影響を受ける可能性がある(Balasaraswathi et al., 2008; Bell et al., 2000)。さらに、果糖の過剰摂取に起因する代謝機能障害や脂質異常症は、未熟児網膜症などの網膜血管疾患の発症に関与している（Fu and Nilsson, 2022; Huang et al.）
涙腺は涙を分泌することで眼表面の健康を維持している（Bronら、2017；Pflugfelder and Stern、2020）。その分泌が損なわれると、ドライアイ疾患の発症の引き金となる可能性がある（Pflugfelder and de Paiva, 2017）。最近の研究では、栄養ストレス、特に高脂肪食が涙腺に及ぼす影響に焦点が当てられている（Heら、2020；Zouら、2022）。これらの研究から、このような条件下では、涙腺は組織学的レベルで炎症性細胞の浸潤と脂質の沈着の増加を示すことが明らかになった。同様に、われわれの以前の研究は、短期間のHFIがマウス涙腺の概日リズム性トランスクリプトーム・プロファイルを大規模にリモデリングすることを示した。さらなる解析により、これらの異常発現したリズム性出力遺伝子は主に代謝および炎症関連シグナル伝達経路に富んでいることが明らかになった（Lu et al.） 残念ながら、長期的なHFIが涙腺の構造と機能に影響を及ぼすメカニズムは、まだ不完全に理解されている。
腸内には、さまざまな機能を持つ数兆個の微生物が生息している。腸内常在細菌は免疫系の教育に役立ち、病原体のコロニー形成に対する防御を提供し、栄養代謝に関与している。健康な腸内には、有益な微生物が豊富かつ多く含まれている（Adak and Khan, 2019）。健康な腸内細菌叢の特徴は、有益な微生物が豊富で多様性に富んでいることである。現在では、何らかの原因で正常な腸内細菌叢とその産物が破壊されると、慢性炎症反応が誘発され、様々な疾患の発症につながると考えられている。腸内の微生物生態は、宿主の遺伝、加齢、環境など様々な要因の影響を受けるが（Gacesa and Kurilshikov, 2022; Gaulke and Sharpton, 2018; Goodrich et al., 2014）、食事の変化が支配的な役割を果たしている（Carmody et al.） 最近の研究では、フルクトースが豊富な食事が腸内細菌叢のディスバイオシスにつながり（Chengら、2021；Jamarら、2021；Pierantonelliら、2017）、腸-脳-末梢臓器軸を通じて多くの臓器の機能状態を変化させることが示されている（Cryanら、2019）。これらの観察に基づき、長期的なHFIは、腸内細菌叢の組成と機能を変化させることにより、涙腺の生理的状態を乱す可能性があるという仮説を提唱する。HFIが腸内細菌叢に及ぼす影響は、結果として相互に関連した生理学的経路を通じて涙腺に影響を及ぼす可能性がある。
前述の仮説を検討するため、マウスを用いた長期的なHFIを含む一連の実験を行った。まず、腸内細菌叢の組成を調べ、長期のHFIを受けたマウスの腸内細菌叢の異常を観察した。その後、眼窩外涙腺（ELG）のトランスクリプトーム・プロファイルを解析したところ、コントロールマウスと比較して有意かつ顕著な変化が観察された。さらに、涙腺の組織学的検査を行ったところ、炎症性細胞の浸潤と脂質の沈着が認められ、両者ともHFI食マウスで大幅に増加していた。さらに、涙腺の分泌反応を評価したところ、HFI群ではその機能が顕著に低下していた。しかし、糞便微生物叢移植（FMT）によってHFIによって誘導された腸内細菌叢の障害を回復させると、上記の病態生理学的変化が有意に改善された。以上より、長期にわたるHFIは、腸内細菌叢の異常によって涙腺の構造と生理機能に悪影響を及ぼし、ドライアイを誘発する主要な危険因子であることが明らかになった。結論として、我々の知見は、長期的なHFIは涙腺の構造と生理機能の両方に有害な影響を及ぼす重大な危険因子であるという仮説を強く支持するものである。これらの影響は、少なくとも部分的には、腸内細菌異常症の誘発によって媒介されると考えられる。さらに、我々の結果は、果糖の大量摂取、腸内細菌異常症、およびドライアイの発症の間に潜在的な関連があることを示唆している。
セクションの抜粋
動物
10～12週齢の雄性C57BL/6Jマウスを南京大学モデル動物研究所（中国、南京市）から、年齢をマッチさせた雄性C57BL/6JバックグラウンドCX3CR1GFPマウスをジャクソン研究所（The Jackson Laboratory）から入手した（Cat. # 005582）。すべての動物は12時間明期/12時間暗期のサーカディアンサイクルで飼育され、制御された環境で同じ餌と水を自由に摂取できた。動物は同じ施設に一緒に収容され、飼育期間中同じ飼料で維持された。
長期の高フルクトース摂取はマウスELGの基本構造、分泌機能、トランスクリプトーム組成を変化させる
果糖の大量摂取による代謝ストレスは、生体の構造と生理機能を変化させ、ひどい場合には、メタボリックシンドローム、糖尿病、心血管疾患、慢性全身性炎症などの特定の全身疾患を引き起こすことさえある（Stephanら、2010；Zhangら、2020）。これと一致して、本研究では、HFI1ヵ月後、NC1群と比較して、(1)マウスの体重が有意に増加したこと（図2A）、(2)血中グルコース濃度が
考察
先行研究（Beisnerら、2020；Liら、2019）の知見と一致して、本研究では、長期間のHFIが腸内細菌叢の顕著なディスバイオシスにつながることが示された。同時に、涙腺の構造的完全性と分泌能の顕著な低下が観察された。驚くべきことに、FMTによる健康な腸内細菌叢の回復は、前述の病態生理学的変化を効果的に逆転させ、実質的な改善効果を示した。
倫理承認と参加同意
動物を用いた実験はすべて、Association for Research in Vision and Ophthalmologyの「視覚および眼科研究における動物の使用に関する声明」に記載されたガイドラインに従い、河南省人民病院のInstitutional Animal Care and Use Committeeの承認を得た。本研究では参加同意は適用されない。
著者の貢献
李志傑（Zhijie Li）は本研究を発案し、設計と調整に参加し、原稿の起草に協力した；迪琪（Di Qi）はデータ収集、解析に参加し、原稿の起草に協力した；鄒仙（Sen Zou）と呂鼎利（Dingli Lu）は免疫測定を実施し、沛小廷（Xiaoting Pei）と黄深圳（Shenzhen Huang）はDNA抽出を実施した；黄杜瑞（Duliurui Huang）、劉江曼（Jiangman Liu）、斯紅利（Hongli Si）はサンプル収集を実施した。著者全員が最終原稿を読み、承認した。
利益相反宣言
著者らは利益相反はないと宣言している。
謝辞
本研究は、河南省眼科研究所/河南眼科病院基礎科学プロジェクト（助成金番号21JCZD001（Z.L.）、21JCQN004（S.Z.およびD.Q.）、22JCQN004（X.P.））、中国国家自然科学基金（助成金番号82101089、82171014、81770962（Z. L.）。 L.）、河南省自然科学基金会（助成番号212300410169（X.J.およびD.Q.）および232300421317（S.Z.およびD.Q.））、河南省医学科学技術研究共同建設プロジェクト
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