炎症性腸疾患における糞便微生物叢移植後の生着率の向上には、α多様性の高さとLactobacillus bloomが関連している。
コールドスプリングハーバー研究所のプレプリント
炎症性腸疾患における糞便微生物叢移植後の生着率の向上には、α多様性の高さとLactobacillus bloomが関連している。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9915819/
Yanjia Jason Zhang, MD PhD, Athos Bousvaros, MD, MPH, [...], and Stacy A. Kahn, MD
追加記事情報
関連データ
補足資料
アブストラクト
背景
糞便微生物叢移植（FMT）は、再発性Clostridioides difficile感染症（rCDI）の治療に有効であることが証明されており、炎症性腸疾患（IBD）の治療にも一定の成功を収めている。FMTを成功させるためには、ドナー菌の宿主生着が重要であることが分かってきています。しかし、生着率の予測因子についてはほとんど知られていない。我々は、軽症から中等症のクローン病（CD）および潰瘍性大腸炎（UC）の小児および若年成人を対象に、FMTに対する反応を明らかにする二重盲検ランダム化プラセボ対照パイロット試験を実施した。
結果は以下の通りです。
CDまたはUCの被験者は、ベースライン薬に加えて、抗生物質と週1回のFMTを受ける群とプラセボを受ける群に無作為に割り付けられた。治療群では、抗生物質を7日間投与した後、FMTを浣腸し、その後カプセルを毎週7週間投与した。CDの被験者4名とUCの被験者11名、年齢14-29歳を登録した。毎週便を採取したため、臨床反応に関連するα多様性、β多様性、生着率の時系列を作成することができた。被験者たちは、FMTの進行に伴い、幅広い微生物多様性とドナー生着を示した。特に、生着率は、2週目に26％から90％、2ヶ月目に3％から92％の範囲であった。現在の文献と同様に、α多様性（p< 0.05）およびドナー移植（p< 0.05）の経時的な増加は、臨床反応の改善と相関していました。さらに、1週間の時系列で、様々な時点における生着率の臨床的および微生物的相関を調査することができました。その結果、FMT試験で見過ごされがちな、抗生物質投与後FMT前の時点が、最終的な生着に関連する微生物が豊富であることを発見しました。抗生物質投与後の残存α多様性の大きさは、生着率およびその後の臨床反応と正の相関があった。興味深いことに、乳酸菌の相対量の一時的な増加も生着と正の相関があり、この知見は、週次シーケンスデータが公開されている別のFMT試験の分析でも再現された。
結論
抗生物質投与後の残存α多様性と乳酸菌のブルームが高いほど、生着率やFMTの臨床効果が向上することを見出した。今後の研究では、FMT前の宿主微生物群集と、抗生物質の前処理が生着と反応に与える影響を詳細に検討する必要がある。
キーワード：炎症性腸疾患、糞便微生物叢移植、クローン病、潰瘍性大腸炎、マイクロバイオーム、微生物治療薬
背景
糞便微生物叢移植（FMT）は、腸内細菌叢の乱れに関連する疾患を持つ患者に、健康な糞便微生物叢を移植することである。これまでの最も良い例は、クロストリジオイデスディフィシル感染症の治療におけるFMTの使用であり、ほとんどの患者さんにとって安全かつ高い効果があることが証明されています [1-3]。この成功により、FMTが有効である可能性のある他の疾患を特定することに関心が集まっています。マイクロバイオームの乱れはIBDの病因に寄与しており、IBDはFMTの有望な候補となります[4]。
最近のメタアナリシスを含むいくつかの研究からのデータは、一部の潰瘍性大腸炎（UC）患者におけるFMTの有効性を実証しています[5-15]。しかし、FMTへの反応性を決定する因子は十分に理解されていません。収集された予備的なデータに基づいて、研究者はいくつかの理論を提唱している。提案された要因の中には、患者の特徴、患者とドナーの微生物組成と多様性、ドナーの生着度合い、生着のタイミングと期間などがある[7,12,16,17]。生着率の決定要因についてさらに詳しく分析すると、微生物特異的、疾患特異的、レシピエント特異的なダイナミクスが非常に多様であることが示されている。したがって、生着に関する一般化可能な「ルールブック」はまだ見つかっていない[6,7,12,16,17]。
成功のメカニズムや予測因子が不明であることから、IBDにおけるFMTのための標準的な前処理、治療、送達レジメンは存在しない。腸管前処置なし、下剤を含む腸管前処置、食事の変更、プロトンポンプ阻害薬の使用、ナロースペクトルおよびブロードスペクトル抗生物質など、さまざまな前処置レジメンが研究されている [16,18,19]. 抗生物質の前処理が生着と臨床反応の両方に有利であるという示唆もあるが、その証拠は困難な試験間の比較に依存している [13,18,20] 。さらに、他の研究では、相反する結論に達している。私たちのグループは最近、別の疾患ではあるが、抗生物質のプレコンディショニングがFMT後の生着率を低下させることを証明した[21]。また、レシピエントのα多様性がドナーの生着率に及ぼす影響など、単純な疑問に対しても、文献は相反する答えを示している。
IBDの青年および若年成人を対象としたFMTに関するこの小規模な研究において、我々は週単位のマイクロバイオーム時系列を提示する。頻繁なサンプリングにより、ドナー生着につながるα多様性の変化を分析し、それによってこのFMTプロトコルの重要なタイムポイントを特定することができました。特に、コンディショニング後、FMT前の時点に焦点を当て、Lactobacilliaceae科の特定の分類群の多様性と存在量の増加が、生着と臨床反応に相関することを示すものであった。
研究方法
研究デザイン
大腸・回腸クローン病（CD）および潰瘍性大腸炎（UC）患者を対象に、FMTの単施設無作為二重盲検プラセボ対照試験を実施した。被験者は、ボストン小児病院IBDセンターおよび全米の医療機関からの紹介で募集されました。標準的な体格データ、過去の病歴、手術歴、薬歴は、参加者の医療記録から抽出した。
本試験の主要目的は、第一選択の維持療法に失敗した小児および若年成人IBD患者（5～30歳）において、プラセボと比較したFMTの安全性および忍容性を評価することであった。副次的な目的は、ドナーおよびレシピエントの両方において、臨床反応と相関するバイオマーカーを同定することであった。
参加資格
対象は、軽度から中等度の疾患活動性を有する5歳から30歳の患者さんです。軽度から中等度のCD疾患活動性は、Pediatric Crohn's Disease Activity Index（PCDAI）が10以上30未満、軽度から中等度のUC疾患活動性は、Pediatric Ulcerative Colitis Activity Index（PUCAI）が9以上30未満と定義されました。その他の適格基準として、無作為化の105日前までに炎症の視覚的または組織学的証拠があること、B型肝炎（HBV）、C型肝炎（HCV）、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）の検査結果が陰性であること、妊娠可能な人の尿検査が陰性であること、抗生物質、FMT、プラセボカプセルを飲み込めること、食物アレルギーが知られていないこと。
除外基準として、広範囲かつ重度のCD（例：瘻孔形成疾患、膿瘍、膿瘍）を含む。瘻孔形成疾患、膿瘍、小腸閉塞、発熱）、最近（4週間以内）生物製剤、5-ASA、ステロイドまたは免疫調節剤の投与量を変更した患者、中毒性巨大結腸、バンコマイシン、メトロニダゾールまたはポリミキシンに対する既知の薬剤アレルギー、吸引、胃不全麻痺、上部消化管の手術歴（上部消化管運動への影響が考えられる）または丸薬が飲めない。食道運動障害または嚥下機能障害、既知の食物アレルギー、導入療法のための浣腸ができないまたはしたくない、最近（6週間以内）の全身性抗生物質の使用、活動性クロストリジウム・ディフィシルの検査と一致、FMTの既往がある。
被験者は、主治医の判断で標準的な治療薬で維持された。疾患活動性が軽度から中等度の患者を、抗生物質による治療後にFMTを行う群とプラセボを行う群に同意の上、無作為に割り付けた。本試験はBoston Children's Hospital Institutional Review Boardの承認を受け、https://clinicaltrials.gov（Identifier：NCT02330653）に登録された。
無作為化
登録された被験者は、あらかじめ決められたブロック無作為化手順に従って、治療群またはプラセボ群のいずれかに1：1の割合で無作為に割り付けられた。盲検化されていない研究チームのメンバーが無作為化リストを管理し、被験者が適切に無作為化されていることを確認し、正しい治療薬を調剤しました。
研究グループ
治療群（以下、FMT群）の被験者には、-8日目から7日間の抗生物質前処置を行った。メトロニダゾールを含むカプセル1個（体重依存性投与、最大用量500mg）が1日2回投与された。バンコマイシン125mgとポリミキシン62.5mgを含むカプセルは、1日3回投与された。投与されるカプセルの数は、体表面積のパラメータに基づいて決定された。
抗生物質の前処理を中止してから約48時間後の0日目に、被験者には15～30分かけてFMTの導入保持浣腸が行われました。被験者は、できるだけ長い時間、糞便を保持するように促された。その後、被験者は退院前に少なくとも60分間観察された。その後、被験者は、次の7週間、毎週30個のFMTカプセルの投与で治療された。
FMT材料は、確立されたプロトコル[12,22]を用いて、マサチューセッツ州ケンブリッジのOpenBiomeから入手しました。OpenBiomeは、マイクロバイオームの治療と研究に専念する非営利の便バンクである。彼らの活動は、安全で手頃な価格のFMT材料を提供し、患者や医師の物流上の障壁を取り除くことに重点を置いています。
プラセボ群では、抗生物質による治療の代わりに、対応するプラセボカプセルを7日間投与しました。0日目には、プラセボ浣腸を行いました。その後、7週間にわたり毎週30カプセルのプラセボカプセルが投与されました。
被験者は毎週便を採取し、PCDAI/PUCAI調査を行い、投与群に関係なく疾患活動性をモニタリングしました。4週目と8週目には、臨床効果を測定するために定期的な臨床検査が行われました。
オープンラベルの対象者と治療
8週間の治療と盲検化解除後、治療に反応したFMT群の被験者とプラセボ群のすべての被験者に、さらに8週間の非盲検FMTを受ける資格が与えられた。治療効果は、疾患活動性指標のスコアが10ポイント以上減少したこと、またはスコアが10ポイント以下であることと定義した。
エンドポイント/アウトカム
主要評価項目は、FMTに関連するグレード2以上の有害事象の有無と、FMT後8週目にグレード2以上のFMT関連有害事象を報告した被験者の割合。患者関連アウトカムとして、腹痛と1日の平均排便回数を記録した。
副次的評価項目は、疾患活動性指数10未満で定義される寛解、便中カルプロテクチン、赤血球沈降速度（ESR）、C反応性タンパク質（CRP）などの炎症バイオマーカーの改善、腸内細菌組成の変化、疾患活動スコア（PCDAI≧12.5、PUCAI≧20）の改善、ドナー微生物がレシピエントに移植されたかどうかという評価でした。
糞便サンプルの採取
被験者は、スクリーニング、ベースライン、抗生物質投与後FMT前、盲検化治療中および非盲検化治療中、そしてフォローアップ中に便を採取した。これらのサンプルは、-80℃で保存された。
マイクロバイオーム解析
Powersoil DNA抽出キット（Qiagen）を用いてDNAを抽出した。16S rDNAライブラリーを調製し、Broad Institute Genomic Platformにより、Illumina HiSeqでペアエンド250-bpリードを使用して配列決定した。Qiime2、DADA2、Phyloseq in R、およびカスタムPythonスクリプト [23-25] を用いて16Sデータを解析しました。SILVAデータベース[26]を用いて、16S配列に分類学的ラベルを付与した。FMT後の様々な細菌の発生源を推定するためにSourceTracker2を使用した[27]。各参加者の感染源として、抗生物質投与前のサンプル、抗生物質投与後のサンプル、および既知のドナーを使用しました。また、陰性対照として、その参加者のFMTに使用されていないもう一人のドナーを含めた。高い生着率を達成した参加者とそうでない参加者を区別するために、Qiime2のq2-sample-classifierを使用し、Random Forrest分類器を使用しました[28]。
結果
試験登録/患者さんの特徴
主に軽度から中等度の大腸CDまたはUCで、狭窄性または貫通性の疾患を持たない患者を選択した。CDの被験者4名とUCの被験者11名が同意の上、治療群に無作為に割り付けられた（図1A）。CD患者の登録時の年齢中央値は20歳（範囲18-23）、UC患者の登録時の年齢中央値は24歳（範囲14-29）であった。患者は全員白人で、ヒスパニック系やラテン系はいなかった。ベースライン時、すべての患者の疾患活動性指標スコアは軽度または中等度であった。CDの4名全員が軽度の疾患活動性であった（PCDAI 11-25）。UCの被験者に関しては、3人が軽度の疾患活動性（PUCAIスコア10-24）、3人が軽度から中等度の疾患活動性（PUCAIスコア25-39）、3人が中等度の疾患活動性（PUCAIスコア40-69）だった（補足：表1）。
図1.
A. コンソート図。B. 参加者個人の臨床症状スコア（UCのPUCAIとCDのPCDAI）（上）および反応者対非反応者（下）。
11人（CD3人、UC8人）の被験者が試験の盲検化段階を完了した（図1A）。4名（CD1名、UC3名）の被験者は、反応基準を満たさなかったため、オープンラベル相に進むことができなかった（図1A）。7名（CD2名、UC5名）の被験者が本試験の非盲検期を終了し、6名（CD2名、UC4名）の被験者が長期フォローアップを終了しました（図1A）。
臨床的反応
全体として、3名の患者がIBD関連症状の減少を報告した。UCの被験者は、実験群投与中または非盲検療法中に、PCDAIスコアの平均低下5、PUCAIの平均低下7.5を経験しました（図1B）。FMTは、大多数の患者において安全かつ良好な忍容性を示した。重篤な有害事象（SAE）は2件あった：介入抗生物質治療（FMTではない）に関連する可能性があると判断されたグレード3の大腸炎1件と、おそらく関連すると判断されたFMT導入浣腸の直後の過敏性反応1件であった。両者とも試験から除外された。その他、試験介入とは関係ないと判断された有害事象があった（Supplemental Text）。
宿主マイクロバイオーム反応
平均して、アルファ多様性は抗生物質治療1週間後に減少し、FMTの期間中は増加した。FMT後のα多様性には大きな個人差があり、シャノン指数は1未満から5以上であった（図2A）。配列決定のための連続便サンプルを用いて、腸内細菌の変化の週次時系列を作成した。反応者と非反応者の間の微生物の違いは、早期に分岐した。FMT後2週間から、非応答者と比較して臨床応答者ではより高いα多様性が観察された（t検定、p値＜0.05）（図2A）。反応者と非反応者の間で測定されたアルファ多様性の差は、より広い臨床反応の定義を用いた場合でも有意であった（補足図1）。
図2.
A. 全患者、臨床非応答者（青）対臨床反応者（赤）、および個々の患者の便のα多様性（Shannon index）時系列、それぞれ独自の濃淡で示す（挿入図）。B. 臨床症状スコア（PUCAI ...）間の相関性
次に、個人におけるαの多様性と臨床症状との関係を探った。3人の臨床反応者では、シャノン指数とPUCAIまたはPCDAIの間に統計的に有意な関係（ピアソンの調整済みp値はすべて0.05）を測定することができ、高い多様性は低い疾患活動性と相関があった（図2B）。非応答者では、同じ関係は観察されなかった（図2B）。最後に、治療経過のどの時点で微生物の多様性が症状の重篤度と最も相関しているかを調べました。参加者のα多様性の幅が大きいにもかかわらず、α多様性と疾患活動指数との間には、抗生物質治療の前後で相関は見られなかった（図2C、小パネル、上）。より早い時点でアルファ多様性が高いほど、FMT後の症状スコアが低いという相関がある傾向が見られたが、これは統計的に有意ではなかった（図2C、小パネル、下）。一方、FMT後6週目から、アルファ多様性はPUCAIまたはPCDAIと有意な相関を示した（ピアソンの相関、r = -0.9, 調整p値 = 0.0002）。アルファ多様性が高いほど、疾患活動性の低下との強い関連性が示された（図2C、左パネル）。
ドナーエングラフトメント
αの多様性と臨床的改善の関係は、ドナーの生着率に大きく左右されると仮説を立てた。FMTドナーは2名であった。各レシピエントは、1人のドナーからカプセルを受け取るようにランダムに割り当てられた。ドナーは健康であり、16S配列決定とβ多様性測定により、彼らのマイクロバイオームは容易に区別できた（補足図2）。SourceTracker2（Gibbsサンプリングに基づくベイズアルゴリズムで、一連の入力ソースに由来する便微生物群集の予測割合を最終的に割り当てる）を用いて、ドナーの生着率を測定した［27］。FMT後の各便サンプルについて、レシピエントの抗生物質投与前の便サンプル、レシピエントの抗生物質投与後の便サンプル、および割り当てられたドナーのカプセルからの16Sシーケンスを潜在的なソースとして使用しました。さらに、ソースの誤割り当てを調査する方法として、もう一人のドナーをダミーソースとして追加しました。平均して、ダミードナーの割合は0.016であり、割り当てられた部分が0.05を超えたのは111例中3例のみであった（補足図3、補足表2）。
FMT後2週目から、反応者は非反応者と比べてドナー生着率が高かった（図3Aおよび補足表2）。この関連は、FMT後2週目と7週目で統計的に有意であった（T-test、p値<0.05）。第6週から第8週において、レスポンダーのマイクロバイオーム組成は、非レスポンダーよりも割り当てられたドナーにはるかに近かった（Bray-Curtis dissimilarity）（図3Bおよびand3C）.3C）。あるケースでは、FMT前のマイクロバイオームが非応答者のドナーマイクロバイオームと類似していた。しかし、参加者のマイクロバイオームは、FMT後にドナーのマイクロバイオームプロファイルからシフトした。(図3C、一番右のパネル）。この例では、おそらく抗生物質が、FMTそのものと同じくらい、結果のマイクロバイオームコミュニティに大きな役割を果たしたのでしょう。
図3.
A. 図3A. SourceTrackerで推定したドナー移植率（反応者対非反応者、および個々の患者について、それぞれ独自のグレーで表示） B. 3例の反応者のベータ多様性プロット（Bray-Curtis）。C. ベータ多様性プロット（Bray-Curtis）。
移植の相関関係
移植の程度は、腸内細菌の多様性の回復とFMTに対する臨床反応の両方と相関していた。FMT後3～8週目の生着率は、0.3%未満から91.8%まで、参加者の間で大きな幅があった（図3A、挿入図）。2週目と7週目の生着率を参加者の他の特徴と比較することで、生着率の臨床的、実験的、微生物的相関を探った。これらの特徴には、症状の重症度スコア、便や血液中の炎症マーカー、抗生物質投与前後の腸内細菌叢のベースライン多様性などが含まれていました。FMT後7週目の生着率の最も強い相関は、FMT後2週目の生着率であり（ピアソンR = 0.69、p値< 0.05）、初期の生着率またはその欠如が、後半の生着率を予測することを示唆した（補足図4）。生着率と有意に相関する臨床検査値は、糞便カルプロテクチンだけであった。抗生物質投与後、カルプロテクチンと生着率の間には負の相関があり（ピアソンR＝0.72、p値＜0.05）、高レベルの腸内炎症が生着を妨げることが示唆された（補足図4）。
抗生物質の前処理は、α多様性を著しく減少させ、マイクロバイオームの生態を変化させる（補足図5Aおよび5B）。しかし、未解決の問題は、抗生物質投与後の多様性が低い（「クリーン・スレート」）のか、それとも残存多様性が高いのかが、生着にとってより支持的な環境となるのかということである。我々の小規模な研究では、抗生物質投与後のα多様性が高いほど、生着率が高いという相関があることがわかった（ピアソンR = 0.69、p値 < 0.05）（図4D）。しかし、抗生物質を投与する前のアルファ多様性（つまり、参加者のベースライン）と最終的な生着率との間には、このような相関関係は見られなかった。同様に、抗生物質投与後の微生物群集は、高接種者と低接種者の間で分離できたが（Bray-Curtis、PERMANOVA p値<0.01）、高接種者と低接種者の抗生物質投与前の群集は分離しなかった（図4E）。
図4.
A. 抗生物質投与後のマイクロバイオームを用いたランダムフォレスト分類器による重要な特徴（属レベル）で、高生着者対低生着者を分類した（AUC = 1.00）。すべての分類群は属であり、最も低い同定された分類学的レベルがラベルで示されている。*アスタリスクは、...
乳酸菌科のメンバーは高ドナー移植と関連する
次に、抗生物質処理後の特定の分類群の存在が生着率と相関しているかどうかを調べました。そこで、属レベルの相対的な存在量を用いて、テストセットにおける高い生着率を正確に予測するRandom Forest分類器を訓練した。興味深いことに、特徴の重要度をランキングしたところ、上位4つの特徴は乳酸菌科の属であった（図5A）。抗生物質投与直後のタイムポイントでは、乳酸菌科で同定された12種のうち4種が、最終的に高い生着率を示した参加者において相対存在度が高く、その中には未分類の乳酸菌科2種、Lactobacillus zeae、Lactobacillus brevisも含まれていた（図5B）。個々の分類群の時系列を作成し、最終的に生着率が高い患者と低い患者を比較しました。Lactobacillus属、Lactobacillus zeae種、Lactobacillus brevis種、分類不能のLactobacillus種については、抗生物質治療直後に分類群の相対存在量の急増が確認された（図5Cおよび補足図6）。FMT（および生着）が進行するにつれて、乳酸菌分類群の相対的な存在量は減少した。我々は、コンディショニング後のFMT前の時点の16Sシーケンスデータが公開されている、IBD患者におけるFMTの他の研究1件のみを知っている[7]。その研究では、6人の患者がFMTを受け、3人が臨床的に反応し、3人が反応しなかった。興味深いことに、反応した患者には、Chuらの研究で6人すべての患者から検出されたGenus Lactobacillusと2種のLactobacillusの相対存在量に非常に類似した一過性のスパイクが見られた（図5Dおよび補足図6）。
考察
IBDにおけるFMTの臨床的奏効率は通常20～40％であり、我々の研究でも同様の有効性が示された[5,8,9,11,13,14]。FMTを完了した12人の患者のうち、3人が臨床的反応を示した。本研究では、最終的な成功と最終的な治療失敗を分けたものに焦点を当て、分析を行いました。その結果、1.ドナー微生物叢の生着率は、反応者対非反応者で高かったこと、2.抗生物質治療後の残存α多様性が高いことが生着率の向上と関連していること、3.抗生物質治療後のいくつかの乳酸菌科分類群の存在量の相対上昇が生着率と相関していることがわかった。
これまでの研究で、FMT前のコンディショニングの構成要素として抗生物質療法が有効性を向上させることが示唆されているが、コンディショニングレジメンは依然として非常に多様であり、生着率と臨床反応に対するその影響は十分に定義されていない[18]。本研究の規模が小さいことは、重大な弱点である。しかし、FMTの経過中、毎週サンプリングし、FMTの前と抗生物質コンディショニング後に腸内細菌コミュニティを特別にサンプリングしたことは、強みであった。頻繁にサンプリングすることで、生着率の決定要因と動態を研究することができた。移植のルールに関する多くの未解決の疑問の中で、私たちは動態に関連する2つの疑問に焦点を当てました。第一に、生着した患者にドナーのマイクロバイオームが定着するのはどの程度早いのか。第二に、FMT前のどの時点で、レシピエントの微生物の特徴が最終的な生着と相関するのか。
生着し、臨床的に反応する患者さんでは、生着は2週間以内に定着しています。1人を除いて、FMT期間終了時におよそ75％以上の生着率を達成した参加者は全員、2週目には75％以上の生着率を達成していました。もう一人は3週目に75％以上の生着率を達成した。このことは、生着率を支持する特徴が、おそらくFMTの開始以前から存在することを示唆している。
今回の参加者では、生着に関連するベースラインの臨床的特徴は見つかりませんでした。しかし、抗生物質投与後、糞便カルプロテクチンは生着率と負の相関を示し、抗生物質投与後の腸内炎症の減少が生着率をサポートすることを示唆している。抗生物質を投与する前のベースラインでは、生着率に相関する微生物は見つからなかったが、抗生物質投与後には、生着率と相関する複数の微生物因子が存在した。我々は、IBD患者において抗生物質投与後、FMT前にマイクロバイオームの配列を決定した他の2つの研究しか知らない。この時間制限のあるコミュニティが生着にとって相対的に重要であることを考えると、今後のFMT研究では、ドナー生着のためのニッチを準備する最善の方法をよりよく理解するために、この時点でサンプルを採取することを提案する[5,7]。
FMT前の抗生物質は、理論的には、レシピエントの大腸にニッチを確立する際に、ドナー微生物を凌駕する可能性のある病原体や常在菌を除去するのに役立つとされる。この理論とはやや矛盾するが、我々のデータは、抗生物質投与後に多様性をより高く維持することが、より良好な生着率を予測することを示唆している。このことは、IBDのFMT試験では示されていないが、生着率の決定因子を評価した他の2つの研究と一致している。Clostridioides difficile感染症患者を対象としたFMTの1つの研究では、レシピエントのα多様性が高いことが、ドナーの微生物叢の移植の改善と関連していました [12] 。過敏性腸症候群（IBS）患者に対するFMTの別の研究では、抗生物質治療とそれに伴う多様性の低下は、FMT後の生着率を低下させるようであった [21]．IBDとIBSで抗生物質の効果が異なる（IBDでは生着が促進されるが、IBSでは有害）ことは、異なる疾患ではFMT前の条件付けが異なる可能性があることを示している。おそらく、IBDでは病原体の数が多いため、抗生物質がより有利に働くのでしょう。しかし、我々のデータは、抗生物質の効果には高い個人差があり、同じ疾患であっても、抗生物質が生着に有利な環境を作る人もいれば、そうでない人もいることを示しています。どのような人に抗生物質が有効か、またどのような抗生物質を使用すればよいかを判断することは、今後も必要な研究分野である。
最後に、生着に関連する特定の分類群を特定することを目的とした分析を行いました。参加者を生着率の高い人と低い人に分け、ベースラインの腸内細菌叢と抗生物質投与後の細菌叢を振り返り、β多様性分析を行いました。α多様性と同様に、ベースラインのサンプルに測定可能な差は見つかりませんでした。しかし、抗生物質投与直後（ただしFMT前）の時点では、生着率の高い患者と低い患者が明確に分かれた。主な違いは、乳酸菌科の常在菌の相対的な多さであった。最終的に生着率が高くなった患者は、これらの分類群の相対的なレベルが高くなる傾向があった。興味深いことに、Clostridioides difficile感染症に対するFMT試験において、乳酸菌科は、同定された生着率の分類学的決定要因の中で最も高い依存スコアを示した[12]。これらの結果から、乳酸菌科は、おそらくドナーのマイクロバイオームにとってより好ましいニッチを作り出すことによって、移植を促進する可能性があることが示唆されました。ラクトバチルス属の複数の種は、前臨床モデルにおいて腸の再生をサポートすることが示されている。より具体的には、乳酸菌が杯細胞やムチンの産生を増加させることが実証されつつあります。このことは、新しいマイクロバイオームの移植をサポートする可能性があります [29]。より広いレベルでは、これらの知見は、生着に理想的な環境を作ることが重要であることを示唆している。FMTの生着率を向上させるには、FMTの微生物が入り込む微生物環境と生態環境を理解し、いつの日か設計することができるかどうかにかかっています。
結論
本研究は、FMTの生着率を予測するレシピエントの特性について、より多くの調査が必要であることを示すものである。生着率の大きな個人差を分析することで、抗生物質投与後の残存微生物多様性が高いほど生着が促進され、いくつかの乳酸菌分類群がその効果を媒介する可能性があることを提案した。結局のところ、我々の研究は小規模であり、生着率の決定要因を完全に明らかにするには力不足であった。また、抗生物質投与後（ただしFMT前）の状態について、方法論的な特徴づけ（微生物配列決定、より深い臨床表現型、マルチオミクス技術）を行うことで、IBDにおけるFMTが成功する場合もあれば失敗する場合もある要因を明らかにすることができると主張します。
表1
補足資料
サプリメント1
補足表1. 臨床データ表。被験者識別子は、この原稿のために無作為に生成されたもので、研究チーム以外の人には知られていない。
補足表2. SourceTracker2の結果。被験者識別子は、この原稿の目的のためにランダムに生成され、研究チーム以外の誰にも知られることはない。
ここをクリックすると表示されます(19K, xlsx)
2
補足図1. 全IBD患者（左）とUC患者（右）のみについて、より包括的な反応基準を用いた反応者と非反応者のシャノン多様性（左）。
補足図2. 本研究で使用した2人のドナーからの複数の便サンプルの主座標分析（ブレイカーチス非類似度）。
補足図3. FMT後のマイクロバイオームが「ダミードナー」に帰属する割合（任意の被験者のFMTに使用されなかったドナーは、SourceTrackerで潜在的なソースとして使用された）。各色はユニークな被験者を表す。
補足図4. 生着に関連する臨床、検査、マイクロバイオーム因子の相関マトリックス。ピアソンR（左）およびP（右）値を示す。
補足図5. A. 抗生物質投与前後のシャノン指数。B.抗生物質投与前後のタイムポイントの主座標分析。
補足図6. 我々の研究（左）とChuらの再解析（右）の両方について、種レベルでの乳酸菌相対存在量の経時変化。
閲覧はこちら(669K, pdf)
ファンディング
本研究は、Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development（Award 5K12HD052896 to Gary R. Fleisher, MD）の支援を受けて行われました。本研究を支援してくださったHamel家およびRasmussen家に感謝いたします。
略語の一覧
CDCクローン病FMTF便微生物移植PUCA小児潰瘍性大腸炎活動指数PCDAIP小児クローン病活動指数IBD炎症性腸疾患IBSIrritable Bowel SyndromerCDI再発クロストリジウム・ディフィシル感染U潰瘍性大腸炎
フットノーツ
倫理的承認と参加への同意
本試験は、プロトコール、適用されるICHガイドライン、Good Clinical Practice、ヒトにおける医学研究に関する世界医師会（WMA）のヘルシンキ宣言とその修正に準拠して実施されました。
臨床研究に適用されるガイドラインおよび米国連邦規則に従い、プロトコールおよびインフォームドコンセント/同意書は、ボストン小児病院の施設審査委員会（IRB）によって審査・承認されました。治験責任医師は、IRBの方針およびFDAの規制に従って、その後のプロトコールの修正および報告すべき事象をIRBおよびFDAに報告した。
すべての患者および/またはその保護者は、この研究への参加に同意した。
データおよび資料の利用可能性
本研究で生成および/または解析されたデータセットの利用可能性は保留されている。
競合する利益
ABは、ヤンセン、アッヴィ、武田薬品、ブールマン、アリーナ、イーライリリー、ブリストル・マイヤーズスクイブ、PROCISE診断薬のプロトコルにおいて、サブ研究者として研究支援を受けています。武田薬品工業、ベストドクターズ、イーライリリー、フレゼニウス・カビからコンサルティング収入を得ている。ABは、ボストン大学から謝礼を受け取り、Up To Dateからロイヤリティを受け取った。
他の著者に競合する利害関係はない。
記事情報
バージョン1.medRxiv. プレプリントです。2023 Feb 1.
doi: 10.1101/2023.01.30.23285033
pmcid: pmc9915819
PMID:36778473
これはプレプリントです。
まだジャーナルによる査読を受けていません。
米国国立医学図書館は、NIHが資金提供した研究の結果得られたプレプリントをPMCおよびPubMedに含めるための試験運用を行っています。
Yanjia Jason Zhang, MD PhD, 1,2,3 Athos Bousvaros, MD, MPH, 1,3 Michael Docktor, MD,1,4 Abby Kaplan, 1,4 Paul A. Rufo, MD, MMSc, 1,4 McKenzie Leier, 1,4 Madison Weatherly, 1,4 Lori Zimmerman, MD, 1,4 Le Thanh Tu Nguyen, PhD, 2,3 Brenda Barton, RN, 1 George Russell, MD, 5 Eric J. Alm, PhD,2,3 and Stacy A. Kahn, MD1,4
1ボストン小児病院 消化器科/栄養科 300 Longwood Ave. 米国、マサチューセッツ州、ボストン
2マサチューセッツ工科大学生物工学部 21 Ames St.
3マサチューセッツ工科大学マイクロバイオーム情報学・治療学センター（米国マサチューセッツ州ケンブリッジ市
ボストン小児病院4IBDセンター 300 Longwood Ave. アメリカ、マサチューセッツ州、ボストン
5メインメディカルセンター 消化器・栄養科 22 Bramhall St.Portland, ME, USA
コレスポンディング・オーサー ステイシー・A・カーン（MD、ude.dravrah.snerdlihc@nhak.ycats）
寄稿
著者の貢献
YZはマイクロバイオーム解析を実施し、原稿を執筆した。ABは試験デザインに貢献し、臨床試験手順を実行し、原稿を批判的にレビューした。EAとTNはマイクロバイオーム解析に協力し、原稿を編集した。AKは臨床データ解析を行い、原稿の執筆に協力した。MD、MW、PR、ML、LZ、BB、GRは、患者の募集、治験に関わる臨床業務の遂行、原稿の編集を行った。BBは研究マネージャーとして、臨床試験の手続きをサポートした。GRは、臨床試験をデザインし、原稿を編集した。SKは治験責任医師として、臨床試験のデザインに貢献し、臨床試験の手順を監督し、臨床データを分析し、原稿の執筆に大きく貢献した。
著作権表示
この作品は、クリエイティブ・コモンズ 表示-非営利-改変禁止 4.0 国際ライセンスの下でライセンスされており、再利用者は、非商用目的のみで、作成者に帰属する限り、いかなる媒体またはフォーマットでも、改変されていない形でコピーし配布することを許可されています。
このプレプリントの完全なバージョン履歴は、medRxivで入手できます。
medRxivの記事は、Cold Spring Harbor Laboratory Preprintsの提供でここに掲載されています。
参考文献
Saha S, Mara K, Pardi DS, Khanna S. 再発したClostridioides difficile感染症に対する糞便微生物叢移植の長期安全性。Gastroenterology. 2021;160:1961–1969.e3. [PubMed］［Google Scholar］．
Kelly CR, Yen EF, Grinspan AM, Kahn SA, Atreja A, Lewis JD, et al. Fecal Microbiota Transplantation Is Highly Effective in Real-World Practice: FMT National Registryの初期結果。Gastroenterology. 2021;160:183-192.e3. [PMC無料記事】【PubMed】【Google Scholar】。
Nicholson MR, Mitchell PD, Alexander E, Ballal S, Bartlett M, Becker P, et al. Efficacy of Fecal Microbiota Transplantation for Clostridium difficile Infection in Child. Clin Gastroenterol H. 2020;18:612-619.e1. [PMC free article】【PubMed】【Google Scholar】。
Cammarota G, Ianiro G. 潰瘍性大腸炎に対するFMT：ターニングポイントに近づいている。Nat Rev Gastroentero. 2019;16:266-8. [PubMed］［Google Scholar］．
潰瘍性大腸炎に対する糞便微生物移植と抗生物質の併用療法に伴う腸内細菌叢の変化. Inflamm Bowel Dis. 2017;23:116-25. [PubMed］［Google Scholar］．
潰瘍性大腸炎における長期維持療法のための毎日経口投与するFMT：単施設、前向き、無作為化パイロット試験の結果」 Crothers JW, Chu ND, Nguyen LTT, Phillips M, Collins C, Fortner K, et al. Bmc Gastroenterol. 2021;21:281. [PMC無料記事】【PubMed】【Google Scholar】。
Chu ND, Crothers JW, Nguyen LTT, Kearney SM, Smith MB, Kassam Z, et al. Dynamic Colonization of Microbes and Their Functions after Fecal Microbiota Transplantation for Inflammatory Bowel Disease. Mbio. 2021;12:e00975-21. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Costello SP, Hughes PA, Waters O, Bryant RV, Vincent AD, Blatchford P, et al. 潰瘍性大腸炎患者の8週間寛解に対する便微生物移植の影響。無作為化臨床試験(A Randomized Clinical Trial) Jama. 2019;321:156. [PMC無料記事】【PubMed】【Google Scholar】。
Rossen NG, Fuentes S, van der Spek MJ, Tijssen JG, Hartman JHA, Duflou A et al. 潰瘍性大腸炎患者に対する糞便移植の無作為化対照試験からの所見(Finding From a Randomized Controlled Trial for Patients With Ulcerative Colitis). Gastroenterology. 2015;149:110-118.e4. [PubMed］［Google Scholar］．
Vaughn BP, Vatanen T, Allegretti JR, Bai A, Xavier RJ, Korzenik J, et al. Increased Intestinal Microbial Diversity Following Fecal Microbiota Transplant for Active Crohn's Disease. Inflamm Bowel Dis. 2016;22:2182-90. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Paramsothy S, Nielsen S, Kamm MA, Deshpande NP, Faith JJ, Clemente JC, et al. 潰瘍性大腸炎患者における便微生物移植の反応に関連する特定の細菌と代謝産物. Gastroenterology. 2019;156:1440–1454.e2. [PubMed] [Google Scholar]を参照してください。
Smillie CS, Sauk J, Gevers D, Friedman J, Sung J, Youngster I, et al. Strain Tracking Reveals the Determinants of Bacterial Engraftment in the Human Gut Following Fecal Microbiota Transplantation. Cell Host & Microbe. 2018;23:229-240.e5. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Narula N, Kassam Z, Yuan Y, Colombel J-F, Ponsioen C, Reinisch W, et al. Systematic Review and Meta-analysis. Inflamm Bowel Dis. 2017;23:1702-9. [PubMed］［Google Scholar］．
Moayyedi P, Surette MG, Kim PT, Libertucci J, Wolfe M, Onischi C, et al. Fecal Microbiota Transplantation Induces Remission in Patients With Active Ulcerative Colitis in a Randomized Controlled Trial. Gastroenterology. 2015;149:102-109.e6. [PubMed］［Google Scholar］．
OP036 軽症・中等症活動性潰瘍性大腸炎患者における短時間・低強度のプール糞便微生物移植による寛解導入：ランダム化比較試験。J Crohn's Colitis. 2017;11:s23-s23. [Google Scholar】を参照してください。］
Danne C, Rolhion N, Sokol H. Recipient factors in faecal microbiota transplantation: one stool does not fit all. Nat Rev Gastroentero. 2021;18:503-13. [PubMed］［Google Scholar］．
Kellermayer R, Wu Q, Nagy-Szakal D, Queliza K, Ihekweazu FD, Bocchini CE, et al. Fecal Microbiota Transplantation Commonly Failed in Children With Co-Morbidities. J Pediatr Gastr Nutr. 2022;74:227-35. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
laniro G, Puncochar M, Karcher N, Porcari S, Armanini F, Asnicar F, et al. Variability of strain engraftment and predictability of microbiome composition after fecal microbiota transplantation across different diseases. Nat Med. 2022;28:1913-23. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Smith BJ, Piceno Y, Zydek M, Zhang B, Syriani LA, Terdiman JP, et al. 潰瘍性大腸炎に対する糞便微生物移植による抗生物質の前処理と維持量投与モードの無作為試験における歪み分解解析。Sci Rep-uk. 2022;12:5517. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Keshteli AH, Millan B, Madsen KL. 抗生物質の前処理は、潰瘍性大腸炎における糞便微生物移植の有効性を高める可能性がある：メタアナリシス。Mucosal Immunol. 2017;10:565-6. [PubMed］［Google Scholar］．
Singh P, Alm EJ, Kelley JM, Cheng V, Smith M, Kassam Z, et al. IBS-DにおけるFecal Microbiota Transplant（FMT）後の細菌生着に対する抗生物質の前処理の影響。Gut Microbes. 2022;14:2020067. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Fischer M, Sipe B, Cheng Y-W, Phelps E, Rogers N, Sagi S, et al. Fecal microbiota transplant in severe and severe-complicated Clostridium difficile: 有望な治療アプローチ。Gut Microbes. 2017;8:289-302. [PMC無料記事】【PubMed】【Google Scholar】。
Bolyen E, Rideout JR, Dillon MR, Bokulich NA, Abnet CC, Al-Ghalith GA, et al. Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome data science using QIIME 2. Nat Biotechnol. 2019;37:852-7. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
Callahan BJ, McMurdie PJ, Rosen MJ, Han AW, Johnson AJA, Holmes SP. DADA2：イルミナのアンプリコンデータからの高解像度サンプル推論。Nat Methods. 2016;13:581-3. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
phyloseq: An R Package for Reproducible Interactive Analysis and Graphics of Microbiome Census Data. Plos One. 2013;8:e61217. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar].
SILVA: a comprehensive online resource for quality checked and aligned ribosomal RNA sequence data compatible with ARB, et al.Pruesse、 Quast C、 Knittel K、 Fuchs BM、 Ludwig W、 Peplies J、 et al. Nucleic Acids Res. 2007;35:7188-96. [PMCフリーペーパー] [PubMed] [Google Scholar].
Knights D, Kuczynski J, Charlson ES, Zaneveld J, Mozer MC, Collman RG, et al. Bayesian community-wide culture-independent microbial source tracking. Nat Methods. 2011;8:761-3. [PMC無料記事] [PubMed] [Google Scholar].
Bokulich NA, Dillon MR, Bolyen E, Kaehler BD, Huttley GA, Caporaso JG. q2-sample-classifier: microbiome classification and regressionのための機械学習ツール. J Open Res Softw. 2018;3:934. [PMC無料記事】【PubMed】【Google Scholar】。
Lactobacillus reuteriは若鶏の腸管上皮の増殖を促進し、ゴブレット細胞への分化を誘導する。J Agr Food Chem. 2019;67:13758-66. [PubMed] [Google Scholar].