微生物発酵と宿主の健康を非侵襲的に測定する腸内ガス
解説| 第32巻 第8号 P1225-1229 2024年8月14日発行
微生物発酵と宿主の健康を非侵襲的に測定する腸内ガス
https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(24)00263-4#%20
DOI:https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.07.004
微生物発酵とその関連産物は、腸内細菌と宿主の関係に関する洞察を与えてくれる。ここでは、微生物発酵の指標として、腸内ガスの非侵襲的リアルタイム測定を可能にする改良技術の利用を提案する。このアプローチは、宿主の代謝の健康を改善する個別化介入の基礎を提供する可能性がある。
本文
微生物学に基づく個別化栄養学の事例
過去40年間で、肥満、2型糖尿病（T2D）、心代謝性疾患、さらに精神的健康障害やうつ病の世界的有病率は劇的に増加した。現在、世界人口の50％以上が過体重である。エネルギー密度の高い食品を容易に入手でき、座りっぱなしのライフスタイルに後押しされ、肥満は世界的な健康・社会経済上の大問題となっている。食事介入は慢性代謝性疾患の予防に有効であることが証明されている。しかし、ある人に効果があっても別の人には効果がないという認識が広まりつつあるにもかかわらず、栄養に関するアドバイスは、集団平均（「one-size-fits-all」アプローチ）に依存した一般的な栄養ガイドラインを通じて、依然として集団レベルで提供されている。われわれは最近、個人の組織特異的インスリン抵抗性表現型に応じて食事の主要栄養素組成を調整することで、過体重の個人のインスリン感受性と心代謝系の健康が臨床的に有意に改善することを証明した（PERSON研究）。
これらのデータは概念実証であり、"画一的な "一般的な食事ガイドライン戦略とは対照的に、明確なサブグループに基づいた精密栄養学の潜在的価値を実証している。ここ数年、腸内細菌叢がヒトの健康と疾病における重要な生物であることがますます明らかになってきている。腸内細菌群集の不均衡は、T2D、代謝関連脂肪肝（MAFLD）、肥満を含む多くの西洋代謝性疾患に関与している。さらに、腸内細菌叢の組成が食事介入の結果を決定する主要な要因であることが次第に明らかになってきている。
代謝の健康と食事介入の決定因子としての腸内細菌叢
腸内細菌叢は未消化および難消化の食物成分を発酵させ、宿主の代謝に影響を及ぼす多種多様な代謝産物を産生する。未消化の食物成分には、小腸で消化されなかったタンパク質などの食物基質が含まれ、難消化性の食物成分には、ヒトの消化酵素では分解できない食物繊維が含まれる。食物繊維は、腸内微生物の大部分にとって主要なエネルギー源となっている。食物繊維の発酵により、主に酢酸、プロピオン酸、酪酸などの短鎖脂肪酸（SCFA）が大量に生成され、宿主の代謝の健康に有益な影響を与える。さらに、食物繊維の発酵により、水素（H2）、メタン（CH4）、二酸化炭素（CO2）などのガスが発生する。これらのガスのうち、H2とCH4はもっぱら微生物によって生成される。
注目すべきは、腸内容物が近位結腸から遠位結腸に移動するにつれて、食物繊維の利用可能性が減少することである。欧米食は食物繊維の含有量が少ないため、これはさらに悪化する可能性がある。その結果、遠位結腸の腸内細菌叢は、代替エネルギー源として未消化のペプチドやタンパク質（食事から摂取する外因性のものと、ムチンから摂取する内因性のもの）に切り替わる。腸内細菌によるタンパク質の発酵は、分岐鎖脂肪酸、アンモニア、インドール、フェノール、ガス状分子の硫化水素（H2S）など、様々な代謝産物を産生する。完全には解明されていないが、タンパク質分解発酵由来の微生物代謝産物のほとんどは、特に多量に産生された場合、宿主の代謝の健康に有害であり、毒性があると考えられている。とはいえ、多少のニュアンスの違いはある。例えば、インドールやその代謝産物、H2Sの中には、腸や宿主組織の機能に有益な影響を与えるものもあることが示されている。
さらに、我々は以前、SCFAを大腸遠位部に注入すると、過体重または肥満の男性において、全身脂肪酸化、エネルギー消費、満腹ホルモンPYYの血漿中濃度が増加し、脂肪分解が減少することを証明した。興味深いことに、大腸近位部SCFA注入後には効果は観察されなかった。
これらの観察結果から、遠位結腸での糖類分解発酵を増加させ、タンパク質分解発酵を減少させることは、心代謝系の健康を改善し、慢性代謝性疾患を予防する重要な戦略であると考えられる。
興味深いことに、上述したように、食事介入によって反応性と非反応性の表現型が明らかになる可能性があり、それは食物繊維由来のSCFA産生の大きさと関連している可能性がある。我々は最近、プレバイオティクス食物繊維である長鎖イヌリンとレジスタントスターチ（RS2）を併用した短期投与が、除脂肪正常血糖男性において食後のインスリン感受性とエネルギー消費量を増加させることを証明した。これは、血漿中の酪酸および呼吸時に排泄されるH2濃度の上昇と一致していた。これらの結果は表現型特異的なものであるようで、体重過多・肥満の人や糖尿病前症と診断された人では効果が観察されなかった。さらに、これらの効果は食物繊維特異的であるようで、酵母βグルカン（レジスタントスターチとの併用）を摂取しても同様の効果は観察されず、さらに複雑な様相を呈している。
微生物発酵の測定
これらの最初の洞察に基づき、タンパク質分解および糖類分解発酵から生じる微生物代謝産物の産生および吸収動態をより深く理解する必要がある。これは、腸内細菌-宿主代謝軸とその食事との相互作用に関する知識を深める上で極めて重要である。現在までのところ、この関係を評価する研究の大半は、前臨床動物試験やin vitro試験に基づいている。ヒトの場合、腸内微生物の組成と活性は、糞便サンプルが容易に得られ、非侵襲的であることから、主に糞便を用いて研究されている。注意しなければならないのは、糞便中の代謝産物の評価は、実際の基質-腸内細菌-宿主の相互作用が起こってからかなり時間が経過した後に収集されるデータであるということである。糞便サンプルは、吸収、産生、細菌の相互摂食の正味の結果を表している。例えば、微生物由来のSCFAはすぐに吸収され、糞便中には5％～10％程度のSCFAしか残らないため、大腸微生物代謝のスナップショットとしての糞便サンプルの代表性には疑問が残る。
このことは、微生物機能の研究において、糞便サンプルの精度に限界があることを示している。これらの知見と同様に、我々は観察的横断データを用いて、便中SCFAではなく、循環中SCFAがインスリン抵抗性のマーカー、脂肪分解、および循環中インクレチングルカゴン様ペプチド-1と関連していることを証明した6。
結論として、便中微生物代謝物分析の解釈的価値は、腸内細菌-宿主代謝軸の完全な理解には不十分である。
さらに、ある特定の時点におけるサンプリングでは、経時的な微生物活性の変動を十分に反映できない可能性がある。微生物活性と食物摂取との相互作用は経時的に変化し、宿主の概日系に強く関連した日周リズムを示すという証拠が増えていることを考えると、この限界は重大である。微生物活性と宿主の代謝を経時的に研究することの重要性は、健康な人に食物繊維を1日補給するだけで、翌朝の空腹時酪酸濃度が上昇し、それに伴って空腹時および食後のエネルギー消費、基質酸化、食後のインスリン感受性に顕著な代謝効果が現れるという知見に示されている。
概日リズムとそれに関連する微生物リズムの乱れは、肥満、T2D、および心代謝系の健康関連リスクを高める可能性があるため、このことは特に重要である。腸内細菌叢と分子概日時計はともに、代謝、炎症、インスリン感受性において協調的な役割を果たしており、食事と宿主代謝の相互作用において重要な役割を果たしている。これまで、宿主代謝に関連する食事-微生物発酵の分野では、ヒトのリアルタイム発酵を測定する非侵襲的な方法がないため、進展が限られていた。
リアルタイム発酵の測定
腸内ガスの排泄は、微生物発酵の最も具体的な特徴の一つである。腸内ガスは、1868年の初期の観察以来、関心が高まっており、注目度も高まっている。腸内ガスの排泄速度と組成には非常に個人差がある。腸内ガスは主に窒素ガス（ほとんどが飲み込んだ空気に由来する）、H2、CH4、CO2で構成されている。さらに、臭気化合物H2Sのような多数の微量ガスが、腸内ガス中にごく低濃度で存在する。大腸では、H2はバクテロイデス 属、パラバクテロイデス 属、プレボテラ属を含む多くの一次発酵菌によって産生され、CH4はH2とCO2などの他の基質の両方を消費してCH4を生成する古細菌によって産生される。H2Sは腸内細菌叢によって、硫黄アミノ酸の発酵や無機硫酸の還元によって生成される。あるいは、H2Sは宿主の酵素反応によっても生成される。
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微生物によるガス産生は、腸内生態系において重要な役割を果たしている。
さらに、H2およびCH4は、微生物発酵がこれらのガスの唯一の供給源であることから、糖類分解発酵の排他的マーカーとして機能する可能性がある。H2Sの排泄は、タンパク質分解発酵のバイオマーカーとして機能する可能性があるが、哺乳類も低レベルのH2Sを内因的に合成するため、注意が必要である。
腸内ガス組成の測定は、食餌-微生物発酵相互作用に関する情報をリアルタイムで提供できる。例えば、ある優れたin vitro実験では、食物繊維を添加しない状態で糞便に硫黄含有アミノ酸を接種すると、微生物発酵の結果として多量のH2Sが得られる一方、食物繊維を添加すると微生物代謝が切り替わり、H2 Sに反映されるように多量のH2とタンパク質分解発酵の抑制が生じることが示された。
したがって、H2、CH4、H2S排泄の正確な連続リアルタイム測定は、ヒトにおけるタンパク質分解発酵と糖類分解発酵の経時的なバランスを調べるために使用でき、微生物発酵と宿主代謝の関係に関するユニークで基礎的な情報を提供すると考えられる。我々は、前臨床モデルとしてげっ歯類における糖分解発酵を研究する同等のシステムを開発し、このアプローチを支持している。
このげっ歯類の実験では、絶食時にはH2産生量がほぼゼロになる一方、発酵性デンプンへのアクセスによってH2産生量が大幅に増加することが示された。
今日に至るまで、この分野では大きな進歩があり、その結果、腸内微生物の発酵を測定するために、腸内ガス産生の様々な直接的および間接的測定法が開発された。腸内ガス（呼気）測定は、小腸細菌の過剰増殖や過敏性腸症候群などの胃腸の状態を判定するために、H2（およびあまり頻繁にはCH4）を測定できる携帯型装置を使用して、臨床現場で日常的に使用されている。
微生物発酵のガス測定の進歩
選択イオンフロー管質量分析法やプロトン移動反応-四重極イオン飛行時間型質量分析法などの質量分析法は、揮発性有機化合物（VOC）の同定を可能にし、科学技術の分野で広く採用されています。これらの質量分析技術により、呼気サンプルを直接分析することも可能になり、膨大な呼気VOC組成に対する食事基質の影響を調べることができる。実際、最近の概念実証研究では、呼気揮発性代謝物の測定が、食物繊維とマイクロバイオームの相互作用をマッピングするための非侵襲的方法論であることが実証された。
この研究では、健康な人にキチングルカン繊維を3週間補給したところ、標準化された朝食摂取後の呼気VOCプロファイルが大きく変化し、呼気酢酸、酪酸、プロピオン酸などのよく知られた腸内代謝物に変化がみられた。
SCFA、フェノール、その他のガスを含むVOC分析は、微生物の発酵を大きく反映すると考えられるが、安定同位体標識基質を使用することで、発酵および/または代謝をさらに高い特異性で速度論的に評価できる可能性がある。これは、例えば13C標識イヌリンのような13C富化繊維の使用や、天然の13C富化植物材料の使用によって達成できる。
研究環境における呼気試験の主な欠点は、微生物発酵のスナップショットしか得られないことである。複数の時点で実施した場合でも、睡眠中や複数日間に渡るような長時間のリアルタイム測定と比較すると、これらの測定では正確な見解が得られない。さらに、呼気測定では、鼓腸から排泄される腸内ガスの個人間の相対的寄与が不明であるため、腸内ガスの総生産量を評価することはできない。代わりに、呼吸／発酵チャンバー内で経時的に腸内ガス測定を実施すれば、呼気ガスだけでなく鼓腸からのガス産生も測定できる。この方法により、腸内微生物の活動をより完全に把握することができる。実際、1992年に発表された初期の画期的な研究では、様々な投与量の食物繊維摂取後の呼気と鼓腸を含む腸内ガス排泄率が、呼吸チャンバーを用いて初めて評価された。この研究では、呼気からの平均排泄率はH2排泄率全体の58％を占め、個人差は23％～97％と大きく、腸内ガス排泄総量を測定することの重要性が示された。
とはいえ、このシステムは最初のプロトタイプであった。我々は、検証済みの呼吸チャンバーに高感度センサーを追加することで、このシステムを拡張した、
これにより、ヒトの長時間にわたる微生物発酵の連続的かつリアルタイムな測定が可能になった。我々は現在、この方法を臨床試験で検証しており、健康な人、過体重・肥満の人、インスリン抵抗性および／または糖尿病予備軍と診断された人を対象に、2日間の食物繊維混合サプリメントの腸内ガス排泄率に対する効果を調査する予定である（ClinicalTrials.govID：NCT05764200）。この臨床試験では、個人を深く表現型分類する。発酵ガス測定と並行して、エネルギー消費と基質酸化をリアルタイムでモニターすることができる。さらに、このチャンバーの特徴により、血液、尿、糞便など他の生物学的物質を採取することができ、それによって食事-微生物-宿主の相互作用に関する基本的な洞察を得ることができる（図1）。
図1ヒトの腸内微生物発酵を連続的に測定するために開発された方法の視覚的表現
今後の展望
腸内細菌は宿主の代謝を調節し、食事介入に対する反応を決定するという重要な役割を担っているため、宿主の代謝的健康を改善するために腸内細菌叢を調節することに大きな関心が寄せられている。先に述べたように、糖分解発酵を増加させる能力は食物繊維介入に対する反応に影響を及ぼす可能性がある。食事介入に対する反応者と非反応者を予測するシグネチャーを同定することは、腸内細菌叢の調節を通じて心代謝系の健康を改善することを目的とした効果的な標的治療または予防戦略の基盤を確立するために不可欠である。このレベルの理解に到達するためには、宿主のエネルギー代謝の変化と並行して、微生物活動の概日リズムを考慮に入れなければならない。上述の新しく開発された発酵室は、食事-微生物-宿主代謝の相互作用を経時的に研究する機会を提供し、それによって、急性短期環境下における反応者と非反応者だけでなく、長期間にわたる反応者についての洞察も提供する。これにより、食事に対する個人またはサブグループに基づく反応に関する独自の洞察が得られ、精密栄養戦略のための貴重な知見が得られる。
さらに、発酵ガスパターンの違いに基づいて、精密栄養戦略に示唆を与える明確な発酵表現型を区別できるかもしれない。最近の研究で、CH4生産者と非CH4生産者が異なる表現型であることが示された。健康な人に小麦ふすまを単回投与したところ、検出可能な量のCH4を産生する人は糞便中の酢酸濃度が高い傾向があり、検出可能な量のCH4を産生しない人は糞便中の酪酸濃度が高い傾向があった。
これは、合成微生物群集を用いた試験管内培養実験と一致しており、H2が豊富な腸内環境は酪酸産生を刺激し、CH4が豊富な腸内環境はSCFA産生を酢酸産生にシフトさせることが明らかになった。
欧米の集団では、検出可能な量のCH4を排泄できる個体は全体の30～60%に過ぎず、食物繊維の介入に対してH2産生のみで明確な反応を示す個体がかなりの割合で存在することを示していることから、このことは特に重要であると考えられる。これらの知見を総合すると、特定の発酵ガス表現型が存在することを示す強力な証拠となり、これはSCFA代謝、ひいては宿主の代謝を反映している可能性がある。したがって、これは食物繊維補給などの介入に対する反応における個人間変動の一部を説明できる可能性がある。
これに関連して、最近の研究で、ラクツロース試験中に呼気H2が高い人は、キチングルカンの補充後に血糖コントロールが改善したことが明らかにされ、呼気H2の状態が食物繊維介入の有効性を予測するツールとして役立つ可能性が示唆された。
この知見の基礎となるメカニズムはまだ不明であるが、これらの表現型間の腸内微生物の機能性の違いによって説明されるかもしれない。
上述したように、腸内細菌叢と宿主との相互作用は複雑である。我々は、タンパク質分解発酵と糖類分解発酵のバランスが、心代謝系の健康と食事介入に対する反応を決定する重要な要素であると考えている。しかし、代謝の健康に関して、このバランスに関する現在の理解は限られている。我々は、腸内ガス排泄のリアルタイム高精度測定と基質およびエネルギー代謝測定を組み合わせることで、ヒトの腸内細菌-宿主代謝軸および食事応答性に関する基礎的知識を提供することを提案する。これにより、食物繊維やタンパク質などの食事基質を発酵させる能力が、心代謝表現型によって異なるかどうかを調べることができ、標的を絞った介入策を開発する機会が得られる。
プロテオミクス、ゲノミクス、トランスクリプトミクス、メタボロミクスを含む様々なオミクス解析に加えて、ブレスオミクスは、食事介入に対する反応と非反応のメカニズムに関するユニークな追加的洞察を提供するかもしれない。最終的には、腸内微生物発酵の特定のパターンが、特定の代謝（感受性の）表現型に結びつくと信じている。微生物のリズム性をとらえ、食事とマイクロバイオームの宿主代謝相互作用に関する詳細な知見を得るためには、長期間にわたってin vivoで腸内微生物発酵を測定する必要がある。この知識は、腸内微生物と宿主の代謝の健康状態を改善することを目的とした、新規の個別化戦略を開発するための基盤となるだろう。
結論
タンパク質分解発酵と糖類分解発酵のトレードオフは、腸（微生物）機能と宿主の代謝的健康の制御において重要な役割を果たすと考えられる。注目すべきは、腸へのアクセスが困難であることと、生体内で長期間にわたって腸内微生物の発酵を測定する可能性がないため、この関係に対する理解が現在のところ限られていることである。腸内ガス排泄測定は、食事、腸内細菌叢、宿主代謝の間のダイナミックな相互作用を理解するまたとない機会を提供する。微生物発酵のパターンと宿主代謝の健康状態との相関を研究することは、異なる微生物発酵能力を反映する明確な表現型の同定に役立つ。この同定は、階層化された精密栄養戦略の基礎を提供するかもしれない。したがって、腸内微生物の発酵を長期間にわたってリアルタイムで測定するように設計された方法論は、腸内細菌-宿主代謝軸における新たな知見を開発するユニークな機会を提供すると強く信じている。これらの知見は、宿主の腸と代謝の健康増進を目的とした、個別化された栄養戦略、医薬品戦略、生活習慣介入戦略の開発につながるであろう。
謝辞
本研究は、Human Measurement Models 2.0コンソーシアムのプロジェクトコード18956の一部として、オランダ研究評議会（NWO）の支援を受けた。
著者の貢献
本論文の構想、執筆、編集にはすべての著者が等しく貢献した。内容の最終責任はE.E.B.にある。
利害関係
著者らは、競合する利益はないと宣言している。
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