Gut Feelings The Microbiome and Our Health

目次

• 序文
• I ミクロの種の叡智
  • 1 進化生物学が解き明かすバクテリアの適応力
  • 2 祖先のマイクロバイオーム
  • 3 ヒトのマイクロバイオームに影響を与えた初期の要因
  • 4 コードを解読する。ヒトゲノムからヒトマイクロバイオームへ
  • 5 バクテリアを超えて。その他の “オム “たち
  • 6 マイクロバイオーム仮説。マイクロバイオームのエピジェネティックな役割
• II 疾患におけるマイクロバイオームの役割
  • 7 マイクロバイオームと腸管炎症性疾患
  • 8 マイクロバイオームと肥満
  • 9 マイクロバイオームと自己免疫疾患
  • 10 マイクロバイオームと神経学的および行動学的障害
  • 11 マイクロバイオームと環境性腸症
  • 12 マイクロバイオームと癌
• III マイクロバイオームを操作して健康を維持する
  • 13 関連性から因果関係へ　疾患発症におけるマイクロバイオームの構成と機能に関する新しいアプローチ
  • 14 予防医学　マイクロバイオームのモニタリングによる疾患の予知と予防
  • 15 疾患に対する治療法　プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、ポストバイオティクス
  • 16 腸-脳軸疾患におけるマイクロバイオーム研究。サイコバイオティクス
  • 17 人工知能、合成生物学、そしてマイクロバイオーム
  • 18 高齢になっても回復力のあるマイクロバイオームを維持するために
• エピローグ 私たちの未来のために、なぜマイクロバイオームの研究が重要なのか
• 謝辞

はじめに

健康と病気におけるヒトのマイクロバイオームの潜在的な役割をよりよく理解するために、我々が微生物の世界への旅をしてきたところ、現在どこにいるのか、そしてどこへ行こうとしているのかを見てみよう。少し前までは、感染症の原因は微生物だけであると考え、宿主と微生物の相互作用に焦点を当てて研究していた。

感染症の原因が微生物であるとする細菌説は、1546年にジローラモ・フラカストーロによって提唱された。フラカストーロの説は、コレラや「黒死病」などの風土病は有害な「悪い空気」が原因であるとするガレン（およびギリシャの公害学者）の瘴気説に対抗するものであった。黒死病は、14世紀半ばにユーラシア大陸と北アフリカで発生したエルシニア・ペスティス菌によるペストのパンデミックで、7,500万人から2億人の死者を出した。

フランチェスコ・レディ、アゴスティーノ・バッシ、イグナツ・ゼンメルワイス、ジョン・スノーらの先駆的な研究は、ルイ・パスツールとロベルト・コッホの重要な発見につながり、細菌説を確認するだけでなく、細菌学と感染症という新しい科学分野を確立した。それ以来、我々は感染症を効率的に治療するために、微生物を根絶やしにする戦いを続けてきた。微生物は無差別に襲ってくる厄介な敵であり、大量破壊兵器（抗生物質）を開発・配備することで、何としても打ち負かす必要があるという考え方であった（今でも多くの人がそう思っている）。

しかし現在では、微生物の生態系は健康状態を維持するのに不可欠であり、それが乱されると遺伝的に素因のある人に一連の病気を発症させる可能性があるという認識から、病気の発症や予防の分野全体が大きく変わってきている。ヒトゲノムのマッピングに続いて、ヒトのマイクロバイオームの複雑さが明らかになったことで、我々は非常に豊かな微生物の環境に身を置いていることがわかった。

これまでは、人間と同じような生活をしている微生物のうち、5％しか培養できなかった。今、我々は、マイクロバイオームだけでなく、「ヴィローム」「パラサイトーム」「ファンゴーム」などの構成要素を明らかにするために、ほんの5年前、10年前には夢にも思わなかったようなツールを手に入れた。

そして、好戦的な人間がいるように、我々を病気にする好戦的な微生物が存在することに気づいたのである。最近のCOVID-19パンデミックの原因となったSARS-CoV-2ウイルスがその例である。しかし、宿主と平和な共生生活を送る友好的な虫もいる。我々自身とマイクロバイオームとの間のこのクロストークについて学べば学ぶほど、病気の予測や発症の理解に近づくことができる。

ここでは、微生物とその生息地という新しい世界をより深く掘り下げる前に、我々自身の種について見てみよう。読者の皆さんに質問を投げかける。人類の歴史の中で、研究者の最も変わらぬ特徴とは何だろうか？哲学、地理学、科学、航空学、ロックンロールの歴史など、あらゆる分野の研究者を思い浮かべてほしい。哲学、地理学、科学、航空学、ロックの歴史など、人間が具体的な答えを求めている分野を考えてみてほしい。これらの分野に共通するものは何だろうか？その答えは「知的好奇心」である。

人類がアフリカ大陸を越えて地球の裏側にまで進出してきたときから、好奇心は人間を突き動かす力となってきた。クリストファー・コロンブスがアメリカ大陸の海岸を探検しなければならなかったのと同じように、無名のポリネシア人の船乗りたちが新天地を求めて広大な距離を旅したのである。

人間は常に探検家であった。マゼランからコロンブスまで、シルクロードからアマゾンまで、探検は人類の歴史の中で非常に重要な位置を占めている。ジャック・クストーの「カリプソ」は、イギリスの掃海艇を調査船に改造したものであるが、このように大陸の隅々まで探検した後は、海を探検するようになった。海の探検とともに、宇宙への飽くなき探究心が生まれ、今では火星を探査している。

我々は好奇心と、新たなフロンティアや地球外の世界を見つけたいという深い欲求に駆られている。何が我々を探検へと駆り立てるのだろうか？我々は、自分たちが本当に孤独なのか、自分たちが唯一の居住惑星なのかを確かめようとしているのだろうか？我々は、自分たちが巨大な宇宙のほんの一部であることを知っており、自分たちだけでここにいることはできないように思える。では、我々は何を探しているのだろうか？新しい文明の可能性を追求するとき、我々は何を見つけようとしているのだろうか？

その地球外生命体は我々と同じ姿をしていて、同じ道具を使っていて、さらには我々と同じ慣用句を使っているのではないかと思うのである。奇妙な生物やサイバーモンスターが登場する幻想的な宇宙文学や映画を考えてみてほしい。我々は、国境を越えたつかみどころのないフロンティアを探すために、想像力を働かせて多くのありえない生物を夢見てきた。

人間のマイクロバイオームと呼ばれる驚くべき生態系は、最新のフロンティアである。我々は遠く離れた新しい文明を探しているが、これまでに発見された最も魅力的で複雑で洗練された文明は、我々の中にずっと存在していた。我々の体は、微生物が生息する世界であり、これらの微細な種は、別の体や環境に移動することで、我々から別の宇宙へと移動することができる。彼らは我々と同じように成長し、我々と同じように交流し、我々と同じように異なる言語を話する。彼らの遺伝子言語は、多くの意味で我々と似ている。彼らはまた、彼らの世界で何が起こっているかを示す代謝言語も話する。

何百万年もの進化の過程で、彼らは人間という宿主を注意深く研究し、人間とコミュニケーションをとる方法を見つけた。彼らは人間の解剖学と生理学、長所と短所、生物学的な必要性と目標を明確に理解している。要するに、彼らは我々が何者で、どのように機能しているかを理解するために、あらゆる種類のコミュニケーション手段を開発したということである。

逆に、我々は入居者についてほとんど知らない。彼らを理解できるときもあれば、理解できないときもある。我々の課題は、この知識のギャップを埋めることである。この新しい世界を発見した今、我々は同居人のことをもっと知り、より友好的なコミュニケーションを確立する機会を得ました。

我々は、微生物を敵とみなす近視眼的な見方から、我々自身の利益のために敬意を払い、関与する必要のある文明についての情報に基づいた視点へと態度を変えることができる。本書の目的は、我々が新たな科学革命の幕開けを迎えていることを読者に理解してもらうことである。この革命は、科学と医学のパラダイムシフトにつながり、これまでできなかった病気の治療と予防のための新たな方法を切り開くことになるだろう。

筆者注：本書は、新型コロナウイルスが世界的な大流行を引き起こし、国際的な公衆衛生の対応や世界経済に深刻な影響を与える前に執筆を終えた。一部の章にCOVID-19に関する資料を追加したが、公衆衛生と研究の状況は来年には急速に変化することを認識している。我々が最も望んでいるのは、国際的な研究コミュニティが高度に協力的で迅速な対応を行い、産業界の協力を得て、思慮深い世界のリーダーたちに支えられながら、本書が出版される頃までに、そしてそれ以降も、効果的な治療法やワクチンの候補が開発され続けることである。

I ミクロの種の叡智

1 進化生物学が解き明かすバクテリアの適応力

地球上で最初に生きた微生物

約40億年前に地球上に誕生した微生物は、その後、急速に世界各地に広がっていった。グリーンランドの雪解け水から西オーストラリアの火山灰に至るまで、科学者たちは初期の微生物がどこにでもいて、粘り強く生きていることを観察してきた。また、極小の生物が我々の物理的環境に与える影響の大きさも確認されている。例えば、最近グリーンランド西部で発見されたシアノバクテリアの1種が、グリーンランドの氷床の黒化を加速させているようである。この微生物は、ほこりやすすを凝集させて、北半球最大の氷体の融解を加速させているのである1。

過酷な環境を生き抜く微生物として名付けられている「極限環境微生物」の別のグループは、カムチャッカ半島の奥地で研究されている。2 古細菌は、核を持たない単細胞の微生物で、細菌や真核生物（後述）と並ぶ生命の一分野である。古細菌は、火山、間欠泉、温泉など、この壮大な自然の中で見られる酸性や高温の環境でよく見られる。

ギリシャ語で「古代のもの」を意味するアーキアは、酸素の代わりに硫黄を食べて成長し、地球上で最も古い生物の一つであると考えられている。科学者たちは、この原始的な生物がどこまで高温になっても生命を維持できるかを調べるために奔走している。2012年には、コロラド大学ボルダー校の研究者たちが、南米の火山で、高い紫外線の中、マイナス10度から56度の温度範囲で生存する細菌、真菌、古細菌を新たに発見した4。

研究者たちは、地球が形成されて間もない約40億年前の微生物の化石を、現在の科学的な考えに基づいて分類した。Alpine Microbial Observatoryの創設者であるスティーブ・シュミットは、地球上の荒涼とした場所や人を寄せ付けない場所を追跡する新世代の微生物ハンターの一人である。Schmidt氏は、世界中の科学者と協力して、南極大陸のコアアイスを割って、極限環境でのコミュニティ定着の手がかりとなる微生物のポケット「クライオコナイト」を研究している。彼らは、南極のテイラー・バレーにある3つの場所から採取した一本鎖DNAウイルスの特性を調べ、マクマード・ドライ・バレーの地域にある淡水の宿主に「ユニークな地域のウイルス群」が存在することを明らかにした5。

大昔に起こった大気や気候の急激な変化が継続していたことを考えると、この急激な変化に適応するためには、非常に大きな遺伝子の柔軟性が必要であったことが予測される。適応能力に長けた微生物が、地球上に最初に住み着いた生物であっても不思議ではない。また、初期の地球では大気中に酸素がなかったため、微生物の大部分は酸素がなくても生きられる嫌気性であった。

真核生物の進化

原核生物の適応能力の高さを理解するためには、原核生物と真核生物の進化の面から見ていく必要がある。原核生物とは、我々がバクテリアと呼んでいる生命体を含む、核を持たない単細胞の生物である。進化の連鎖の中では、真菌や植物、動物などの多細胞生物である真核生物に先行していると考えられている。進化の歴史は、主に真核生物に焦点を当てて書かれており、最も古くて多様な生物の集合体である微生物は見落とされてきた。これは、進化生物学の全体的な理解を制限するものである。

ほとんどの真核生物の進化の道筋は、環境変化の圧力の下で種が適応的な遺伝子変化をゆっくりと蓄積していく緩やかなプロセスである、アナゲネシスと定義されている。最終的には、数千年から数百万年の間に、原種が絶滅して新種が生まれてくる。

馬の進化は、「夜明けの馬」を意味するEohippusと呼ばれる小さな哺乳類から始まった。数千万年にわたる長い種の変化の連鎖により、Eohippusから現代の馬であるEquusへと進化した。最も目に見える進化は、動物全体の大きさと、下肢の劇的な変化である。

約5,600万年前のEohippusは、主に森林やジャングルの環境に生息し、主に葉を食べていた。しかし、現代の馬の進化系であるEquidaeが好む生息地は、時間の経過とともに森から平地へと変化していった。平野部では、小型の捕食動物を阻止し、大型の捕食動物を追い越すために、ウマ科の動物は大きくならざるを得なかった。現代の馬の祖先は、森から平地へと徐々に適応していく中で、足の指のほとんどを失い、パッドもなくなり、一本の蹄になっていった。

原核生物の進化

一方、原核生物の進化の特徴である「分派進化」とは、一つの親種が進化の過程で二つの異なる種に分かれ、「分派」を形成することである。この現象は、少数の生物が遠く離れた新しい場所に移動した場合や、環境の変化によっていくつかの生物が絶滅し、生き残った生物に新しい生態的ニッチが開かれた場合に起こる。

微生物の系統樹を分析すると、原核生物と微小真核生物、巨大真核生物の間では、マクロ進化（大きな進化の変化）が異なる可能性があることがわかる。系統樹（生物間の進化関係を表す図）を見ると、原核生物や一部の微生物真核生物は、時間的にも系統間でも一定のクラドジェネシスを仮定した予想に合致することが示唆されている。

しかし、原核生物と多くの真核生物の間に見られる大進化のダイナミクスの違いは、少なくとも部分的には、この2つのグループの間で主にバクテリオファージを媒介とした横方向の遺伝子伝達の普及率の違いに起因する。真核生物では、遺伝は完全ではないにしても主に垂直方向に行われる。この特徴は、系統間の遺伝性変異の出現と維持を長い時間にわたって可能にするが、これは迅速な適応には理想的ではない。

一方、原核生物では、横方向の遺伝子移動の頻度が高いため、急激な環境変化の出現に起因する遺伝的変異によるクラドジェネシスの割合が増加する可能性がある。これらのことを考慮すると、大進化の違いは、真核生物では重要なイノベーションが比較的排他的であり、原核生物では自由度が高いことを反映していると考えられる。

運命的な出来事に支えられた人類

海が出現し、大気中に酸素が含まれるようになると、初期の嫌気性微生物の一部とミトコンドリアと呼ばれる単細胞生物との間に共生関係が生まれた。ミトコンドリアは、細胞内の特殊な構造体で、細胞が生存するために必要なエネルギーのほとんどを生産する細胞の「エンジン」である。

この現象は、いわゆる単純な単細胞生物同士の相互作用であり、お互いに有益な関係を築くことで、両者が進化の上で優位に立つことができた最初の例と考えられる。ミトコンドリアは、細胞間の生活を営むことで、初期の宿主である微生物の代謝経路を知ることができ、それがミトコンドリアの発達に役立った。

同時に細菌は、グルコースを酵素で分解する解糖作用によって、エネルギー生産を最大化できるという大きな利点を得た。嫌気状態でグルコース1分子が酸化されると、細胞内でエネルギーを貯蔵・伝達する分子であるアデノシン5′-三リン酸（ATP）が約2モル生成される。

しかし、好気的な条件では、1つのグルコース分子からのATP生産量は32モルにまで急増する。酸素が加わることで、ATPの生産効率は16倍になる。地球上に生命が誕生した初期の段階では、力を合わせて協力することがお互いにとって大きなメリットになっていたことは、バクテリアや他の微生物との共生や、動物や人間のコミュニティの例を見ても明らかである。

戦うのか、共存するのか？

次の進化のステップは、約20億年前に単細胞生物から多細胞生物へと変化したことである。これがどのようにして起こったのかは、最近まで謎であったが、日本の研究者がそのミッシングリンクを発見したようである7。しかし、化石の記録から判断すると、複雑な多細胞種はどこからともなく現れたものである。日本の科学者が太平洋の海底で発見した新種「プロメテオアルカイム菌株MK-D1」は、まさにそのような過渡期の生物であることが判明し、あらゆる動物、植物、菌類、そしてもちろん人間の起源を説明するのに役立つ。

初期の多細胞生物の最も雄弁な例の1つは、わずか数個の細胞で構成された古代の丸虫、線虫である。呼吸器系や神経系を持たないが、この多細胞真核生物は、生物の最大の目的である「種の保存」という大きな利点を体現している。線虫は、複数の細胞からなる生活様式を持ち、わずか8個の細胞で消化器系を構成しているため、エネルギーハーベスティングの効率を次のレベルにまで高めることができる。

しかし、このような基本的で初歩的な多細胞生物であっても、エネルギーの収穫と繁殖の最適化は、もう1つの共生の例に大きく依存している。実際、これらの動物の腸は、バクテリアが定着していなければ最高の機能を発揮することができない。ミミズにしても、恐竜にしても、人間にしても、地球上の多細胞生物は微生物との共進化なしには成り立たない。1つの微生物が北半球最大の氷の生態系に影響を与えるように、1つの微生物が人間の生態系にも多大な影響を与えるのである。

もちろん、我々がさらされているさまざまな生態系についての現在の理解は、まだ初期段階にある。しかし、土壌、海洋、温泉、河川、火山、大気、動植物など、さまざまな場所に生息する微生物をそれぞれの生態系として研究すると、それらは決して区分けされた完全に分離された環境ではないことは明らかであり、直感的に理解できる。むしろ、土から人へ、人から水から空気へと、絶え間なく微生物の交換が行われているのである。ヒトのマイクロバイオームを理解し、それが健康や病気に及ぼす影響を理解するためには、地球の生態系全体を連続した生命の輪として考える必要があるのである。

“消えた微生物 “仮説

このような進化的共同適応から外れた場合の健康への影響を理解するには、人間とマイクロバイオームの共生関係の進化の道筋を理解する必要がある。ヒトのマイクロバイオーム、特に腸内マイクロバイオームの組成と機能は、生息環境、ライフスタイル、食生活など、さまざまな要因に影響されることがわかっている。一人ひとりのマイクロバイオームは異なるが、研究者たちは、世界中のヒトのマイクロバイオームを研究することで、一定の傾向を明らかにしてきた。

例えば、先進国の人々の腸内マイクロバイオームは、非西洋諸国の人々の腸内マイクロバイオームと比較して、含まれる種が15〜30％少ないようである。明らかな生活習慣の違いのほかに、この違いを説明しようとするいくつかの説がある。その一つが、2014年にMartin Blaser氏が提唱した「消えた微生物」仮説である。彼は、抗生物質による治療が主な原因で、我々の祖先の微生物叢の特定の細菌種が失われたことにより、幼少期の免疫、代謝、認知の発達が起こる状況が変化し、その結果、慢性炎症性疾患が増加しているという説を唱えた8。

第2章では、Blaserの説をより詳しく再検討し、古代と現代のマイクロバイオームの比較分析を検討する。絶滅マイクロバイオーム説が正しいとすると、定義上、現在生きている集団で「祖先」のマイクロバイオームを持っている人はいないことになる。

この知識のギャップを埋めようと、科学者たちは、人間のミイラ化した遺体やコプロライト（糞便の化石）のマイクロバイオーム組成の分析を完了した。その結果、ヒトのマイクロバイオームの進化は、典型的な類人猿から狩猟採集民への変化や農耕の開始など、ライフスタイルの急激な変化に伴って大きく変化していることがわかった。

非ヒトとヒトの霊長類の腸内細菌叢

Rob Knight、Emily Davenportらによるヒトとヒト以外の霊長類の腸内細菌叢の比較解析によると、ヒトは腸内細菌の多様性が低く、Bacteroides（グラム陰性の嫌気性細菌属）の相対量が増加し、Methanobrevibacter（嫌気性古細菌）とFibrobacter（嫌気性のラムナ菌）属の相対量が減少している。これらの変化は、肉食への移行を反映していると考えられる。ヒト以外の霊長類とヒトのマイクロバイオームを比較することで明らかになったその他の大きな歴史的・進化的変化は、ヒトのマイクロバイオームがいかに急速に変化しているかを示すものでもある。ヒトの腸内細菌叢の組成は、類人猿のそれと比較して、加速度的に祖先の状態から乖離しているようである9。

腸内細菌叢の変化を加速させた原因としては、人類の進化と歴史の特徴として、農業、調理食品、都市化、人口密度の増加などが考えられる。人間の集団間の違いは食生活に起因するようだが、人間以外の霊長類では、宿主の生息地や季節に関連することが重要な原動力となっているようだ。

要約すると、宿主と宿主の腸内細菌叢の間には強い相互関係があり、進化的形質に相互に影響を及ぼす可能性があると思われる。より具体的には、マイクロバイオームの組成や機能の変化が、進化的な適応に必要な場合と、病気の発症につながるような有害で予定外の変化の場合とを見極めることが重要であろう。

先に紹介した証拠から、ヒトとそのマイクロバイオームは、種特異的と思われる共進化的な運命を共有していると考えられる。例えば、げっ歯類のマイクロバイオームをヒトのマイクロバイオームに置き換えた「ヒト化マウス」では、本来のマイクロバイオームを持つマウスと比較して、腸管免疫系が十分に成熟せず、感染症からの保護が不十分であることがわかっている。このような証拠から、ヒトとマイクロバイオームの共進化に関する別の概念、すなわちホロゲノームが導入されることになった。

この進化論の提唱者は、ヒトのゲノムによって宿主に誘導される表現型と、宿主と微生物の複合システム（ホロビオン）の中で微生物によって誘導される表現型の間には、強い相互影響があると主張する。これらの進化論者は、宿主と微生物のシステムを、同じ進化の道を歩んでいる単一の生物の延長線上にあると考えるほど、このリンクは絡み合っていると概念化しているのである。

9ヵ月と20分

摂氏56度の火山や摂氏マイナス67度の北極圏での生活に適応した微生物が、人間との共生を必要とする場合、摂氏37度の環境に速やかに順応することは驚くべきことではない。この絶妙な適応能力は、15分から20分ごとに自己増殖する微生物の迅速なライフサイクルの結果である。この過程では、ランダムな遺伝子変異が起こる。新しいライフスタイルに有益なものは保存されるが、役に立たない、あるいは有害な適応は、この進化の過程で生き残ることはできない。

現在の我々は、地球誕生の初期に起こったような大きな変化を目の当たりにしていないが、現在目撃している気候の変化は、生き延びるために必要な属性として適応が必要であることを改めて証明している。多細胞生物の中には、気候の変化によって絶滅の危機に瀕しているものもある。軽快なバクテリアはこうした気候や環境の変化を利用することができるが、先進国の人間は、最近のCOVID-19パンデミックを含む炎症性疾患のさまざまな流行を経験しており、これらの変化に関連している可能性がある。

もし人間が20分ごとに繁殖することができれば、バクテリアなどの微生物のような可塑性を享受できることは間違いない。しかし、人間の体内時計は、生殖に9ヶ月を必要とする。有益なものであれ有害なものであれ、人間のランダムな遺伝子変異は、環境の急激な変化に適応するにはあまりにも稀である。

単細胞生物であるバクテリアは、Sequoiadendron giganteum (ジャイアント・セコイア)やホモ・サピエンスのような複雑な多細胞生物に比べれば、「ちょっとしたプレーヤー」と言えるかもしれない。新しい技術を使って微生物の領域を掘り下げ、我々の身の回りにいる微生物を研究しているうちに、分子生物学や細胞生物学の概念が広がり、ヒトのマイクロバイオームの役割に不可欠な進化生物学や生態学も含まれるようになってきた。

コレラが教えてくれること

微生物の世界では、細菌の柔軟性の優れた例として、Vibrio choleraeが挙げられる。Vibrio choleraeは、人類が罹患する最も急速に死に至る下痢性疾患であるコレラの原因となる腸管病原体である。コレラは、発展途上国の多くの地域で、罹患率と死亡率の主要な原因となっている。また、地震や戦争などの自然災害や人為的災害が発生すると、コレラは最適な衛生環境ではない難民キャンプで急速に蔓延し、世界的に大きな脅威となる。

ビブリオ（ギリシャ語で「コンマ」を意味する）は、長い極鞭毛を持つ、単一で鋭く湾曲したグラム陰性桿菌である。このコンマのような「尾部」によって、V. choleraeは水のある環境で特徴的な高速運動を行う。この致死性細菌は泳ぐのが得意である。

この致命的な病原体は、通常、経口-糞便経路で感染するが、主に汚染された食品や水を介して広がる。1854年にロンドンでコレラが流行した際、ジョン・スノーは、この病気がブロード・ストリートの水ポンプから汲み上げられた汚染された水を介して広がっていることを観察した10。彼が公的機関を説得してポンプのハンドルを取り除いたところ、新たな感染者は大幅に減少した。フィリッポ・パチーニは、1854年、同じコレラの大流行時に、病院の患者と洗濯婦の剖検サンプルを用いて、腸の粘膜から「ビブリオン」と呼ばれるコンマ型の桿菌を分離した11。

しかし、1884年にインドで発生したコレラの原因菌としてV.コレラを分離したことで最も有名なのは、ドイツのバーデン・バーデン出身の医師・科学者であるロベルト・コッホである12。コッホは、病気の原因となる細菌を特定するための厳格な研究方法を用いて、自然発生説を根底から覆し、細菌説に取って代わった。

過去2世紀の間に、7回のコレラのパンデミックが世界各地で発生した。最初に記録されたコレラの流行は、1817年にガンジス川のデルタ地帯で始まり、その後、アジア、中東、地中海に伝わった。その後に発生した6つのコレラの流行のうち、5つがインドで発生している。7回目の流行は1961年にインドネシアで発生し、アジア、中東を経て、1970年代にはイタリア、日本、南太平洋に達した。

南米でコレラが制圧されてから100年後の1991年、ペルーで発生したコレラが大陸全体に広がり、1万人の死者を出した。このコレラは、10年以上前に消滅した第7回目のパンデミックと類似した株であった。1994年には、コンゴ民主共和国のルワンダ難民キャンプで発生し、数万人の死者を出した。

2010年にハイチを襲った地震では、同じコレラ種によるコレラが流行し、ハイチの人々は約20万人が死亡した。1992年にバングラデシュで新種のコレラが発見され、1996年にはカルカッタで再流行した13。疫学者や研究者は、新種のコレラとそれ以前の古典的なバイオタイプの共存を監視している。

ビブリオ・コレラにゼロサム・ゲームはない

ヒトに感染する可能性のあるV. choleraeは、現在までに30種以上が確認されている。しかし、パンデミックとパンデミックの間に、ヒトに感染していないV.コレラがどこに存在するのかは分かっていない。V. choleraeは、コンマのような尾部鞭毛のおかげで、泳ぎが得意であることを覚えておくこと。病気の感染経路が水であることから、V. choleraeの本来の生息地は水の中であると考えられている。

しかし、なぜV. choleraeは川から人間の腸内という全く異なる環境に突然移動できるのだろうか？この疑問は、1998年にメリーランド大学ワクチン開発センター（CVD）のジム・ケーパーらによって解決された。アレッシオ・ファザーノ（本書の共著者）がケーパーの研究室でコレラワクチンの開発に取り組んでいた頃、ミッシェル・トラキスらは、V.コレラの遺伝物質が2つの異なる染色体に配置されていることを突き止めた14。

この2本目の染色体には、コレラのコロニー形成因子や毒素の精緻化をコードする遺伝子が含まれており、これらの遺伝子は、細菌に感染するウイルスの一種であるバクテリオファージ（「ファージ」とも呼ばれる）を介した横方向の移動によって獲得される。バクテリオファージは、細菌に付着した後、自らのゲノムを宿主のゲノムに挿入し、安定的に統合する。V. cholerae病原性アイランドファージが挿入されると、ヒトの腸内に定着するために細菌が使用する硬い髪の毛のような繊維であるピルスが形成される。コレラの典型的な下痢を引き起こす強力なコレラ毒素を作り出すコレラ毒素ファージは、ウイルスと細菌の共生の絶妙な例である。

ビブリオは、ある環境から別の環境へと常に切り替えており、持続的な可塑的適応性の優れた例となっている。この細菌は、常に突然変異に目を向ける必要はなく、両方のライフスタイルを念頭に置いて、どの遺伝子を発現させ、どの遺伝子を抑制するかを決定している。また、この微生物は、本書の要である宿主と微生物の相互作用が双方向のクロストークであるという別の教訓も教えてくれている。微生物から宿主へ、宿主から微生物へのコミュニケーションの結果は、我々の健康状態だけでなく、さまざまな病的状態への罹患率をも左右するのである。

この新しい科学のパラダイムはどのようにして理解されたのだろうか？一般的には、間違った概念や部分的にしか正しくない概念に挑戦することで、科学的知識を再構築した結果、古いパラダイムが新しいパラダイムによって覆されたのである。

バクテリアの基本中の基本

微生物は約40億年前から存在しているが、我々がその存在を知るようになったのは、パチーニ、コッホ、パスツール、アレキサンダー・フレミングなどの先駆者たちの研究のおかげで、ここ数世紀のことである。このような細菌学への関心は、最近まで感染症が人類の罹患率や死亡率の主な原因であったことを知っているからこそ高まったものである。

細菌を顕微鏡で観察したり、シャーレで培養して抗生物質で殺すための道具を開発することは、人類の敵である細菌との戦いであり、最先端の科学的成果である。ごく最近まで、微生物学や免疫学の分野では、微生物の侵入が人類の死や病気の主な原因であるという考え方が主流であった。しかし、この30年間でこの状況は一変した。一つ目は、2003年4月に完了した「ヒトゲノム計画」である。

人間は本当に遺伝的におかしい

1990年に世界的な規模で始まった「ヒトゲノム計画」は、当初、その壮大な目標が達成できるかどうか、懐疑的な見方がされていた。当初の予想では、ヒトゲノムのマッピングという目標を達成するために、30億ドルの費用と15年の歳月が必要とされていた。このプロジェクトは、米国では国立ヒトゲノム研究所とエネルギー省が主導する「国際ヒトゲノム解読コンソーシアム」が27億ドルを投じて、予定より3年早く完了した15。

同時に、メリーランド州ロックビルにあるThe Institute for Genomic Research（TIGR）のJ.Craig Venterのグループが主導する、非常に大胆なアプローチによる民間の取り組みも並行して行われ、ヒトゲノムの配列決定が完了した。ベンターのグループも同様の結果を得て、2000年に米国国立ヒトゲノム研究所のフランシス・コリンズ所長とビル・クリントン大統領との共同記者会見で発表している。

この成果の大きさは、1953年にフランシス・クリックとともにDNAの二重らせんを最初に記述したノーベル賞受賞者、ジェームズ・ワトソンの言葉によく表れている。「1953年の時点では、自分の科学人生がDNAの二重らせんから30億段階のヒトゲノムに至るまでの道のりを網羅することになるとは夢にも思わなかった。しかし、ヒトゲノムの配列を決める機会が訪れたとき、私はそれができることであり、しなければならないことだと思った。ヒトゲノムプロジェクトの完了は、世界中のすべての人間にとって、まさに記念すべき出来事である」16。

ワトソン博士の発言から生まれた興奮は、「ヒトゲノムの解読によって、人類のあらゆる病気が解決される」という期待に基づいていた。当時は、「1つの遺伝子が1つのタンパク質をコードし、1つの病気を引き起こす」というパラダイムが、生物学的知識の原動力となっていた。しかし、その後、人間の遺伝子は2万5千個しかないことが判明し、それが2万3千個以下にまで減少したことは、科学の世界全体に不可解な問題を残した。

クレア・フレイザーは、TIGRの所長として、比較ゲノム学の分野の先駆けとなり、微生物ゲノム学の分野を確立した。現在、メリーランド大学医学部ゲノム科学研究所の所長を務めるクレア・フレイザーは、ヒトの遺伝子数の初期推定値が7万5,000〜10万個であったことを紹介した。遺伝子の数が多いということに加えて、1つの遺伝子が1つの病気の原因であるという概念も捨て去られた。科学者たちは、病気の発生における遺伝学の役割をより深く説明する必要に迫られたのである。

遺伝的に最も初歩的な存在であるホモ・サピエンスが、地球上の支配的な種になるほど複雑で洗練されていることを、どう説明すればよいのだろうか。この疑問は、基礎研究者とトランスレーショナル研究者の両方を実験台や臨床試験に立ち戻らせ、不可解と思われた結果に意味を見出そうとさせた。その結果、2008年に米国国立衛生研究所の共通基金によって設立された「ヒトマイクロバイオームプロジェクト」という、近年では2番目に大きな科学的成果が生まれた。

微生物のパラレルワールド

ヒトマイクロバイオームプロジェクトは、ヒトゲノムプロジェクトで培われた技術を応用して、ヒトのマイクロバイオータに含まれる微生物を同定・分類する試みである。従来の微生物研究では、顕微鏡で観察したり、好気的な環境で培養したりしていたが、これでは体内に存在する微生物の生態系全体のごく一部しか把握できない。

1990年代にゲノム配列解析の革命が起こる前は、1982年に紹介されたSquare-Pakフラスコでの嫌気性細菌の培養など、さまざまな手法で残りの微生物の一部が特定されていた18。このような手法やその他の手法は、ヒトのマイクロバイオームの微生物の研究が、同一人物であっても時間の経過とともに継続的に変化することを考えると、歴史的な複雑さを理解するのに役立つ。

限られた数の遺伝子しか持たない人間は、安定したヒトゲノムを持っている。我々はそれを両親から受け継いでおり、それによってさまざまな生物学的および病理学的特性の遺伝的素因を得ることができる。一方、ヒトのマイクロバイオータは、ヒトの100倍もの遺伝子を発現しており、非常に可塑的で、個人ごとに、あるいは同じ個人でも時間の経過とともに変化する。我々人間のゲノムは、人間の体内や体の上で常に変化している何兆もの微生物と共進化してきた。

これらの事実を考えると、我々は実際にこれらの2つの相互作用するホロバイオティック・ゲノムの産物であるという仮説は、論理的であると同時に、非常に興味深いものである。一方のヒトゲノムを分析せずに、もう一方の微生物ゲノムを分析しても、なぜ特定の遺伝的背景を持った人間が病気になるのかという答えは得られない。

また、自己免疫疾患やその他の慢性疾患が前例のないほど急増している理由、そして最も重要なことは、これらの疫病を食い止めるために何をすべきかということである。この2つのシステムの相互作用をより深く理解し、マイクロバイオームを上手に操作できるようになれば、本書の第3部で取り上げる精密医療や予防医療の実現に近づくことができる。しかしその前に、人類の進化、健康と病気、特に非感染性の慢性炎症性疾患におけるヒトのマイクロバイオームの役割について考察する。

2 祖先のマイクロバイオーム

進化するマイクロバイオーム

ヒトのマイクロバイオームの複雑さと、その健康や病気に対する潜在的な役割が理解されるようになる前に、過去50年間に非感染性の慢性炎症性疾患の発生率が急激に上昇した理由について、別の理由を提案した科学者がった。衛生仮説」は、疫学者のDavid Strachanが1989年に初めて提唱したもので1、手洗いや上下水道の管理による衛生環境の向上と、生活様式の都市化や世帯数の減少などの社会的変化に伴い、幼児期の感染症の発生率が低下し、それが小児アレルギー疾患の増加につながっているというものである。

その後、科学者たちは衛生仮説を拡大していった。喘息、炎症性腸疾患（IBD）、多発性硬化症、1型糖尿病（T1D）、セリアック病などの慢性炎症性疾患の増加は、少なくとも部分的には、ライフスタイルや環境の変化により、我々が健康のために清潔になりすぎたことが原因ではないかと主張している。衛生状態が最適とはいえず、寄生虫の感染率が高い赤道直下の国では、衛生仮説がさらに支持されている。これらの地域では、慢性炎症疾患の増加は見られなかった2。

しかし、このような発展途上国から先進国に移住し、新しいライフスタイルを始めると、同じように慢性炎症性疾患のリスクが高まる。このことは、「清潔すぎる」欧米のライフスタイルが、我々の免疫システムを正常に働かせ、ダメージを与えるのではなく、我々を守るために世界の低開発地域に残っている環境刺激の一部を奪っているのではないかという仮説を裏付けているように思える。おそらく、共生するマイクロバイオームの構成と機能を決定するこれらの環境要因の一部は、非感染性の慢性炎症に対する自然な免疫防御を高める役割を果たしているのではないだろうか。

最近では、一部の発展途上国では衛生状態が向上しているにもかかわらず、欧米諸国のような慢性疾患の急激な増加が見られないことから、衛生仮説に疑問が投げかけられている。マイクロバイオームの複雑さと、病気の原因となる耐性と免疫反応のバランスを決定する上でのマイクロバイオームの役割が明らかになるにつれ、「マイクロバイオーム仮説」が別の説明として提示されるようになった。

この50年間で我々が種として経験してきた最近の変化を見ると、その変化は単に衛生状態が良くなったというだけではなく、もっと複雑なものである。炎症部位の細胞タイプに変化が生じるような長期にわたる反応である慢性炎症に関連する疾患は、米国では今後30年の間に増加し続けると予想されている。2014年、ランド・コーポレーションは、米国では約60％の人が少なくとも1つの慢性疾患を持ち、42％が1つ以上の慢性疾患を持ち、12％の成人が5つ以上の慢性疾患を持っていると推定している3。これらの非感染性の慢性炎症性疾患の急増が始まってから経験した社会的、経済的、政治的変化をより深く分析すると、これらの流行をより包括的に説明できる他の多くの要因が作用していることがわかる。

ネアンデルタール人の歯石

400万年前から600万年前、アフリカ大陸で進化した初期のヒト科動物は、4本足から2本足へと変化した。古人類学者によると、人類は進化に伴い、より大きく複雑な脳、道具を作り使う能力、そして言語能力を身につけたという。

他の科学分野と同様、古人類学にも論争がないわけではない。どの人類種がいつ頃、どのように重なり合っていたのかについては、何十年にもわたって議論されてきた。しかし、約200万年前に、ホモ属の数種がアフリカからヨーロッパに移動したことはわかっている。現在のヨーロッパで遺骨が発見されているホモ・ネアンデルターレンシスは、我々に最も近い絶滅した人類の親戚であると多くの科学者が考えている。

20万年前に進化を遂げたサピエンスは、より簡単に食料を調達するための特殊な道具の開発を進めた。ネアンデルタール人と現生人類の間には複数の相互作用があることがゲノムデータによって確認されているが、これらの初期のヒト科動物がH.サピエンスに同化したのか、それとも彼らとの競争で絶滅したのかについては論争が続いている。

2017年、科学者たちは、人間を中心とした進化論の議論を、第1章で述べたヒトのマイクロバイオームの共進化の概念であるホロビエントにまで広げた。彼らは、ネアンデルタール人の5つのサンプルの口腔内微生物叢のショットガンシーケンスを行い、その結果をベルギーとスペインの現代の被験者と比較した。歯の分析から、2つのグループの食生活の嗜好が大きく異なることが判明した。それにもかかわらず、現代人の口腔内で優勢な細菌群、すなわち、Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Fusobacteria、Proteobacteria、Spirochetesが、ネアンデルタール人でも優勢であるという結果が出たのである4。

さらに挑発的なのは、病気の兆候としての潜在的な病原体のサンプリング結果である。ネアンデルタール人の口腔内細菌叢には、病原性のあるグラム陰性菌の種類が少なく、現代人よりも、この研究に含まれる歴史上のチンパンジーのサンプルに類似していた。この研究は、初期のヒト科動物の食生活、行動、健康状態についてのデータを提供するだけでなく、ホモ属の微生物種の進化についても興味深い洞察を与える可能性がある。

H. sapiensが増殖し、動物を飼い、農業を発展させるにつれ、人類は紀元前12,500年頃に狩猟生活者から農耕定住者へと移行していった。そして、交易の拡大や居住地の拡大に伴い、人間の密度は徐々に高まっていった。最初に人口100万人を達成した都市はローマであるとする学者もいるが、これは歴史学者などの間でも議論の余地がある。いずれの古代都市であれ、海上貿易の拡大と都市の発展に伴い、多様な微生物群集の交換が頻繁に行われるようになった。しかし、このような社会的・経済的変化には代償がつきものである。

当然のことながら、このような微生物の交換の増加は、バボニック・ペスト、インフルエンザ、天然痘、そして最近ではCOVID-19などの感染症のパンデミックを引き起こした。また、人間は家畜の肉やミルクをより確実に供給できるようになった一方で、人獣共通感染症による病気のリスクを高めた（第5章参照）。ギリシャ語で動物を意味する「zoon」と病気を意味する「nosos」からなるズーノーシスは、病原体が本来の宿主である人間以外の動物から人間に飛び移ることで起こる。これは、微生物が人間に適応して感染するための突然変異によるものである。ウイルス、細菌、真菌、寄生虫など、すべてが人獣共通感染症の原因となる。

COVID-19の起源を追う

2019年末、中国南部の湖北省の省都である武漢で、生きた野生動物を売る市場から発生したと考えられる新型コロナウイルスが出現したことで、「ズーノーシス」という言葉が世界的に大きな意味を持つようになった。壊滅的な規模の世界的パンデミックを引き起こしたCOVID-19の原因ウイルスは、重症急性呼吸器症候群（SARS）コロナウイルス2（CoV-2）である。SARS-CoV-2がどのようにして動物から人間の宿主に移動したのかは、まだ完全には解明されていない。しかし、2002年から2003年にかけて発生したSARS-CoVの最初の流行は、新型コロナウイルスの感染の性質を知る上で、いくつかの初期の手がかりとなる。

2002年11月、中国の広東省でSARSが初めてヒトの病気として認識され、その後、30カ国以上に広がり、約8,000人が感染し、700人以上が死亡した6。2003年、研究者らは、広東省の動物市場にいたヒマラヤハクビシンから、市場で働いていた他の動物や人間とともに、SCoV（SARSコロナウイルス様ウイルス）を分離した7。ハクビシンから分離されたコロナウイルスは、初期のSARSコロナウイルスとゲノムの99.8％を共有しており、ハクビシンがリザーバー宿主であることが判明した。2006年には、2つの研究グループが、数種のカブトコウモリがSARSコロナウイルスと遺伝的に密接な関係を持つウイルスのリザーバーホストであることを突き止めた8。

SARS-CoVの最初の流行から17年が経過し、SARS-CoV-2ウイルスの壊滅的な影響から大きく変化した世界に突入した。この病原体は、ヒトに感染した最初の新型コロナウイルスだけでなく、カブトコウモリやパンゴリンに生息するコロナウイルスとも近縁である。哺乳類で唯一の鱗を持つセンザンコウは，肉と鱗が珍重される小型のアリクイで，鱗は伝統的な漢方薬として利用されている。

センザンコウのサンプルのメタゲノム配列を調べると、センザンコウが中間宿主である可能性が高いことがわかる。しかし、科学者の中には、センザンコウのコロナウイルスとSARS-CoV-2のゲノム上の類似度が約91％であることから、進化的な関係を確認するには不十分であり、他の動物が中間宿主として同定される可能性があると警告する者もいる9。動物から人間への感染経路がどのようなものであっても、COVID-19の発生は、人類の歴史が地球を共有する微生物といかに深く関わっているかを思い起こさせるものである。

致命的な微生物による破壊

西暦540年から750年にかけて、小型哺乳類のノミを媒介としたバボニック・ペストが初めて発生し、人類の4分の1から2分の1が絶滅したと推定されている。ネズミが媒介するペスト菌は、数世紀後にアジアからヨーロッパに戻り、1347年に黒海から12隻の「死の船」がイタリアのメッシーナに入港した。その後の黒死病では、ヨーロッパ全土で大陸人口の約3分の1にあたる2,500万人が死亡したと推定されている10。

同じく動物を介して感染するインフルエンザは、第一次世界大戦中に「スペイン風邪」を引き起こし、全世界で約5,000万人が死亡した。イリノイ州グレートレイクスの米海軍病院にいた看護師のジョシー・ブラウンは、「死体安置所は天井近くまで死体が積み重なっていた。我々には彼らを治療する時間がなかった。11 致命的な病原体の多くとは異なり、インフルエンザウイルスは表面のタンパク質を変化させることで自らを再構築する巧妙な能力を持っており、免疫系が「新しい」侵入者を検出することを難しくしている。

インフルエンザ、天然痘、麻疹の3つの病気は、戦争だけでなく、植民地主義が世界に広がっていく中で、先住民の生活を破壊していった。天然痘は、ヨーロッパの征服者たちがメキシコで多数の死者を出したことに貢献し、麻疹は、17世紀のメキシコで約200万人の先住民を殺した。また、1618年から1619年にかけて、マサチューセッツ湾植民地となる地域では、天然痘によって先住民の90％が死滅した12。この地域の住民は、数十年前にヨーロッパ人と遭遇し、すでに弱体化していた。地球の反対側では、その数十年後、天然痘によってオーストラリアの先住民の半数以上が死亡した13。

より最近の致命的な微生物イベントは、HIV/AIDSの流行であり、1981年6月に稀な肺感染症の最初の5例が確認されている14。2019年後半には新たなパンデミックが出現し、世界の200以上の国と地域で数百万人に影響を与え、数十万人の死者を出す重篤で生命を脅かす可能性のある病気であるCOVID-19を引き起こした15。COVID-19の重症患者は、生命を脅かすウイルス性肺炎を経験し、それが急性肺損傷（ALI）、急性呼吸窮迫症候群（ARDS）、さらには全身性の炎症に進行し、その後の多臓器不全や死に至る可能性がある。

これらは、微生物がある種から別の種へ、あるいは同じ種の個体の間で広がることで、時に壊滅的な結果をもたらすことを示す、明らかに目に見える証言である。しかし、これらの出来事は、個体間で常に行われている微生物群集の交換における氷山の一角に過ぎない。

微生物の “輸送 “の最新モード

微生物群集の交換を促進するもう一つの重要な要素は、交通手段の劇的な変化である。70年前、ヨーロッパからアメリカへの旅は、海路で3週間かかってた。今では、ヨーロッパのどの都市からでも飛行機で数時間でアメリカに行くことができるし、COVID-19感染症で起きたように、病気が数日で大陸から別の大陸に広がることもある。また、COVID-19の感染例のように、ある大陸から別の大陸へと数日のうちに病気が広がることもある。

このように、衛生状態の向上は、宿主のマイクロバイオームに悪影響を及ぼし、特定の遺伝的背景を持つ疾患を発症させる可能性のある数多くの要因の一つにすぎないという概念を明確に示している。感染症の流行が何世紀にもわたって我々のライフスタイルの近代化に大きく影響されてきたように、慢性炎症性疾患の流行も同様の変化に影響されてきた。

SARS-CoV-2が我々に残酷な思いをさせたように、単一の病原体によって引き起こされる感染症の流行は、数週間から数日のうちに地域社会に甚大な被害をもたらす。しかし、慢性炎症性疾患の増加という現象は、微生物群集のより複雑な変化に後押しされて、何十年にもわたって起こっている。したがって、マイクロバイオーム仮説を、非感染性の慢性炎症性疾患の流行の原因となっている原動力と考える方が論理的であると思われる。

簡単に言えば、現代のライフスタイルが、ホロバイオティクスの共進化の条件を変えることで、マイクロバイオームのバランスを崩しているということである。科学者の中には、ダイナミックな微生物群集と複雑な人間の免疫系との間のコミュニケーション（健康や病気の状態を決定する上で重要な役割を果たす相互作用）が途絶えてしまったと考える人もいる。ヒトのマイクロバイオームは、もはや進化生物学の計画通りに単純に進化しているのではなく、過去数十年の間に起こった人間の環境の大規模かつ急激な変化に反応し、適応しているのである。このような組成的・機能的なマイクロバイオームの変化は、遺伝的素因から臨床結果への移行を高めるエピジェネティックな変化を引き起こし、欧米諸国で非感染性の慢性炎症性疾患が加速していることを説明している。

マイクロバイオームの組成と機能に影響を与える要因を解明することは、特定の疾患に対する潜在的な遺伝的素因が、どのようにして特定の人の実際の臨床結果になるのかを理解する鍵となるかもしれない。もしそうだとすれば、マイクロバイオームの組成や機能に影響を与える要因を研究することは、個別化医療や理想的には一次予防のためのターゲットを絞った介入を行うための鍵となるかもしれない。

祖先のマイクロバイオームの追跡

この分野で新たな科学的パラダイムに向かっている現在、ヒトのマイクロバイオームに関する我々の知識は、非常に少ない事実と多くの不確定要素で構成されている。第1章で紹介したクレア・フレイザーは、メタゲノミクス分野の先駆者であり、ヒトマイクロバイオームプロジェクトのリーダーでもある。彼女は、マイクロバイオーム研究の黎明期、限られたツールでマイクロバイオームを表現しようとしていた頃を、「6人の盲人と象」の例えになぞらえている16。各人が自分の手で感じたことだけを頼りに獣の性質を判断した結果、6つの異なる表現が生まれた。

研究者の間では、人間の行動が物理的環境を変化させ、その結果、大気や水の汚染、放射線被曝、その他の気候変動要因が生じているのと同様に、特に工業化以降のライフスタイルの変化が人間のマイクロバイオームの構成に大きな影響を与えているという点で一致している。抗生物質の使いすぎ、加工食品の摂取量の増加、生活習慣や環境要因の変化など、すべてがマイクロバイオームに直接的な影響を与えている。

第1章で述べたように、これらの最近の変化によって、人類と共進化した特定の古代微生物が絶滅し、我々は特定の病気を発症するリスクが高くなったと指摘する推進派もいる。この仮説に挑戦するための理想的なヒトモデルがないため、人間以外の霊長類との比較生物学に焦点を当てた研究や、地球上の遠隔地で狩猟採集生活を続けている人々を対象とした研究を評価することが、最良の代用となる。

マイクロバイオーム、特に腸内マイクロバイオームに関する現在の研究の大部分は、先進国の人々を対象に行われている。この不均衡を是正するため、ホロビオン進化生物学に関心をもつ研究者たちは、アフリカ、南米、アジアに住む狩猟採集民のマイクロバイオーム構成を研究することに力を注いできた。これらの研究結果を総合すると、これらのグループの腸内マイクロバイオームは、西洋人の腸内マイクロバイオームとは異なる微生物で構成されており、一般的に、彼らのマイクロバイオームはより多様化しているようである。

アマゾンからの微生物のサプライズ

現代の微生物ハンター、マリア・ドミンゲス・ベロは、世界中の動物や人間の微生物機能を研究している。生態学、建築学、環境工学などさまざまな分野のデータを統合し、ニューヨークのATMの電子マネーパッドや、南米やアフリカ南部の狩猟採集民から採取した微生物の特徴を分析している。現在は、ジェフ・ゴードンやロブ・ナイトなど、第一線で活躍するマイクロバイオーム研究者たちと幅広く共同研究を行い、西洋化が人間のマイクロバイオームに与えた影響を明らかにしようとしている。また、世界の遠く離れた地域から微生物の特徴を収集しようと競争している小さなグループの一員として、彼女は、先住民族の人々が人間の健康について多くのことを教えてくれると信じている17。

ベネズエラのアマゾンのジャングルに住む半遊牧の狩猟採集民であるヤノマミ族との共同研究で、ドミンゲス-ベロと共同研究者は2015年に、この集団が「かつてないレベルの細菌の多様性」を示すデータを提供した18。米国の被験者とは対照的に、ヤノマミ族はPrevotellaの割合が高く、Bacteroidesの割合が低かった19。

これは、ヤノマミ族が野生のバナナ、季節の果物、オオバコ、ヤシの実、キャッサバ、鳥類、小型哺乳類、カニ、カエル、小魚、ペッカリー、サル、バクの肉など、繊維質の多い食事をしていることを考えれば、驚くべきことではない。Prevotellaは、食物繊維を短鎖脂肪酸（SCFA）に発酵させる働きがあり、そのことが多くの消化器系機能に有益な影響を与えることが文献で十分に報告されている。

しかし、ハイオリノコ地域で実施された本研究で得られた最も説得力のある成果の1つは、ヤノマミ族のレジストーム（抗生物質耐性（AR）遺伝子の集合体）の特徴を明らかにしたことである。Dominguez-Bello氏によると、ヤノマミ族は1万1,000年以上もの間、比較的孤立していたため、西洋のサンプルとゲノムが異なることは驚くべきことではない。しかし、薬理学的な抗生物質への暴露が知られていないにもかかわらず、AR遺伝子がアメリンドグループのマイクロバイオームに存在していることは興味深いことである。Dominguez-Belloらは、AR遺伝子は、土壌に生息するヒトの常在菌の祖先で進化したか、抗生物質を産生する土壌微生物を介して到来したか、あるいは、交易品や一連の人間の接触によってもたらされた可能性があるとしている20。

これらの仮説が妥当であるとしても、代替案として考えられるのは、バクテリオファージが宿主となる細菌の一つにゲノムを組み込むことで、レジストームの構成要素の一部が横方向の遺伝子導入によって獲得されたということである。これらのウイルスは、宿主のニッチをより効率的に作り出すためにAR遺伝子を導入し、抗生物質に感受性のある細菌の競争相手をうまく排除することで、バクテリオファージの生存と増殖を保証するのである。これは、横方向の遺伝子導入による共生の優位性を示す素晴らしい例である。

ドミンゲス-ベロのグループは、抗生物質を使用していない微生物群で発見されたこれらのAR遺伝子が、新しいクラスの抗生物質に対する抗生物質耐性が急速に生じる理由を説明するのに役立つかもしれないことを明らかにした。同グループは、「抗生物質に敏感な大腸菌がコードする機能的なAR遺伝子の発見は、コミュニティの潜在的なレジストームを著しく過小評価している」と主張している21。

ヤノマミ族の人々は、違法な金鉱採掘者に脅かされ、マラリアやはしかなどの疫病にもさらされており、豊富なマイクロバイオームやレジストームの有無にかかわらず、自分たちの生活様式を維持できるかどうかは不明である。ヤノマミ族のような先住民と文化的に配慮しながら、唾液、血液、組織、便などのサンプルを採取することは、時間との戦いでもある。Dominguez-Belloとその共同研究者が述べているように、多様な民族の常在するレジストームの特徴を把握することは、「既存の耐性の強化を最小限に抑えるための抗生物質の設計と慎重な展開に役立つ」22。

この種の研究の限界として考えられるのは、研究者がヤノマミ族に滞在している間に、原住民のマイクロバイオームサンプルに与える影響である。西洋の世界から来た人や異なるライフスタイルを持つ人との短期間の共存でも、マイクロバイオームの交換が行われ、その結果、ヤノマミ族のマイクロバイオームの元々の組成が変化する可能性がある。

マイクロバイオームが一致しない場合

Dominguez-Bello氏は、タンザニアやペルーの狩猟採集民のマイクロバイオームにビフィズス菌が不足していることを示す研究にも協力している。欧米人の腸内細菌叢に関する臨床研究やトランスレーショナルリサーチでは、この門派の腸内細菌は健康な腸内細菌の構成を示すものと判断されている。

一方、狩猟採集民グループには、梅毒の原因となるスピロヘータ菌であるTreponema pallidumが含まれている。これらのマイクロバイオームのうち、一方が他方よりも「健康的」であるかどうかは、どのような意味で判断できるのだろうか。それは単に、その土地の食料供給に適応し、その土地の病原体や環境の脅威に対抗しているだけなのか、それとももっと複雑なものなのか。

これらの違いは、健康なヒトのマイクロバイオームを定義しようとするときに直面するもう一つの課題を示している。誰もが健康になれるマイクロバイオームの組成を最終的に特定することは、まず不可能だろう。むしろ、我々を健康な状態に保つことができるマイクロバイオームの構成は、宿主の遺伝子構成と、宿主が生活する環境に強く依存するだろう。また、まだ解明されていない他の要因や、その個人に特有の微生物の適応にも左右されるに違いない。

狩猟採集民の腸内細菌組成は、食料、水、気候、季節の変化、社会的・動物的集団、その他の環境変数を反映したものである可能性が高い。いわゆる有益な細菌と有害な細菌の完全な細菌領域では、Treponemaのような細菌の種レベルでも、病気の原因となる種と、有用な共生パートナーとなる種が存在する。その一例として、セシル・ルイスらがペルーの狩猟採集民を対象とした研究で示したように、炭水化物などの食材の消化を助ける有用なトレポネーマ種がある23。

興味深いことに、同様のトレポネーマ株は、タンザニアのハダザ族の狩猟採集民や人間以外の霊長類からも発見されたが、一方で、工業化された集団の腸内生態系からは全く発見されていない。これらの結果から、これらの研究を行った研究者は、この菌株が「工業的農業やその他のライフスタイルの変化によって失われた、人間の祖先の腸内細菌叢の一部を表しているのではないか」と指摘している24。

失われた微生物

彼らの結論は、第1章で紹介した刺激的な「失われた微生物」仮説と一致する。ブレイザーは、現代のライフスタイル、特に食生活や衛生環境、抗生物質の過剰使用などの変化によって、「古代のマイクロバイオーム」の一部が減少し、絶滅したのではないかと考えている。そのため、過去50年間に先進国全体で見られる自己免疫疾患、食物アレルギー、肥満、神経炎症性疾患などの慢性炎症性疾患の増加には、こうした変化が関係しているのではないかと推測している25。

Blaserの理論が興味深く、もっともらしいものであったとしても、それは、今日の世界に存在する遠隔地の地理的集団が、他の地域では絶滅してしまったこれらの古代細菌の保管場所であることを前提としている。別の説明では、マイクロバイオームの違いは、現在の微生物が繁栄するための理想的なニッチを見つけることができる伝統的なライフスタイルの実践を反映しているだけだと考えられる。言い換えれば、トレポネーマはこの集団に保存されている古代細菌の1つというよりも、現在の狩猟採集民のライフスタイルに合わせて腸内で繁栄している、より現代的な種を表しているだけなのかもしれない。

また、腸内細菌の組成は、宿主のゲノム、腸内の他の微生物（ウイルス、真菌、寄生虫など）の存在、あるいはその他の未同定の変数など、他の要因によって影響を受ける可能性もある。研究者らは、特定の寄生虫、特にEntamoebaの存在が、狩猟採集民に見られる特徴、すなわちトレポネーマ種の多様性と代表性の増加をもたらす腸内細菌叢の構成に大きく影響することを明らかにした。寄生虫がどのように微生物叢の構成に影響を与えるかについては、まだ解明されていない。寄生虫が特定の細菌種を食べ、特定の代謝物を消費することで、細菌の餌の供給が制限されたり、マイクロバイオームの一部の構成要素が直接除去されたり、あるいはその両方が起こったりする可能性があり、互いに矛盾しない。

古代の微生物の絶滅と生活習慣の適応の問題に決着をつけることはできないかもしれない。しかし、持続可能なライフスタイル、つまり身近な自然環境の産物だけで生活する農村部の人々の腸内細菌叢は、先進国の人々の腸内細菌叢とは大きく異なることが明らかになっている。このような違いが、現在流行している慢性炎症性疾患の原因なのか、それともこれらの疾患の結果なのか、あるいは単なる副産物なのかを見極めることは、健康と疾患におけるヒトのマイクロバイオームの役割に関心を持つ科学者が直面している最も示唆に富む課題の一つである。

狩猟民族、採集民族、そして地中海式食生活

人間の解剖学や生理学を学ぶと、人間が雑食性の種であることがすぐにわかる。人類の進化生物学を単純に考えると、狩猟採集生活をしていた祖先は、通常、時間の90％を食料調達に、10％を繁殖に費やしていたと考えられる。なぜ、食料の調達に多くの時間が必要だったのか。答えは簡単で、食料の供給が予測不可能だったからである。このような環境下では、果物や野菜、塊茎や木の実は、採集者にとって常に豊富に手に入る「簡単な食べ物」であったと考えられる。

逆に、水牛やカモシカ、あるいは魚などの動物を捕まえるために技術と忍耐を必要とする狩猟者の役割は、予測不可能なレベルであり、失敗する率も高いだろう。つまり、進化の過程で、我々の種は大型動物の狩猟よりも、食物連鎖の中での採集に大きく依存してきたと考えられる。

その結果、果物、野菜、豆類、木の実、油などを多く摂取し、動物性食品をあまり摂取しないようにすれば、進化の過程を反映した理想的なバランスのとれた食事となり、健康を維持することができる。これは、少なくとも理論的には、大部分の状況で当てはまるだろう。この考え方は、Ancel Keysが心血管リスクを低減するための健康的な食事法として提唱した「地中海食」と同様に、現在推奨されている食事法の多くに反映されている。

キーズは人間の生理学と栄養学に興味を持ち、第二次世界大戦中に米軍の移動食としてポケットサイズの日用食料「Kレーション」を開発した。南イタリアの小さな町で出会ったイタリア人が、ニューヨークの親戚よりも健康であることに気づいたキーズは、食生活やライフスタイルと心血管の健康の関連性に注目した。キーズは、1958年に数十年にわたる「7カ国研究」を開始し、イタリア、ギリシャ諸島、ユーゴスラビア、米国、オランダ、フィンランド、日本の健康な中年男性1万2,000人の健康と栄養状態を評価した26。

キーズは、飽和脂肪酸の摂取量が多いと、心血管疾患の増加につながると結論づけている。当時、そしてその後の数十年間、キーズの研究結果には賛否両論があったが、健康的な栄養摂取としての地中海食（図2.1参照）の概念は、現在では広く受け入れられており、キーズの主要な遺産の一つとなっている。

図2.1

地中海食とライフスタイルに基づく食物ピラミッド。https://oldwayspt.org から引用している。

南イタリア出身の共著者Alessio Fasano氏は、栄養と生活のほとんどの面で地中海食が優れていることを自ら証言している。しかし、食生活と腸内細菌叢の関係をさらに深く掘り下げていくと、この栄養学的なライフスタイルには、特定の環境特性に厳密に関連した例外があることがわかる。例えば、タンザニア北部のエヤシ湖畔に住むハドザ族の狩猟採集民は、その例外的な例と言えるだろう。

季節ごとのマイクロバイオーム

ハッザ族の住む地域は、雨季と乾季の差が激しいのが特徴で、これは東アフリカ特有の気象パターンに関係している。11月から4月までが雨季で、5月から10月までは極端に乾燥した気候が続く。ハッザ族の総人口は1,000人と推定されているが、約150人は狩猟採集を中心とした生活をしており、主に野生のゲームや植物を食べて、数千年前から続く自給自足の生活をしている。

乾季になると、希少な水源があるところに動物が集まってくることが予測できるため、乾季には大型の狩猟動物の確保が容易になる。また、乾季には葉が少ないため、動物の姿が見えやすくなり、ハドザの狩猟技術の影響を受けやすくなる。獲物を保存する手段がないため、Hadzaは短期間で肉を消費しなければならない。草木が少ないこともあり、半年間で肉を消費することで、狩猟採集民は動物からのタンパク質と脂肪の摂取量が増え、他の摂取源からのカロリーが減ることになる。

しかし、雨季になると、タンザニアは豊かな緑の大地となり、花や果物、天然の糖分を多く含むベリー類、野生のハチミツなどが豊富に採れるようになる。また、雨が降ると、大型の動物は分散して葉に隠れてしまい、捕らえにくくなるため、ハドザ族は採集技術に頼った食生活を送るようになる。また、繊維質のバオバブの実や塊茎を1年中食べている。欧米諸国では、親が子供に野菜や果物などの食物繊維を多く摂るようにおだてているが、ハダザ族は毎日大量の食物繊維を摂取している。

ハダザ族のグループとその研究者たちは、季節性が土壌、動物、人間という相互に結びついた微生物環境に与える影響について、我々に洞察を与えてくれた。このことは、人類が人工的な条件を作り出してその組成を変更する前の、正常で健康なマイクロバイオームとはどのようなものだったのかという重要な疑問につながる。我々の課題は、現代のマイクロバイオームでは見られなくなった、あるいは不足している可能性のある種の機能的貢献を知ることである。

サーカディアン・マイクロバイオーム

話はさらに複雑になり、同時に興味をそそられるのは、マイクロバイオームに概日変化があるという最近の観察結果である。胃の分泌物、血流、幹細胞の再生、消化、免疫など、いくつかの消化器系の機能は、24時間ごとに振動する分子の概日リズムに影響されることが知られている。

同様に、光だけでなく、嗅覚、日常的な摂食習慣、魅力的な食べ物を見たり考えたりすること、食べ物を摂取することへの期待など、他の刺激によって調節される腸の概日時計も、腸内細菌叢の構成と機能に影響を与えることが最近明らかになっている。したがって、時差ぼけや10代の若者の睡眠不足など、消化管機能の概日リズムを乱すものは、マウスとヒトの両方で実証されているように、微生物の異常を誘発する可能性がある。

Christoph Thaiss氏らは、概日リズムを持つPer1-/-、Per2-/-のダブルノックアウトマウスを用いて、これらのマウスでは腸内細菌叢の存在量、組成、機能が劇的に変化することを明らかにした。27 腸内細菌叢が腸管免疫に大きな影響を与えていることを考えると、細菌叢の概日リズムが粘膜免疫の概日リズムと密接に関連していることは驚くべきことではない。

概日時計は、リポポリサッカライド（LPS）などの細菌内毒素への曝露に反応して小腸で放出されるディフェンシンの日周リズムを制御しており、摂食時に摂取した細菌に対する粘膜防御機構の存在が示唆されている。さらに、腸管病原体に対する粘膜自然免疫反応の主要な要素であるToll様受容体とインターロイキン6（IL-6）の発現は、概日的な制御を受けている。

マクロファージや、自己免疫に対する適応免疫反応で機能するTh17細胞への未熟なT細胞の成熟など、粘膜免疫反応の他の重要な要素は、概日性の消化管時計の日中に最も頻繁に生成される。このことは、概日リズムの乱れが腸の免疫やマイクロバイオームの機能に悪影響を及ぼし、それが慢性炎症性疾患につながっている可能性を改めて指摘している。

工業化された世界で発展するマイクロバイオーム

このような前提を踏まえた上で、マイクロバイオームとの平和な共存関係を取り戻すためには、どのような戦略が有効なのだろうか。我々にとって最も有益な微生物の仲間は誰なのか？有機食品だけを食べたり、特定の食事をしたり、プレバイオティクスやプロバイオティクスのサプリメントを摂取したりすればよいのだろうか？

もし、ハダザ族の研究結果が、「正常」と定義される適切なマイクロバイオーム構成を取り戻すという目標に関連しているのであれば、画一的なアプローチではなく、季節や日々の生活の概日リズムに焦点を当てるべきなのかもしれない。つまり、北極圏のイヌイット、オーストラリアのアボリジニ、タンザニアのハドザ族の狩猟採集民のマイクロバイオームは似ているのだろうか？また、これらのグループのマイクロバイオームは、生粋のニューヨーカー、パリの観光客、シンガポールの株式仲買人の腸内生態系と比べてどうだろうか？

これらの例は、我々が住んでいる環境の複雑な相互作用の結果として、時間の経過とともに我々がどのようになっていくかを示す明確な例である。言い換えれば、我々は食べたものだけでなく、”住んでいる場所 “でもあるのである。いわゆる正常なマイクロバイオームを特定する努力は、純粋に理論的な概念であり、健康を維持するために微生物の生態系との適切な均衡を保つための最適な相互作用を追求する際には、ほとんど影響がないかもしれない。

とはいえ、東アフリカを人類進化の発祥地と考えれば、ハダザ族を人類進化初期の例として捉えることもできる。ただし、何十万年も前の人類の生活を示す生きた化石とは考えられないことを明確に理解しておく必要がある。この制限を念頭に置くと、ハザ族は、狩猟採集生活、自然な出産方法、長い授乳時間、西洋の薬や文化への限られたアクセス、水、土、動物、野菜に含まれる自然の微生物の生命の輪との親密な交流など、古代の微生物の生態系がどのようなものであったかを理解するのに最適な代用品と言えるかもしれない。

代謝機能。微生物の全体像

ハザ族の研究者たちは、2つの異なる季節に食生活を大きく変化させると、狩猟採集集団のメンバーの腸内細菌叢の構成にも顕著な変化が生じることを知った。しかし、その変化は必ずしも機能の変化を意味するものではない。微生物群集が大きく変化したにもかかわらず、この微生物生態系が発揮する代謝機能は、時を経ても変わらない可能性があるのである。

我々と腸内細菌叢との理想的な共生生活が、腸内生態系が影響を及ぼす代謝経路の安定性を意味するならば、代謝の安定性を維持するためには、腸内細菌叢の組成の劇的な変化がプログラムされなければならない。実際、異なるマイクロバイオータが代謝経路に同様の影響を与えることで、機能の安定性が保たれる。言い換えれば、自然は常にバックアッププランを持っているということである。

この考え方が正しいとすれば、欧米で流行している慢性炎症性疾患を改善・逆転させるためにマイクロバイオームを標的とする目的は、特定のプロバイオティクスやプレバイオティクスを加えてその組成を変えることではないはずである。むしろ、2型糖尿病（T2D）患者のインスリン分泌に見られる複数の異常のように、欧米のライフスタイルによって悪影響を受けている代謝機能を変えることに目を向けるべきである。

マイクロバイオータの組成を操作して代謝機能を調整する方法を学ぶことは、マイクロバイオーム研究の分野全体の可能性を活かすための重要なステップである。現在、数十億ドル規模のプロバイオティクス産業で行われているように、この目標を達成するために早々に手を出してしまうと、慢性炎症性疾患の治療戦略としてマイクロバイオームを標的とする可能性の大きな可能性が損なわれてしまうかもしれない。そうなると、ペニシリンがあらゆる感染症の治療薬として乱用されたのと同じ過ちを犯しかねない。

現在では、ペニシリンはグラム陽性菌にしか作用しないことがわかっており、その無差別な使用が抗生物質耐性菌の出現につながっているのである。致命的な感染症と戦い、何百万人もの命を救ったペニシリンの英雄的な役割に異論はないだろう。しかし、ペニシリンが広く使われるようになったことで、致命的な感染症に対して非常に有効な治療法であるペニシリンを使用する能力が低下したという代償を払わなければならない。

食事の摂取量の違い

タンザニア、ペルー、アマゾンの研究者と同様に、ハダザ族の腸内細菌組成を調査したところ、バクテロイデス属の数が少ないことがわかった。このような顕著な違いが生じる理由については明確には分かっていないが、最も可能性が高いのは、西洋の食生活とハドザ族の食生活との対比に関連しているのではないかと考えられる。

全体的な栄養摂取の質と量は比較的似ているかもしれないが、最も注目すべき違いは、現在の標準的なアメリカや西洋の食生活では食物繊維の摂取量が極端に少ない（1日20g以下）のに対し、ハザ族の人々は何倍もの量の食物繊維を摂取していることである。食物繊維の摂取量が少ないということは、微生物の環境が異なるということなのだろうか？腸内でバクテロイデスが優勢になり、バランスのとれた生態系を維持するのに重要な他の構成要素が犠牲になっているのかもしれない。

もうひとつの驚くべき発見は、ハダザ族の人々が、西洋ではほとんど見られなくなったオキシレートを分解する腸内細菌、Oxalobacter formigenesを保有していることである。オキサロバクター・フォルミゲネスは、近年、オキシル酸カルシウム腎結石の形成を防ぐ働きがあることで注目されている。このグラム陰性嫌気性細菌の量が少ない人は、高シュウ酸尿症や腎臓病を再発するリスクが高いとされている。

研究者たちはまた、ハダザ族のマイクロバイオームにはPrevotella属が非常に豊富に含まれていることを発見した。欧米人のヒトの腸内で確認されているPrevotella属の種はわずか2種であるのに対し、ハダザ族のマイクロバイオームには12種以上の種が含まれている28。Prevotella属は慢性炎症性疾患、特に関節炎との関連が指摘されているため、Prevotella属の多様性が低下した場合と比較して、Prevotella属の種が多様化した場合には、慢性炎症の予防に役立つのではないかという仮説を立てている。地球の反対側に位置する先住民族のマイクロバイオームから得られた予備的な研究結果は、Prevotellaの謎を解く新たな手がかりになるかもしれない。

北極圏からの警告の物語

1999年、数十年にわたる先住民族の活動を経て、カナダ最大かつ最北端の領土であるヌナブト準州が設立された。総面積は200万平方キロメートルを超え、イヌイットを中心に約3万8,000人が暮らしている。数千年前から遊牧民であったイヌイットの人々は、今でも狩猟や釣り、地元の食材を集めて伝統的な食生活を送っている。

一角クジラ、シロイルカ、ホッキョククジラ、ワモンアザラシ、アゴヒゲアザラシ、カリブー、ホッキョクグマなどの陸生哺乳類、海水魚、淡水魚などが伝統的な食生活の大部分を占めている。肉は生、冷凍、発酵させたもの、調理したものを食べ、アザラシの血はイヌイットの伝統的な食生活と文化に重要な役割を果たしている。また、イヌイットの人々は、貝、塊茎、根、ベリー類、草や海藻、そして一部の草本植物も採取する。

モントリオールの研究者たちは、便サンプルを用いて、カナダの北極圏に住む先住民の腸内細菌叢をマッピングした。29 西洋式の食事をしているモントリオールの人々と、主に伝統的なイヌイットの食事をしている人々の腸内細菌叢を比較すると、2つのサンプルには顕著な乖離があると予想された。30 イヌイットの人々とカルナート（非イヌイットの人々）の低繊維、高脂肪の動物性タンパク質の食生活が似ていることを考えれば、特に多くのイヌイットが伝統的な食料源から離れ、西洋式の食生活を取り入れている中で、この結果はそれほど驚くべきことではないかもしれない。しかし、今回もまた、マイクロバイオームをより深く観察すると、さらなる驚きがある。

研究者たちは、オリゴタイピングを用いて、特定の微生物分類群の相対的な存在感が亜属レベルで有意に異なることを発見した。両グループともにプレボテラが豊富であったが、遺伝的多様性はイヌイットグループのほうが低かった。研究者らは、低繊維質の食事がPrevotellaを選択し、その多様性を低下させているという仮説を立てている。欧米型の食事を摂っているイヌイットの人々のごく少数のサンプルでは、プレボテラは大規模なイヌイットの人々のグループよりも全体的にさらに豊富で、この属は「オリゴタイプの豊富さと均等性においてより多様」であった31。

我々は、Prevotella属の菌株が人によって異なることを知っている。モントリオールの研究者たちが、特定の菌株が食生活や健康状態と対照的な関連性を持っているのではないかと指摘していることには同意する。また、食物繊維の摂取量と相関する菌株もあれば、そうでない菌株もあり、食物繊維以外の要因がPrevotella亜種の多様性に影響を与えている可能性があると主張している。最後に、追跡調査により、個人間の違いよりも個人内の違いの方が顕著ではないことが確認された。また、他の研究で指摘されている、多様性の高い腸内細菌叢は時間の経過とともに安定する傾向があることも確認された32。

最高の微生物の村を作る

これまでに紹介したいくつかの例は、マイクロバイオームとその健康における役割について、繰り返し発生する主要なテーマと思われるものをさらに例証している。欧米では、非感染性の慢性炎症性疾患が出現しているが、これは、我々の腸内で最も有益なコロニーを形成するはずの微生物の並外れた多様性が失われた結果であると考えられる。我々の代謝経路の多くが適切に機能するためには、このような常在微生物群集が重要な役割を果たしていたのかもしれない。

このテーマについては再度検討するが、約2万3,000個の遺伝子からなる人類の初歩的なゲノム資産だけでは、人類の並外れた複雑さを完全には説明できないことは明らかである。むしろ我々は、我々のゲノムと、我々の100倍から150倍もの遺伝子を含むメタゲノム（微生物の遺伝子配列）との共進化の産物である。

一部の研究者が主張するように、マイクロバイオームの多様性の3分の1、場合によっては2分の1を失うことは、我々の遺伝的アイデンティティの大きな要素を失うようなものである。この損失に代償が伴うのは当然のことである。その代償とは、我々の遺伝子とマイクロバイオームに残された遺伝子との間のクロストークが間違った方向に進むと、我々の免疫システムが、さまざまな常在菌を介して、最高の能力を発揮できなくなることを意味する。

遺伝子の冗長性が低くなれば、健康と病気のバランスを保つためのゲームに参加できる選択肢が少なくなるのは明らかである。そして、第3章で説明するように、個人のマイクロバイオームの発達において、人生の最初の1,000日ほど重要な時期はない。

3 ヒトのマイクロバイオームに影響を与える初期の要因

微生物の “器官 “の発達

本書の他の箇所で述べたように、健康と病気のバランスは、主に遺伝子と環境の相互作用の結果である。しかし、環境がどのようにして遺伝子の発現にエピジェネティックな影響を与え、遺伝的素因を臨床結果に結びつけるかについては、まだ完全には解明されていない。しかし、腸内細菌叢の役割が、幼少期の健康な成長に不可欠であることは、次第に明らかになってきている。子どもの健康状態、そしておそらく生涯にわたる健康状態に環境が与える影響は、出生前、周産期、そして出生後のさまざまな出来事と密接に関係している（図3.1参照）。

図3.1

出生前、周産期、出生後の要因がマイクロバイオームの構成と機能に影響を与える。V.J.Martin, M.M.Leonard, L.Fiechtner, and A.Fasano, “Transitioning from Descriptive to Mechanistic Understanding of the Microbiome: The Need for a Prospective Longitudinal Approach to Predicting Disease」Journal of Pediatrics 179 (December 1, 2016): 240-248, doi.org/10.1016/j.jpeds.2016.08.049, となっている。

この3つの時間軸のどれを分析しても、これらの環境因子のすべてがマイクロバイオームの組成と機能に影響を与えることができ、マイクロバイオームは遺伝的に感受性の高い人の非感染性慢性炎症性疾患の発症に影響を与えるあらゆる環境因子のトランスデューサーとなりうるという議論が成り立つ。本章では、マイクロバイオームの構成と、おそらくは個人の長期的な健康に影響を及ぼす、出生前、周産期、出生後の環境因子に関する現在の知識を分析する。

母親のマイクロバイオーム

乳児のマイクロバイオームは、母親と子供の間で行われるマイクロバイオータの交換に大きく影響されるため、母親になる人のライフスタイルがこの交換に影響を与えると考えられる。将来の母親が健康であるか、慢性炎症性疾患を患っているか、活動的な生活をしているか、座ったままの生活をしているか、喫煙者であるか非喫煙者であるか、薬物を娯楽的に使用しているか、アルコールを摂取しているか、高レベルのストレスを受けているか、都市部に住んでいるか、田舎に住んでいるか、社会経済的に低いグループに属しているか、高いグループに属しているか、肥満であるか、そうでないか-これらは、乳児に伝達されるマイクロバイオータの構成に影響を与える可能性のある多くの変数の一部である。

これらの変数の多くは、本書のさまざまなセクションで詳しく説明されている。しかし、直感的には、母親のライフスタイルが前述の狩猟採集民の進化の基準から外れれば外れるほど、赤ちゃんに理想的なマイクロバイオームを伝達するという生物学的な計画から、マイクロバイオータの組成と機能が外れる可能性が高くなると考えられる。もう一つの重要な変数は、母体の健康格差が母子のマイクロバイオームに与える影響であるが、ほとんど検討されていない。貧困、栄養不良、教育水準などの社会経済的要因に関連するストレス要因が、ヒトのマイクロバイオームの構成に悪影響を及ぼす可能性があることを示す文献が増えてきている1。

ヒトのゲノムは約23,000個の遺伝子から構成されており、かなり初歩的なものであることを理解した上で、ヒトの生物学の複雑さを説明する最も可能性の高い解釈は、ヒトは2つの共進化したゲノムの産物であるということである。1つ目は、親からの遺伝の影響を受け、時間が経っても変化しないヒトのゲノムである。ゲノムには、病気の発症リスクを決定する複雑な遺伝子が含まれている。2つ目はヒトのマイクロバイオームである。マイクロバイオームは非常にダイナミックで、健康格差や医療へのアクセスの悪さなど、さまざまな要因に影響される。

マイクロバイオームがもたらす健康格差

では、病気になるリスクが高まるのは、単に社会的・経済的に恵まれない環境で生活しているからということになるのだろうか。微生物の構成が悪いと病気になるリスクが高くなるのであれば、妊婦が経験する健康格差は子孫の運命に影響するのだろうか。もしそうであれば、このような社会的・経済的困難を経験していない女性から生まれた赤ちゃんに比べて、その赤ちゃんは不利な立場に置かれることになる。

残念ながら、米国では、小児肥満、乳幼児死亡率、COVID-19パンデミックなどの感染症が、アフリカ系アメリカ人やヒスパニック系住民の間で、一般住民よりも高い割合で発生しているなど、具体的な例が見られる2。これらの負の結果の唯一の原因を腸内細菌組成に求めるのは、多因子の病因に影響される健康上の結果である可能性が高いことを単純化しすぎていると思われる。しかし、小児期の負の臨床転帰のリスクを高める上で、微生物叢の構成がどのような役割を果たしているかについて、現在の知識を深めることは非常に有益である。

では、微生物の特徴が母親の健康格差と連続しており、これらの子供の負の転帰に役割を果たしていると判断された場合はどうなるのだろうか？もしそうだとしたら、このような格差を是正するための政治的・経済的な介入は、貧困にあえぐ家族に対する道義的な義務となる。また、社会経済的地位の低い母親から生まれた子供たちの臨床的な悪影響を防ぐための絶好の機会でもある。

妊婦が社会的な支援体制を持たずに貧困生活を送っている場合、これらの要因は、環境的・外的要因だけでなく、子供に受け継がれる微生物叢の構成にも影響を及ぼす可能性があり、子供の健康に影響を及ぼす可能性がある。逆に、より有益な微生物叢の組成が子供に受け継がれれば、その子供は病気の発症リスクを軽減する上で有利になる。

例えば、遺伝子の進化によって不利になった妊婦が、大腸がんやT1Dに関連する遺伝子を子孫に伝えてしまった場合、その遺伝子の伝達を回避することはあまりできない。一方、環境的・社会的要因によって妊婦が不利な立場にあり、子孫の慢性炎症性疾患のリスクを高めるマイクロバイオームを伝達するリスクが高い場合、少なくとも理論的には、それらの外的要因を修正して、子孫の遺伝的素因をエピジェネティックに臨床結果にシフトさせるリスクを軽減することができる。言い換えれば、人間の固定された遺伝子コードが病気に変換されるかどうかは、マイクロバイオームの可塑的な遺伝子コードにかかっており、これは修正可能なのである。

科学者たちは、母親のライフスタイルが、子孫に受け継がれるマイクロバイオームの構成と機能に影響を与え、時には病的な結果をもたらすという証拠を記録している。メリーランド大学医学部（UMSOM）のトレイシー・ベイル研究員は、2015年にペンシルバニア大学で行ったマウスの研究で、母親にストレスを与えると、生まれたばかりの子犬の腸内細菌叢が変化することを明らかにし、話題になった。ベールは、マウスの母親の妊娠初期のストレスが、母親マウスの膣内細菌叢の変化を通じて、マウスの子孫の脳の発達に影響を与えると主張している3。

UMSOMのRebecca BrotmanとJacques Ravelの研究グループは、喫煙によって膣内の有益な微生物の数が減少し、自然分娩によって赤ちゃんに刷り込まれることを示す結果を発表した4。また、食生活と妊娠の結果に関するRavelの研究の1つでは、予想外の興味深い展開があった。妊婦が24時間体制で医師の質問に答えたりケアを受けたりできる環境を整えることが、結果にプラスの影響を与えたようである。このように、ヒトのマイクロバイオームに関する証拠が増えてきていることから、刻々と変化する複雑な相互作用を解明することは非常に困難な作業であると同時に、ヒトのゲノムとマイクロバイオームの複雑な相互作用が完全に解明されれば、臨床結果を変える大きなチャンスになるということがわかってきた。

出生前のマイクロバイオームの刷り込み

パリのパスツール研究所のHenry Tissierは、1906年に乳児の腸内から初めてビフィズス菌を分離した。また、このフランス人小児科医は、胎児は無菌環境下で成長するという「無菌子宮仮説」を提唱した。このパラダイムは、培養法を用いた過去の研究で、出産前の羊水は完全に無菌状態であると示唆されたことに基づいている6。しかし、シーケンシングによって培養不可能な微生物を特定できるようになったことで、このテーマに関する科学的議論は激しく、決着がついているとは言い難い状況である。この本が出版された時点では、最新の研究（下記参照）は無菌子宮仮説に傾いているが、胎盤マイクロバイオームの概念は依然として大きな議論を呼んでいる、とRavelは言う7。

無菌子宮仮説に対する反論として、最近の培養法によらないポリメラーゼ連鎖反応（PCR）分析によると、羊水腔への微生物の定着は、Lactobacillus属、Prevotella属、Bacteroides属などのさまざまな微生物が関与する、かなり頻繁な出来事であると考えられている。科学者の中には、胎内で羊水を飲み込むことによって、赤ちゃんが有益な微生物を受け取ることができるという仮説を立てている人もいる。また、最近の研究では、胎盤には非常に多様なマイクロバイオームが存在する可能性が示されている8。

2011年にワシントン大学のIndira Mysorekarが約200の胎盤サンプルのうち約3分の1から細菌を検出したのに続き、2014年にはKjersti Aagaardが胎盤組織から細菌のDNAを検出した9。胎児は、胎盤と羊水の両方を通じて、生まれる前からすでに刷り込まれたマイクロバイオームにさらされている可能性を示唆する証拠が増えている。

胎便から微生物を培養する

他の研究では、新生児が最初に出す糞便であるメコニウムに含まれる微生物の特徴をシークエンスで調べている。これらの研究では、多様な細菌の存在が確認されており、これらの細菌のほとんどが有益な細菌であることが、出生前に乳児の腸内細菌叢に刷り込まれ、移植されたことを強く示唆していると解釈している科学者もいる。フロリダ大学の新生児学者Josef Neu氏と同僚の微生物生態学者Eric Triplett氏とその学生たちは、初産の胎児のメコニウムを分析した。Neuによると、これらの微生物は周囲の皮膚とは異なるため、生後まもなくの肛門皮膚からの汚染を反映しているとは考えにくいという。トリプレットとノイは、無菌子宮仮説に異議を唱える、あるいは少なくとも疑問を呈する科学者のグループに加わっている。Neuは、「子宮には微生物が含まれ、胎盤には微生物が含まれ、羊水には微生物が含まれているという物語には、確かに何かがある」と考えている10。

しかし、マイクロバイオーム研究の多くの分野と同様、答えよりも疑問の方がはるかに多いのである。健康な乳児の胎便に微生物が含まれているのは、母親から何らかの形で感染したものでなければ、どう説明すればよいのだろうか。また、母親から胎児への微生物の直接感染を示す昆虫や脊椎動物などの研究は、人間の研究と何か関係があるのだろうか11。

フロリダ大学とジョージア州トビリシの科学者グループとともに、Neuは2010年に未熟児の胎便に微生物のDNAが含まれていることを示す証拠を発表し、その微生物が出生後に発生したものではないことを示唆した12。その後、健康な母親と乳児を対象とした動物実験やヒトの研究により、初回通過の胎便に細菌が存在することを示す証拠がさらに得られた。

別の興味深い研究では、フィンランドのグループが、妊娠中に家庭でペットを飼っていたことが、母親のマイクロバイオームや子供の胎便中の微生物の多様性が高いことと関連していると報告している13。

Neuは、このテーマについて多くの科学者と議論してきた。その中で、最も説得力のある答えは、同僚のTriplettではないかと考えている。ノイによると、トリプレットはこの問題を二元論ではなく、無菌か無菌でないかという議論には答えがないという。Triplettは現在、柑橘類、農業生態系、早産児の腸内など、さまざまな環境における微生物の多様性を促進する要因を研究しており、母体からの微生物の感染の役割に二項対立的なアプローチを持ってくるのは当然のことである。

交絡因子となりうる技術的アーティファクト

メリーランド大学医学部ゲノム科学研究所の副所長であるジャック・ラヴェル氏は、子宮内環境が無菌状態であることを示す長年の証拠を早急に捨て去るべきではないという説得力のある意見を述べている。彼は、羊水や胎盤に含まれる細菌が、乳児に悪影響を及ぼす可能性が高いことを指摘している。14 胎盤や羊水には、自然流産を含む胎児への深刻な臨床的影響がなければ、消化管で検出されるような高濃度の微生物を保持することはできない、というのが一般的な見解である。

Ravel氏が無菌子宮仮説を支持するもう一つの理由として挙げているのは、特に分娩前と分娩後の期間にサンプルを収集することが本質的に困難であること、そしてサンプリングや処理技術に汚染が生じる可能性があることである15。このような視点を持つのはRavel氏だけではなく、胎便、羊水、胎盤中の低濃度の細菌が実験方法に関連した汚染の結果として検出されたのかどうかを判断することが困難であることも支持されている。ペンシルバニア大学の研究者は、6人の健康な分娩者から採取した胎盤サンプルを汚染対照群と比較したが、両群を区別することができなかった。これは、彼らのサンプルセットでは、胎盤細菌とDNA精製時に混入した汚染を区別することができなかったことを示唆している16。

kitome」という言葉は、一部の懐疑的な研究者によって、サンプル採取時の細菌によるDNA汚染という極めて現実的な現象を反映した造語である。また、Ravelは、マイクロバイオーム研究の現段階では、現在の技術では無菌状態の子宮の問題を完全に解決するには限界があると主張している。Maria Elisa Perez-Munozらは、批判的なレビューの中で、「胎内コロニー化仮説」を支持する証拠は弱いとしている。なぜなら、胎盤や羊水サンプルで検出された「低バイオマス」の微生物集団を研究するために、検出限界が不十分な分子アプローチを用いた研究に基づいているからである。汚染に対する適切な管理が行われておらず、細菌の生存率を示す証拠も限られていることから、彼らは懐疑的な見方をしている18。

この問題を解決するためには、交差汚染の可能性を排除するように特別に設計され、統計的な堅牢性を確保するために十分な数のサンプルを含む研究が必要である。英国のMarcus de Goffauらは、最近、そのような研究を報告した19。著者らは、537人の女性から採取した胎盤サンプルを、徹底したDNA配列解析手法とDNA抽出ツールキットを用いて分析し、胎盤サンプルと、生物学的物質を含まないとされる陰性コントロールの両方で、微生物の含有量を調べた。また、胎盤サンプルから分離される可能性のある微生物の量を考慮して、ポジティブコントロールとして既知の量のSalmonella bongoriを胎盤サンプルに混入させた。また，ショットガンメタゲノミクスと16S rRNA遺伝子アンプリコンシークエンスの両方を用いて，技術的なバイアスの可能性を考慮した。

その結果、健康な妊娠期間中、胎盤には微生物が生息していないことが明らかになった。研究者らは、検出された細菌の存在については、汚染の問題が説得力のある説明となっていることを示した。ただし、わずか5％のサンプルから、Streptococcus agalactiaeという1種類の病原菌がまれに検出されたことは例外である。この病原菌が出産時の母親に存在すると、新生児に感染し、肺炎、敗血症、髄膜炎などを引き起こす可能性がある。

胎盤が無菌であることを示す強力な証拠にもかかわらず、de Goffau氏らの否定的な結果を決定的に証明することは難しい。なぜなら、細菌は多くの宿主の障壁を克服することができ、現在の技術では検出が困難なほんの一握りの微生物が胎児の腸に到達し、子宮内でのコロニー形成を開始する可能性があるからである。子宮には微生物がいないというドグマをさらに調査する必要があるとしても、胎盤が微生物の貯蔵庫であり、健康な状態で複雑なマイクロバイオームを胎児にストリーミングしているとは考えられない。

先に述べた子宮内での微生物のコロニー形成を支持する論拠に加えて、Josef Neu氏が指摘するように、他にもいくつかの証拠がある。また、出産後に顕著な免疫反応が見られないことや、Immunoglobulin M（IgM）や形質細胞を産生する能力があることから、微生物を介した胎児のプログラミングや耐性の発達は、子宮内での宿主と微生物の相互作用によって起こる可能性が示唆されている。最後に、女性の上部生殖管が非ステロイド性であることや、脳、21胎盤、22および消化管23に微生物が存在することを示す追加の研究は、同様の出生前のコロニー形成が子宮でも起こる可能性を示唆している。

哺乳類の宿主とその微生物叢との共生が出生前に確立されるかどうかは、依然として興味深い問題である。胎盤を経由する方法以外にも、動物実験に基づく胎児腸内細菌叢の移植説として、母親の樹状細胞（母親の腸管内に「潜望鏡」を送ることができる特殊な免疫細胞）が有益な細菌を採取し、ファゴソームに捕らえ、母親の循環を通して胎盤、そして最終的には胎児に細菌を届けるというものがある。これらの説は相互に矛盾するものではないが、出生前のマイクロバイオーム移植説が正しいと仮定すると、かつては完全な無菌環境と考えられていた母体の子宮は、発達中の胎児が乳児の生存に不可欠な複雑な微生物生態系にさらされる最初の環境である可能性があるという証拠が増えている。

周産期のマイクロバイオーム・インプリンティング

マイクロバイオームの移植が行われるもう一つの重要な時期は、出産時とその直後の周産期である。赤ちゃんのコロニー形成に必要な特定の微生物は、母体の膣内細菌叢や腸内細菌叢に関連した微生物の生態に直感的に影響を受ける。赤ちゃんは産道を通り、母親から微生物の刷り込みを受けるので、膣内細菌叢は特に重要だ。

膣内マイクロバイオームの複雑さは、近年のヒトマイクロバイオームの「革命」の前からすでに知られてた。女性の一生を通じて、膣内マイクロバイオームの構成は、女性の成長の特定の節目に関連して様々な変化を遂げる。膣内マイクロバイオームに含まれる微生物のコロニーは、10年以上前から精力的に研究されており、本章でも述べたように、ジャック・ラヴェル氏はこの分野の第一人者である。今回は、膣内マイクロバイオームに関する最近の研究と乳酸菌の役割についてお話を伺った。

シーケンス技術が登場する前に行われた培養法による研究では、特定の成分の有病率が示唆されており、特に膣内マイクロバイオームの構成要素としての乳酸菌に注目が集まってた。これに関連して、膣内のマイクロバイオームが相対的にラクトバチルスに乏しい女性のサブグループが存在することがわかっている。

詳しくは後述するが、このような膣内マイクロバイオームのタイプの違いが子孫の特定の臨床結果と関連しているかどうかはまだ不明であるが、乳酸菌が少ないマイクロバイオータは、正常ではあるものの、特定の条件下では最適ではないと考えられる25。腸内細菌叢が腸上皮細胞に影響を与えることは十分に証明されているが、膣内細菌叢が膣上皮細胞に与える影響についての研究は始まったばかりである26。

これらの情報を念頭に置くと、妊娠前、妊娠中、妊娠後に膣内マイクロバイオームの組成や特性を変化させる正確な進化的プログラムが存在するかどうかが重要な問題となる。この問題については、いくつかの研究が行われているが、これらの研究のほとんどは、妊娠前、妊娠中、妊娠後の同じ女性を追跡する前向きな縦断的研究ではなく、横断的な観察に基づいている。

そのため、現在記載されている膣内マイクロバイオームの変化の動態は、妊娠中の膣内マイクロバイオーム組成の真の違いではなく、単に被験者間の違いを反映している可能性があるため、慎重に検討する必要がある。しかし、最近、いくつかの前向きな研究が加わったことで、特定の膣内マイクロバイオームの組成や機能を、早産などの特定の臨床転帰と力学的に関連付けることができるかもしれない。

膣内マイクロバイオーム

妊娠中の女性の腸内細菌叢の構成と、その変化がどのように母体と胎児の両方の健康ニーズに関係するかについては、限られた情報しかない。栄養不良の母親が妊娠すると、栄養状態の良い母親に比べて、幼少期に問題を起こすリスクが高くなることは直感的に理解できる。このような悪い結果は、栄養素やビタミンの量的な不足に関連しているが、微生物叢の組成や機能の変化が赤ちゃんの臨床結果にも影響を与える可能性がある。

特定の集団では、妊娠中に母親の腸内細菌叢の組成が変化するという報告がある一方で、他の集団では、妊娠中の細菌叢は安定しているという報告もある。この明らかな二律背反は、母親のマイクロバイオータと食事の両方が、赤ちゃんの臨床的な健康結果につながるエピジェネティックな胎児の刷り込みを行う可能性をすでに持っていることを示唆している。

過去50年間に欧米諸国で流行した非感染性の慢性炎症性疾患を説明するためにマイクロバイオーム仮説を受け入れるならば、ヒトのマイクロバイオーム、特に腸内マイクロバイオームがどのように移植され、その後進化していくのかを理解する必要がある。特に妊娠後期の母親の栄養状態やライフスタイルが、母親自身の腸内細菌叢の構成に大きな影響を与えることがわかっている。この影響は、胎児の栄養状態に影響を与え、早産などの合併症を引き起こす可能性があるため、赤ちゃんの運命にも影響を与える。しかし、腸内マイクロバイオームに加えて、出産時に重要な役割を果たし、その微生物の痕跡が早期に伝達されることで子供の一生に影響を及ぼす可能性のある母親のマイクロバイオームがもう一つある：それは膣内マイクロバイオームである。

研究者たちは、膣内マイクロバイオームは腸内マイクロバイオームよりも複雑ではないと述べている。Ravel氏は、腸内マイクロバイオームが複雑で個人ごとにほぼ固有のものであるのとは対照的に、膣内マイクロバイオームでは何が「最適」または「健康」であると考えられるかについて理解が進んでいると述べている27。科学者たちは、170種以上のラクトバチルス属が、膣と腸の両方の健康なマイクロバイオームにおいて主要な役割を果たしていると考えている。

乳酸菌について

膣内のマイクロバイオームは、ストレス、飲酒、抗生物質の使用、性感染症、避妊の使用、喫煙などの要因によって日々変動する可能性があるが、妊娠中の女性は非妊娠中の女性に比べて組成が安定している。研究者たちは、腟内の微生物の特徴を5つの「コミュニティ・ステート・タイプ」（CST）に分類し、そのほとんどがLactobacillusの優占種であることを明らかにした。

28 乳酸菌は、複合糖質を細胞エネルギーと乳酸に変換するだけでなく、病原体を攻撃する際の宿主の免疫反応を媒介することで保護効果を発揮する。膣内マイクロバイオームの好ましい構成要素と考えられている乳酸菌とは異なり、PrevotellaやGardnerellaを含む細菌性膣炎に関連する細菌は、一般的に炎症性の免疫反応と関連している。

少なくとも白人の膣内マイクロバイオームでは、なぜラクトバチルスが人類の進化においてこのような支配的な役割を果たすようになったのかは謎のままであり、創造的な仮説を立てる余地が残されている。ラヴェルは、何が起こったのかについて、いくつかの説を持っている。ひとつの前提として、人類が農業を発達させたとき、食物が長期間保存され、発酵が起こった。人間が発酵食品を食べるようになると、乳酸菌は膣にたどり着いた。Ravel氏は、膣内の乳酸菌が好む栄養素が手に入る、非常にホスピタリティの高い場所であると表現している29。

Ravel氏や他の研究者によると、膣内マイクロバイオームの有益な関係において、人間の宿主は剥がれ落ちた細胞や腺分泌物から栄養分を供給している。膣口の両側にあるバルトリン腺と呼ばれる2つの小さな腺からは、膣内の水分を保つ粘液が分泌され、細菌の成長に必要な栄養素も供給される。その結果、常在菌のコロニーが膣内の生態系を病原菌の侵入から守る。

乳児の免疫システムを整える

Ravelは、乳酸菌が膣内のマイクロバイオームに移動したのは、もっと昔のことであり、妊娠と関係があるのではないかと考えている30。人類が二足歩行を始めたとき、骨盤は内側に回転し始め、女性の骨盤の開口部は縮小し始めた。しかし、人間の脳も進化しており、乳児の頭は他の霊長類に比べてはるかに大きい。この2つの相反する進化が、1960年にシャーウッド・ウォッシュバーンが提唱した「産科的ジレンマ」という仮説を生み出した。ホリー・ダンズワースは、この仮説に異議を唱える科学者の一人である。

ダンズワースは、産科的ジレンマ仮説に異議を唱えるエレガントな議論とともに、霊長類の子孫では、大人の脳の大きさや行動の複雑さが依存度の高さと関連しており、これらはすべて人間では誇張されていると指摘している31。Ravelは、人間の赤ちゃんは、他の哺乳類が持っている能力、例えば、歩く能力や母親からのミルクを積極的に求める能力などの多くの能力を持たずに生まれてくると指摘している。これは、人間の妊娠期間が、赤ちゃんの頭が大きく、母親の骨盤の開きが小さいために、同程度の大きさの他の霊長類のほとんどよりも短いと考えられているからである32。

同氏は、人間の乳児が経膣分娩の際に母親から受け取る乳酸菌のコーティングが、乳児の成長に伴って保護すべき抗菌物質を産生する免疫系を刺激する作用があるのではないかと指摘している。Ravel氏によると、膣内に乳酸菌が常に存在する妊婦は、妊娠中に乳酸菌が不足している女性に比べて、早産に関連するような良い結果（満期妊娠）をもたらす傾向があるとのことである33。

赤ちゃんが早く生まれたら

Ravel氏をはじめとする研究者たちは、膣内のマイクロバイオームの構成が、世界的な乳児死亡率の主要原因である早産のリスクに影響を与えることを示している。いくつかの研究では、膣内細菌叢の変化が早産と関連しているとされている。スタンフォード大学医学部のDaniel DiGiulio氏とDavid Relman氏は、乳酸菌に乏しい膣内コミュニティの状態タイプを特徴とする膣内微生物シグネチャであるCST 4が、早産の発生率の増加と関連していることを発見した。また，早産のリスクは，CST 4に加えてGardnerellaやUreaplasmaの量が増加している被験者でより顕著になることがわかった34。

Relman研究員のグループは、早産のリスクがある少数の女性から毎週サンプルを採取し、マイクロバイオームの研究の難しさ、特にCST 4の研究の難しさを浮き彫りにした結果を得た。著者らは、サンプリングの頻度が低ければ、「CST 4への移行を何度も見逃すことになり、この状態と早産との関連付けに支障をきたすことになる」と述べている35。

未熟児は、十分なサービスを受けていない人々の間でより頻繁に発生する合併症であり、白人女性に比べてアフリカ系アメリカ人女性の割合が高いことはよく知られている。この前提に基づき、Molly Stoutらは、特定の膣内微生物群集の特徴がその後の早産のリスクと関連するかどうかを確立するために、アフリカ系アメリカ人の妊娠中の女性を対象とした前向きの縦断的中核研究を実施した36。この目標を達成するために、77人のアフリカ系アメリカ人の妊娠中の女性が研究に登録された。この目標を達成するために、77人のアフリカ系アメリカ人妊婦が登録され、妊娠期間中、膣内細菌叢の構成を縦断的に観察した。

その結果、31％が早産となった。著者らは、満期出産の女性と早産の女性の両方で、膣内コミュニティの多様性が低下する傾向にあることを指摘したが、”ただし、満期出産の女性では、膣内コミュニティの豊かさとシャノンの多様性は安定していた “と付け加えた。逆に、早産した母親たちの膣内マイクロバイオームは、”妊娠中に膣内の豊かさ、多様性、均等性が有意に低下しており”、最も大きな変化は第1期から第2期の間に生じてた37。

これらの結果から、著者らは、アフリカ系アメリカ人を中心とした集団において、膣内微生物群集の豊かさと多様性の有意な低下が早産と関連していると結論づけている38。このような膣内微生物群集の多様性は、妊娠初期に現れたものであることから、妊娠初期は、早産または満期出産のいずれかの転帰に影響を及ぼす可能性のある事象にとって、生態学的に重要な時期である可能性が示唆される。

さらに最近の前向き研究では、David Relman氏のグループが、早産のリスクが低い白人主体の妊婦39人と、早産のリスクが高いアフリカ系アメリカ人主体の妊婦96人の膣内マイクロバイオームの週1回のサンプルを分析した。著者らは、以前に報告された、低リスクのコホートでは早産と乳酸菌が少なく、Gardnerellaが多いという関連性を確認することができたが、高リスクのコホートでは確認できなかった39。

高解像度のバイオインフォマティクスを用いて種および亜種レベルの分類を行ったところ、両コホートにおいて、Lactobacillus crispatusは早産を予防し、Lactobacillus inersは予防しないこと、また、Gardnerella vaginalisの亜種クレードが早産との属の関連を説明することがわかった。また、L. crispatusとGardnerellaの共起パターンは非常に排他的であったが、GardnerellaとL. inersは高い頻度で共存していた。これらの結果に基づき、著者らは、膣内のマイクロバイオームは、コミュニティを従来の5つのCSTに分類するよりも、これらの主要な分類群の定量的な頻度によって表されると主張した40。

ペンシルバニア大学のRavelと同僚のMichal Elovitzは、早産のリスクがあるサブグループを特定するために、これまでで最大規模の研究として、2,000人の女性から妊娠期間中に膣内のマイクロバイオームのサンプルを収集した41。また、早産を予防するための介入として、経膣的に投与する「ライブバイオセラピー」（微生物製品の高度に特異的な混合物）の開発も行っている42。

ヒトのマイクロバイオーム研究の多くの側面と同様に、早産のリスクなどの症状に対する効果的な治療的介入方法を開発するためには、前向きで長期的な研究が必要である。将来的には、個人のマイクロバイオームの構成や遺伝的・環境的要因を考慮した治療法が開発されるに違いない。

出産の形態

最近の研究では、経膣分娩で生まれた赤ちゃんと帝王切開で生まれた赤ちゃんとでは、臨床的な運命が異なることが示唆されているのは驚くべきことではない43。帝王切開で生まれた赤ちゃんは、糖尿病、喘息、セリアック病など、さまざまな非感染性の慢性炎症性疾患を発症するリスクが高いという調査結果もある44。

なぜ、帝王切開でこれらの疾患のリスクが高くなるのかは、いまだに不明である。一つの説明としては、経膣分娩によって乳児に刷り込まれた母親のマイクロバイオームからの微生物成分が、エピジェネティックに免疫寛容をより誘導する微生物組成を乳児に与えるのではないかと考えられる。これにより、乳児が慢性炎症性疾患を発症する遺伝的素因にかかわらず、健康状態を維持できる可能性がある。

帝王切開で生まれた赤ちゃんも、ほとんどの場合、母親の皮膚のマイクロバイオームの影響を受けている。このマイクロバイオームは、母親の膣内や腸内のマイクロバイオームのように高度に選択されたものではなく、環境から獲得した偶然の微生物と、遺伝子由来の成分が混在している。研究によると、これらの微生物には、病院の環境や分娩室にいる人から得られるものも含まれている。

皮膚のマイクロバイオームに関する現在の研究では、多様でゆるやかに組織化された微生物の組成が、身体の部位や個人によって異なることがわかっている。腸管免疫学者の研究と並行して、カリフォルニア大学サンディエゴ校の皮膚科医Richard Gallo氏は、自然免疫系に影響を与える皮膚マイクロバイオームの分子メカニズムを研究している。

ギャロ氏やニーナ・ショマー氏らの研究により、皮膚マイクロバイオームに関する新たな知見が得られ、皮膚上に存在するバクテリア、ウイルス、真菌、ダニなどのコロニーの機能的意義に関する研究のきっかけとなった。この新しい重要な研究分野は、SchommerとGalloが表現するように、「相互作用する生物」としての人体の複雑さについての理解を深めるものである45。

帝王切開による出産は、医学的な必要性よりも経済的、文化的な要因によって行われることがあり、世界中で増加傾向にある。帝王切開による出産は、医療上の必要性よりも経済的・文化的な要因によって行われることもあり、世界中で増加傾向にある。

この章で紹介した新生児学者のJosef Neuは、帝王切開と普通分娩の結果は、単に産道を通ってきた微生物の播種がなかったというだけではなく、もっと複雑であることを指摘している。帝王切開で出産した母親は、日常的な予防的介入として抗生物質を投与されるが、これが母親の母乳に影響を与え、赤ちゃんのマイクロバイオームの初期形成に影響を与える可能性があるとNeu氏は言う。また、経膣分娩の場合と比べて、母乳や粉ミルクが十分に与えられない可能性もあるという。また、帝王切開の場合、入院期間が長くなるため、赤ちゃんが病院内の微生物にさらされる期間も長くなる46。

ヒトのマイクロバイオームについての理解が深まるにつれ、もう一つの論争となっているのが、帝王切開で生まれた乳児に、生後まもなく母親の膣内マイクロバイオームの微生物を人為的に「播種」するという行為である。この方法は，米国産科婦人科学会（ACOG）がInstitutional Review Boardの承認を得た研究プロトコルに基づいてのみサポートしているもので，47 母親の膣液を綿棒に採取し，新生児の口，鼻，皮膚に移すというものである。

この方法は、その有効性と安全性について、文献上で激しい議論を巻き起こしている。Neu氏は、単純ヘルペスやクラミジアなどの病原体が存在し、新生児に悪影響を及ぼす可能性があると指摘し、ACOGも同様の懸念を示している。ACOGは、母親の希望でこの処置を行う場合、母親のスクリーニングを行うことを求めている。

オーストラリアのグループは、最新の文献を批判的に検討した結果、帝王切開の新生児が膣内の微生物に触れる機会がないことが、新生児の微生物異常の主な要因になるとは考えにくいと結論づけている48。逆に、中国の新生児の胎便マイクロバイオームを調査したところ、「経膣分娩児のマイクロバイオームと代謝の多様性は、帝王切開群の対応する要素よりも有意に高かった」と結論づけている49。 帝王切開児は自然分娩児に比べてバクテロイデーテスの数が少なく、ファーミキューテスの数が多いことを示す十分な証拠がある50。

出生後のマイクロバイオームの刷り込み

どのような出産方法であっても、赤ちゃんが生まれ、出生前と周産期の両方で微生物にさらされると、腸内マイクロバイオームは、生まれてから1年間、非常にダイナミックで無秩序ともいえる変化を遂げる。初期のコロニー形成者は主に好気性細菌であるが、これらの細菌はすぐに嫌気性細菌に取って代わられ、赤ちゃんの一生の間に腸粘膜にコロニーを形成する最大の細菌サブグループとなってしまう。

Patricio La Rosa氏らは、体重が1,500g未満の未熟児58人の便を調べ、922個の検体の塩基配列を決定した。その結果、腸内細菌叢にはパターン化された変化が見られ、その変化は摂食や抗生物質の使用、出産形態などの外的要因にほとんど影響されないことがわかった。彼らの研究では、妊娠期間が、微生物群集の進行ペースを最も強く左右する要因であることが示されている。La Rosa氏のグループは、乳児の腸内で微生物群集が進行する際に、宿主の生物学がより重要な役割を果たしているのではないかという疑問を投げかけている51。

その後、赤ちゃんの成長に伴い、腸内細菌叢は1歳の誕生日という節目まで変化を続け、微生物の生息状況は安定していく。1歳になると、赤ちゃんの腸内マイクロバイオームは、成人のマイクロバイオータと同じような構成になり、このプロセスは3歳までゆっくりとしたペースで続く。

他の環境や生活習慣の要因が絡まない限り、このマイクロバイオータの組成は、高齢者になるまで、どんな人でも実質的に変化しない。その頃になると、腸内マイクロバイオータは再び不安定でダイナミックなものになっていると思われる。マイクロバイオータの組成と機能に影響を与える出生後の要因は、子供の腸内生態系を形成するのに重要であり、腸内生態系の多様性は、赤ちゃんの全生涯にわたる臨床的運命に広範囲な影響を与える可能性がある。摂食環境、感染症、抗生物質の使用は、腸内細菌叢とその機能、ひいては赤ちゃんの運命に最も大きな影響を与える環境要因の一つである。

直感的には、経膣分娩で生まれ、母乳を与えられ、抗生物質にさらされていない赤ちゃんは、200万年前に生まれた赤ちゃんと非常によく似た生物学的状況にいることになる。この赤ちゃんは、我々が種として進化してきた生物学的なステップを踏んでいることになる。この概念は単なる理論ではなく、ヒトの母乳の成分を含む生物学的な証拠によって裏付けられている。

赤ちゃんの腸内マイクロバイオームを育てる

乳児の最初の6ヵ月間、母乳だけで育てることの利点は数多く知られているが、それに加えて、微生物群集の回復力が高まることも挙げられる。Isabel Carvalho-Ramosらは、ブラジルの都市部に住む11人の乳児の生後1年目の便を分析した。この少数のサンプルの中でも、母乳のみ、または母乳が主体の子どもは、粉ミルクと早期の食物導入を行う混合栄養の子どもと比べて、マイクロバイオームの発達パターンがかなり安定していることがわかったという。母乳育児の赤ちゃんでは、補完的な授乳や抗生物質の使用などの外部からの影響にもかかわらず、腸内マイクロバイオームが途切れることなく生態的に連続して進化しており、この現象は、混合栄養で5カ月目までに固形物を食べた子どもには見られなかった52。

母乳に最も多く含まれる成分の一つが、ヒト型ミルクオリゴ糖（HMO）である。HMOが初めて報告されたとき、HMOは赤ちゃんのエネルギー源として使われないため、その役割について研究者たちは困惑した。しかし、ヒトの腸内細菌叢の複雑さが明らかになるにつれ、これらの糖類の最も重要な役割は、乳児の腸内に生息する特定の細菌種を養うことであることがわかってきた。

最近の研究では、HMOの含有量と組成が乳児の成長を左右することがわかってきた。重度の発育不良児の母親は、HMO、特にシアリル化HMOとムコシル化HMOの濃度が著しく低い。

さらに、HMOは身体的な成長だけでなく、脳の発達や認知にも重要であることを示唆する証拠が増えている。マイクロバイオームの形成に影響を与える母乳の他の重要な要素は、牛乳に最も多く含まれる糖であるラクトースと、抗菌性分子である。近年、研究者たちは、長い間無菌と考えられてきた母乳が、独自の微生物の生態系を持っていることを認めている。

アラン・ウォーカー氏は、40年以上にわたって母乳成分を研究している。マサチューセッツ総合病院（MGH）の粘膜免疫・生物学研究センター（MIBRC）に所属する彼の研究室では、母乳が多様でバランスのとれたマイクロバイオームの増殖を促し、健全な免疫反応の長期的な発展に寄与することを明らかにしている53。

未熟児の壊死性腸炎

乳児用調製粉乳には、赤ちゃんの健康なマイクロバイオームの形成に役立つ、非常に豊富な母乳マイクロバイオームを含む母乳の有益な成分が欠けている。このことは、報告されている、粉ミルクを与えられた乳児と母乳を与えられた乳児の腸内細菌叢の違いを部分的に説明している。早産児や低出生体重児にミルクを与えると、短期的な成長率は高くなるものの、壊死性腸炎（NEC）を発症するリスクが高くなるという研究結果もある54。

NECは、超未熟児によく見られる危険な腸管感染症で、腸管穿孔を引き起こし、その結果、細菌感染や腹膜炎を引き起こす可能性がある。カナダの研究者は、超低出生体重児の5〜12％がNECに罹患していると推定している。NECは、20〜40％の症例で手術を必要とし、25〜50％の乳児が命を落としている55。母親が人間の母乳を提供できない場合、NECを予防するために、最も小さい乳児にドナー・ミルクを与えることがよくある。寄贈された母乳は低温殺菌されているため、ほとんどの細菌が死滅してしまうとNeuは指摘している。

NECに関する新たな研究として、MIBRCの研究者たちは、ヒトの腸管オルガノイド（ミニ腸）を使用している。Stefania Sengerが率いるこの共同研究グループは、後期胎児や成人の腸管オルガノイドと比較して、未熟児の腸では炎症に対する感受性が高まることを明らかにした57。このことは、Walkerの研究グループが表3.1に示した保護免疫成分を提供することで、未熟な乳児の腸の成熟における母乳の重要性を裏付けるものである。

表3.1

生後間もない時期の抗生物質の過剰使用

乳児が出産から生後1年を経るにつれて、経膣分娩児と帝王切開児、母乳育児児とミルク育児児のマイクロバイオームの違いが少なくなってくる。いくつかの研究では、固形食の導入により、乳児の腸内マイクロバイオームがより成人的なマイクロバイオームへと移行することが促進されるという仮説が支持されている。あるシステマティックレビューでは、3カ月までは帝王切開の赤ちゃんと経膣分娩の赤ちゃんに有意な差が見られたが、6カ月を過ぎるとこの差はなくなった。

出生後のマイクロバイオームの動態に影響を与えるもう一つの重要な要素は、抗生物質の使用である。抗生物質は、20世紀の乳幼児の死亡率に大きな影響を与えた優れた手段である。しかし、感染症の大部分がウイルス性であるにもかかわらず、通常、生後2年間は抗生物質が乱用されるため、多くの乳児の腸内細菌叢の構成と多様性に大きな変化が生じている。

抗生物質の使用が膣内細菌叢の構成にどのような影響を与えるかについても注目されている。英国の研究者たちは、胎児の膜の早期破裂のリスクに膣内細菌叢の異常がどのように関与しているかを調べた。研究者らは、満期妊娠の場合とは異なり、調査対象となったケースの3分の1で、膜の破裂に先立って膣内のマイクロバイオームに乳酸菌が不足していることを発見した。さらに、この症状を予防するための一般的な臨床治療である予防的抗生物質の投与が、膣内細菌叢の異常を悪化させることがわかった。この乳酸菌の枯渇は、新生児敗血症の早期発症とも関連していた58。

マイクロバイオームの移植と長期的な臨床結果

乳児の腸内細菌叢の形成と動態に関わる出生前、周産期、出生後の複雑で精巧な要因を見てみると、これはランダムなプロセスではなく、絶妙に編成されたプログラムであることがわかる。人類の過去200万年の歴史の中で成熟してきた進化の必要性に基づいて進行しているのである。

このプロセスが人間の運命を左右する理由は、受胎から最初の1,000日が免疫系の機能を形成するのに重要であることを考えるとよくわかる。さらに、このような免疫系の形成は、腸内細菌叢が形成された直後だけでなく、人の一生を通じて行われる。

また、このような免疫系の形成は、腸内細菌叢が形成された直後だけでなく、その人の一生を通じて行われ、その人の遺伝的背景に応じて、耐性（健康状態）と免疫反応（病気）のバランスがコントロールされることになる。このデリケートな相互作用の中で、不必要に早い段階で抗生物質を導入すると、赤ちゃんの発育に悪影響を及ぼす可能性があることがわかってきた。

免疫系のトレーニング

多様な組成とバランスを持つマイクロバイオームは、危険に対抗するために炎症を起こすべきかどうかを、免疫系に教えてくれる。進化論的に言えば、免疫系は微生物という単一の敵と戦うようにバイオエンジニアリングされてきた。旧石器時代（260万年前から紀元前1万年前まで）の平均寿命は約33歳だったと言われている。最近の新石器時代の祖先の平均寿命は、20歳から33歳であった。人類の生物学的歴史の中で、死亡の原因として最も多かったのは、捕食者に殺されることと、感染症に殺されることであった。それが近年になって、公害、放射線、有害化学物質、がんなど、免疫系に新たな敵が出現したのである。

微生物にさらされると、免疫系は自然免疫系と適応免疫系の両方の枝を使って炎症状態を作り出し、微生物にとって不都合な微小環境を作り出す。この環境は温度が高すぎて（大多数の微生物にとっては37℃が最適）、微生物にとっては敵対的になる。免疫系はサイトカインやケモカインなどの化学物質を生成し、大多数の微生物を殺すことができる様々な免疫細胞をリクルートする。

この炎症プロセスは、炎症プロセスが発生した組織の破壊という、宿主への付随的なダメージをもたらす。しかし、この同じ洗練されたプロセスによって、宿主は感染症に負けることなく済むのである。マイクロバイオームは、免疫系が炎症を起こすべきかどうか、またいつ炎症を起こすべきかを判断する上で、最も重要なトレーナーでありガイドであることがわかる。

人間の進化に沿った最適な出生前、周産期、出生後の環境因子（母体の健康状態、経膣分娩、母乳育児、抗生物質の使用を控えるなど）のおかげで、バランスよく確立されたマイクロバイオームは、厳密に必要な場合にのみ炎症を起こすように免疫系を訓練することができると考えられている。これらの微生物は、パターン認識受容体を介した監視システムが潜在的に危険な状況を察知したときにのみ、炎症を起こす（図3.2参照）。

図3.2

人生の最初の1,000日（受胎から2歳まで）の要因とライフスタイルは、大人になってからのマイクロバイオームの移植と機能、そして成人の健康状態に影響を与える。

バランスを崩したマイクロバイオーム

逆に、母親の劣悪な生活習慣、帝王切開による出産、粉ミルクの給与、抗生物質の過剰使用など、人類の進化計画にそぐわない要因によって腸内細菌叢の構成が影響を受けると、細菌叢の確立はバランスを崩すことになる（dysbiosis）。このdysbiosisは、腸管透過性の変化、抗原輸送の増加、厳密には必要でない場合でも炎症を解き放つように免疫系を扇動する異常な免疫反応など、一連の生物学的な結果をもたらす。最終的には、このような一連の出来事は、低悪性度の慢性炎症の増加につながり、微生物叢によって誘発されるエピジェネティックな変化と相まって、遺伝的に素因のある人では耐性が破れ、慢性炎症性疾患が発症する可能性がある。

このような赤ちゃんの腸内の微生物プログラミングは、生後1,000日以内に完了するため、この重要な時期に不適切な微生物叢の構成があると、その人の健康状態に広範囲の影響を及ぼす可能性があるという仮説を立てることができる。その結果、特定の遺伝的背景を持つ人にとっては、継続的で慢性的な炎症プロセスとなり、臨床結果に悪影響を及ぼす可能性がある」と述べている。

4 Cracking the Codes: ヒトゲノムからヒトマイクロバイオームへ

細菌を特定するための初期の開発

人体に関する知識が進化するにつれ、レオナルド・ダ・ヴィンチが死体を密かに研究して解剖学の基礎を学んだことから、我々の体の構成と機能に関するより全体的なビジョンへと移行してきた。多能性幹細胞や多能性幹細胞の働きにより、一部の組織や臓器が再生することがわかってきたことで、人間は多細胞の静的な生物であるという還元主義的な考え方が広がった。

この概念の拡大により、人間は周囲の環境との連続体の一部となる。マイクロバイオームとの共生関係を理解することで、人間の生理学は次のレベルの複雑さに達し、エピジェネティクスが人間の可塑性や遺伝子変異なしに適応する能力の一部であることがわかってきた。

分子生物学的な生態学者であるリタ・コルウェルは、個人の運命を決める進化の旅におけるヒトのマイクロバイオームの影響に関する、このような革命的で斬新な見解の深さを理解するのに最も適した科学者の一人である。「我々は、人間とは何かを理解する必要がある。我々人間は、地球という巨大な進化を遂げた環境の中では、単なる一種でしかないことを理解する必要がある」とColwellは述べている1。彼女は、マイクロバイオーム科学を今日の地位にまで導いた、何世代にもわたる科学研究の歴史的基盤を思い出させてくれる。

1920年代、科学者たちは、細菌の生理機能に基づいてグループを分け、識別することで、酵素や細菌の機能を調べた。コルウェルは、1940年代の歴史を振り返って、彼女が「生化学の統一」のための「半分の瞬間」と定義したことを説明した。それは、牛の糖分分解のエンブデン・マイヤーホフ・パルナス経路に、人間と同じ酵素が含まれていることに科学者たちが注目したときのことである。「今では、生物が分子レベルで驚くほど似ているということは、普遍的な考え方として受け入れられている」とコルウェルは言う。

その後、数十年の間に、共通点から、個々の生物を識別するための定量的な研究へと関心が移っていきた。コルウェルは、二重らせん発見後のDNA革命により、種によって塩基組成が異なることが理解され、それが生物の単純なハイブリッド化につながり、その後、「エレガントな密度勾配ハイブリッド化」が行われたことを説明した3。

微生物生態学者であると同時に「微生物システミキスト」を自称するコルウェルは、50年以上にわたってコレラを研究し、800以上の論文を執筆し、少なくとも60の名誉学位を受けている。全米科学財団の元理事、アメリカ科学振興協会の元会長でもある。コレラに関する画期的な発見や、ヒトのマイクロバイオームに関する概念を幅広く理解していることから、彼女は現代の「ロバート・コッホ」と呼ばれることになるだろう。彼女の60年にわたる研究は、科学のさまざまな時代、生物学のさまざまな分野に及んでいるが、彼女が早くから体系学を選んだのは、彼女の性別に関係していた。

「私は女性科学者であったが、1960年代の研究室では女性科学者は歓迎されなかった」とコルウェルは言う。ワシントン大学で微生物学の博士号を取得するために海洋微生物学の研究をしていた彼女は、フィールドワークは日中のクルーズのみに限定されていたと振り返る。なぜなら「海洋学や漁業のために船上で仕事をするとき、特に夜間は女性は歓迎されなかった」からだ4。

このジェンダーバイアスは、現在、地球という生物圏の集合的なマイクロバイオームのあらゆる側面を研究している科学者たちにとって、明るい兆しをもたらした。1960年、コルウェルは、ワシントン大学で初めて採用されたコンピュータであるIBM 650を用いて、数値分類学と呼ばれる技術を用いて海洋細菌を同定する初のコンピュータプログラムを作成した。コルウェルが書いた博士論文は「リトル・バグ」と呼ばれ、海洋細菌を培養し、一連のテストを行った後、類似性を計算したものである。コルウェルの初期の研究成果は、『ネイチャー』や『サイエンス』などの有力誌に掲載され、バクテリアが定量的に識別できることが理解されるきっかけとなった5。

修道士とエンドウ豆の植物

人間のマイクロバイオームの構成と機能を先端技術で研究するという、最近では非常に困難な課題に取り組む前に、パズルの一部である遺伝子について再考する必要がある。1913年、アルフレッド・スターテバンがショウジョウバエの染色体上の一連の遺伝子の相対的な位置をマッピングしたことで、量的遺伝学の黄金時代が飛躍的に進展した6。しかし、遺伝子研究の知的ルーツは、19世紀半ばにさかのぼり、有名なアウグスティニアン修道士グレゴール・メンデルが3万本近いエンドウ豆を交配させ、遺伝の原理を確立したことにある。

科学のパラダイムが変化するとよく起こることであるが、当初は画期的な研究が軽視されたり、見過ごされたりすることがあった。

6人兄弟の末っ子だったスターテバントは、兄のエドガーに勧められてメンデルの法則の本を読んだ。アルフレッドは、メンデルの原理をアラバマ州の家族の農場の馬に適用し、毛色の遺伝を説明した。1908年にコロンビア大学に入学したアルフレッドは、1933年に「遺伝における染色体の役割に関する発見」でノーベル医学・生理学賞を受賞したモーガンのもとで研究を行った8。

1909年頃、モーガンはショウジョウバエを用いた研究で、白目のオスのミバエなど、驚くべき数の突然変異体を発見し、その後、白目が性に結びついた形質であることを突き止めた。当時はまだ染色体が遺伝情報の保存場所として認識されていなかった。モーガンはショウジョウバエの研究で、遺伝子が細胞核の中の染色体に含まれていることを確認した。染色体の中では、遺伝子が長い列をなしているだけでなく、互いに関連する形質が、染色体上で互いに近接した遺伝子に対応していることも判明した。また、モーガンは、異なる染色体の一部が互いに入れ替わる「クロスオーバー」という現象も発見した。

劣化した二重らせん？

スターテバンとモーガンの発見から40年後、次の大きな出来事は、おそらく人類の科学における最も重要な発見であった。それは、1953年にフランシス・クリックとジェームズ・ワトソンが発見したDNA分子の二重らせん構造の決定である。二人は1962年に「核酸の分子構造と生体内の情報伝達における意義に関する発見」で、モーリス・ウィルキンスとともにノーベル医学・生理学賞を受賞した9。しかし、よくあることだが、科学の大躍進は、コミュニケーション不足や性格の不一致、発見内容の賛否両論などで損なわれた。

ロザリンド・フランクリンと大学院生のレイモンド・ゴスリングの先行研究は、ワトソンとクリックが作成した、今ではおなじみのDNAの二重らせん像のモデルにつながっていたが、この話は省略されることが多かった。DNAの研究の後、ウイルスの分子構造を研究していたフランクリンは1958年に亡くなったが、DNAの構造的な謎の解明に重要な役割を果たしたことで、死後も注目され、名誉を得ている10。

フランクリンとゴスリングは、キングス・カレッジ・ロンドンのジョン・ランドール生物物理学研究室で行われたX線結晶学の研究を通じて、DNAの2つの形態（乾いた状態と湿った状態）を特定し、フランクリンはこれを「形態A」と「形態B」と呼んだ。形態Bは、リボース鎖の外側にリン酸があるらせん構造であろうとフランクリンは気づいていたが、フランクリンが行った形態Aの数学的解析では、らせん構造は見られなかった。フランクリンは、より複雑なA型の違いを解決しようと努力し、1953年初頭には、どちらの型もらせん構造を持つと判断した11。

一方、キングスカレッジの生物物理学研究ユニットで結晶学の研究をしていたウィルキンスは、フランクリンが知らないうちに、ゴスリングが撮影した重要な写真をワトソンとクリックに見せていたという話もある。ランドールがゴスリングを技術者兼大学院生としてフランクリンのもとに配属する前、彼はウィルキンスのもとでX線回折の研究をしていた。フランクリンの伝記作家の一人によると、クリックの論文指導者であるマックス・ペルッツも、フランクリンとゴスリングの仕事から得た未発表の資料をクリックとワトソンと共有していたという12。

この資料は、ワトソンとクリックがらせん構造の最終的なモデルを作るのに役立ち、その後、1953年4月にDNAの分子構造を記述した短いながらも画期的な論文を『ネイチャー』誌に発表した13。同じ号で、キングスカレッジの2つのチーム（ウィルキンス、アレクサンダー・ストークス、ハーバート・ウィルソンからなるチームと、フランクリンとゴスリングからなるチーム）が、「DNAの分子構造の可能性」を裏付ける実験データを発表した14。

910語で書かれたワトソンとクリックの論文には、彼らの発見を裏付ける証拠はなく、フランクリンの発見にも言及していないが、謝辞の中でウィルキンスとフランクリンに言及している。「また、ロンドンのキングスカレッジのM・H・F・ウィルキンス博士、R・E・フランクリン博士とその同僚たちの未発表の実験結果やアイデアの一般的な性質を知ることができたのも刺激になった」15。

2003年、リン・オスマン・エルキンは、彼らの言葉を “科学史の記述において最も控えめな表現の一つ “と評した。また、「ワトソンとクリックは20世紀で最も重要で印象的な科学的発見をしたが、彼らの黄金の螺旋は、フランクリンとウィルキンスへの扱いによって汚されてしまった」とも述べている16。 この話をよく読んでみると、エルキンの言うDNAイメージングの先駆者にレイモンド・ゴスリングが加わることになる。

DNAシーケンシングの発展

1970年代、フレデリック・サンガーは、タンパク質の構造に関する研究から、DNAの塩基配列の決定に成功した。同一カテゴリーで2つのノーベル賞を受賞した数少ない一人であるサンガーは、1958年に初めてノーベル化学賞を受賞し、1980年にはウォルター・ギルバート、ポール・バーグと共同で2度目のノーベル賞を受賞した17。その2年前には、現代分子生物学の父と呼ばれるハミルトン・ハム・スミスが、「制限酵素の発見とその分子遺伝学的問題への応用」でノーベル医学生理学賞を受賞している18。 制限酵素とは、バクテリアがDNAを切断して、比類のない遺伝的可塑性と適応性を与える化学物質である。

スミスは、1990年代初頭にJ.クレイグ・ベンターによってThe Institute for Genomic Researchに採用され、生物全体のDNA配列を決定するレースで重要な役割を果たした。スミスの登場以前、ベンターは少量のcDNAをランダムに採取して配列を決定していた。スミスは、生物のゲノム全体を「ショットガン」で解析するという大胆な方法を提案した。

普通のキッチンブレンダーを使って、生物のDNAを何百万もの小さな断片に分けた。その断片を自動シーケンサーにかけ、TIGRで開発された高速コンピューターと新しいソフトウェアを使って、完全なゲノムに再構成したのである。1996年、TIGRのグループは、オックスフォード大学の分子感染症グループと共同で、スミスが制限酵素を発見するきっかけとなった微生物、インフルエンザ菌の全ゲノムを発表した19。

一方、1987年には、放射線によってヒトゲノムに突然変異が生じる恐れがあるとして、米国エネルギー省（DOE）が早期ゲノムプロジェクトを立ち上げた。その1年後、米国議会はDOEと国立衛生研究所（NIH）に対して、このようなプロジェクトの実現可能性を探るための資金提供を承認した。1989年にNIHによって設立され、1997年には国立ヒトゲノム研究所として研究機関に昇格した国立ヒトゲノム研究センターの初代所長には、この章で紹介したジェームズ・ワトソンが就任した20。

1990年には当初の計画段階に続き、研究計画が発表された。しかし、1992年にワトソンが辞任し、マイケル・ゴッツマンが短期間務めた後、フランシス・コリンズが所長に就任し、15年間その任に就いた。その後、米国国立ヒトゲノム研究所が中心となり、12年の歳月と27億ドルの費用をかけて、2001年2月にヒトゲノムの初期解析結果が発表された21。

ゲノムの “スイッチ “を探して

しかし、ヒトゲノムが解明されたからといって、科学者たちが期待していたように、ヒトの病気に効果的に取り組むための簡単な答えが得られるわけではなかった。TIGRでベンターやスミスと一緒に働き、他の科学者と協力してヘモフィルス菌のゲノム解析を行い、微生物遺伝学の分野を切り開いたクレア・フレイザーは、生物のゲノム解析やヒトゲノムプロジェクトの初期には大きな期待が寄せられていたと語る。「ヒトゲノムほどではないかもしれないが、最初の微生物ゲノムについては、すべての遺伝子を特定し、それらをすべて経路に組み込むことができると信じていたと思う。そして、生物のパスウェイマップを作成し、スイッチを入れれば、すべてがどのように機能するのかを確認することができるのである」22

1990年代、科学者たちは、ヒトの遺伝子の総数を7万5,000〜10万個程度と推定していた。しかし、ヒトゲノムプロジェクトの成果により、その数は約2万3,000個にまで激減した。この時点で、「1遺伝子、1タンパク質、1疾患」というパラダイムは崩れ去ったのである。これでは、「ヒトゲノム計画」が解決しようとしていた無数の人間の病気に対して、科学者たちは明確な道筋を見出すことができない。このプロジェクトがもたらした膨大なデータと技術の進歩を利用して、科学の焦点はヒトのマイクロバイオームに移った。

当時、TIGRのグループは、国防総省高等研究計画局のマイクロバイオームプロジェクトに取り組んでった。個々の微生物が宿主と相互作用して感染症を引き起こす仕組みについては、長年にわたって科学者たちが共同研究を行ってきたが、マイクロバイオーム科学への移行に伴い、状況は大きく変わろうとしていた。

ヒトマイクロバイオームプロジェクト

ヒトのマイクロバイオームが、ヒトゲノムとともに、健康と病気のバランスを決定する上で非常に重要であるという仮説を立てたのは、ヒトという種が比較的シンプルなゲノム構造を持っていることを知ってからのことであった。この研究がヒトマイクロバイオームプロジェクトの基礎となることは、当時はほとんど知られなかった。

ヒトゲノムプロジェクトの終了に伴い、コリンズは米国の主要なゲノムセンターのリーダーと、微生物ゲノミクスや生態学の専門家を集めて、ヒトマイクロバイオームのプロジェクトの内容を検討した。フレイザーは、このようなプロジェクトはヒトゲノムプロジェクトに類似しており、マイクロバイオームのシーケンスが十分に行われれば、グループは明確なエンドポイントに到達できるだろうと考えていたと言う。しかし、彼女は、個々の生物ではなく生態系という観点から考えると、結果がそれほど明確になるとは思えず、また、配列決定が完了した時点で明らかになるとも思えなかった23。

「私は、海洋微生物の生態学者と仕事を始め、微生物の研究にもっと生態系の観点からアプローチしていた。当時、彼女の発言は一部の科学者に否定されたが、彼女の「仮説」はその後の研究で裏付けられた。

ヒトマイクロバイオームプロジェクトの初期には、ヒトゲノムプロジェクトで開発された技術をマイクロバイオームの構成と機能の研究に活用する上で、コストとはるかに高いレベルの複雑さという2つの大きな障害があった。DNAの塩基配列が明らかになる以前は、細菌の病原体や宿主とマイクロバイオームの相互作用については、ペトリ皿や顕微鏡で見ることのできる微生物を培養する能力に完全に依存していた。

2001年には、ヒトゲノムの全塩基配列の決定にかかる費用は、27億ドルで12年かかっていたのが、1億ドルでわずか1年で完了するようになった。より安く、より早くできるようになったとはいえ、ヒトのマイクロバイオームというはるかに複雑でダイナミックな対象には適用できないものだった。当時の臨床医は、自分のキャリアの中でゲノム解析が臨床応用の一端を担うことになるとは予想もしていなかった。

現在では、ヒトの全ゲノム配列を得るのに、700ドルと数時間の費用がかかる。2001年に約4,700ドルだったラップトップコンピュータが、2019年には1,000ドルと4倍になっていることを考えると、これは大変なことである。同じ期間に、ヒトゲノム配列決定のコストは140万倍に下がった。これは、ヒトゲノムプロジェクトのおかげで、過去数十年間にDNA配列決定領域の技術と知識がいかに進化したかを示すものである。

マイクロバイオームの動的性質

ゲノム解析が安価に行えるようになったことで、ヒトマイクロバイオームの解析という命題が実現した。ヒトマイクロバイオームプロジェクトは、2008年に設立され、ヒトマイクロバイオームの特徴や、健康や病気における役割を明らかにするためのリソースを提供している。

自動化されたDNA配列決定技術と新しいゲノムアセンブリアルゴリズムを用いて、単一の微生物の全ゲノム配列を決定できることを実証したのは1995年のことである。D. W. Hood、E. R. Moxon、R. D. Fleischmannらは、Haemophilus influenzaeのゲノム配列を決定し25、Fraserらは、その数ヵ月後にMycoplasma genitaliumの全ゲノム配列を報告した26。

その後、ゲノムデータを入手できる微生物の数は10万以上に増え、1回のシークエンスにかかる時間も数時間に短縮された。2000年代初頭に次世代シーケンシング技術が導入され、アセンブリーアルゴリズムやアノテーションパイプラインの開発が進められたことで、ヒトの体内や体内に生息する微生物の生態系全体のシーケンスが可能になった。これまで説明してきた内容は、古細菌、真核生物、細菌、ウイルスなど、人体に関連して生息するすべての微生物の集合体を分析するための基礎となる（図4.1参照）。

図4.1 クテリア領域の分類のヒエラルキー

ヒトマイクロバイオームプロジェクトにより、気道、口腔、皮膚、消化管、泌尿生殖器など、人体のさまざまな部位に生息する微生物群集について、より詳細な情報が得られるようになった。ヒト・マイクロバイオーム・プロジェクトの当初の予測では、ヒト・マイクロバイオームに含まれる細菌は、ヒトの細胞の10倍も存在するとされていた。この数字はかなりダウンサイジングされている。ロブ・ナイトは2018年にBBCに対し、この数字は「ずっと1対1に近いので、現在の推定では、すべての細胞を数え上げた場合、あなたは約43パーセントの人間である」と語った27。

技術的にも経済的にも実現可能なさらなる進歩により、ヒトのマイクロバイオームの研究は新たなレベルに達している。培養を必要としない16S rRNAシーケンシング技術を用いた単純な組成分析から、微生物群集の全遺伝子組成を包括的に調べることができるメタゲノミクスのアプローチへと移行しつつある。マイクロバイオームの構成と機能に関する研究の可能性を引き出すための最後のステップは、メタトランスクリプトミクスのアプローチである。

メタゲノミクスは、どのような微生物が存在し、どのようなゲノム上の可能性を持っているかをカタログ化するものであるが、メタトランスクリプトミクスは、特定の微生物環境で特定の時間に最も多く発現している遺伝子など、微生物の活動について教えてくれる。このように、メタトランスクリプトミクスは、特定のサンプルから得られた転写産物の完全なセット（RNA-seq）の機能と活性を研究するもので、これにより、臨床結果につながる宿主と微生物の相互作用によって影響を受ける可能性のある経路を特定することができる。メタトランスクリプトームのアプローチは、宿主の病気の発症に関わる特定の経路の活性化に関与している可能性の高い、マイクロバイオームによって発現された遺伝子を特定することを可能にし、それによって新たな治療ターゲットの可能性をもたらす。

ヒトゲノムと比較して、ヒトマイクロバイオームの定義をより複雑にしているのは、その構成と機能が時間とともにダイナミックに変化することである。多面的なヒトのマイクロバイオームは、ビタミンなどの必須元素を生成したり、免疫系の機能を調節したり、病原体を撃退したり、骨代謝、脂肪蓄積の促進、神経系の変更などに関わる基本的な生化学的経路を制御したりする。これらは、健康や病気におけるマイクロバイオームの役割をより深く理解するために、マイクロバイオームの構成と機能の両方を研究することの重要性を示すほんの一部に過ぎない。

ヒトマイクロバイオームプロジェクトの目的

ヒトマイクロバイオームプロジェクトが構想されたとき、このプロジェクトの全体的な使命に不可欠なものとして、5つの目的が挙げられた。しかし、本章や本書の他の多くの部分で説明したように、個人のマイクロバイオームの構成を知ること（すなわち、「誰が」そこにいるのかという疑問に答えること）は、1つの要素にすぎない。マイクロバイオームが人間の健康に与える潜在的な影響を研究する上で、最も重要な要素でもないだろう。現在の知識では、ヒトのマイクロバイオームの構成を評価するだけでは、特定のマイクロバイオームを宿主の特定の遺伝的背景に基づく疾患の発症に結びつけることはできない。

2つ目の目的である「身体の各部位における微生物群集の複雑さを推定し、各部位に『コア』となるマイクロバイオームが存在するかどうかという疑問に対する最初の答えを得る」29ことは、さらに問題があるかもしれない。正常なマイクロバイオームやコアマイクロバイオームの組成や機能を特定することは、問題の複雑さを考慮していない。

年齢、性別、ライフスタイル、居住地が同等の100人を対象に、このコア分析を行うことができるが、明らかに混沌としていて、均一ではない結果が得られる。また、一人の人を対象に、半年ごとにその人のマイクロバイオーム全体についてこのコア分析を行い、同様の混乱した結果を得ることもできる。したがって、どちらのグループにおいても、コア組成の予測可能なパターンは存在しない可能性が高いのである。

例えば、第3章で述べたように、一人の女性の膣内マイクロバイオームは、妊娠、出産、更年期などで変化する非常にダイナミックな微生物生態を宿しており、ストレスや喫煙などの環境要因にも大きく影響される。つまり、マイクロバイオームの機能ではなく組成に注目することは、第3の目的（下記参照）を達成するための誤ったアプローチである可能性があるということである。マイクロバイオームの組成が全く異なっていても、機能的には同じ結果が得られる可能性があり、その結果、同じような臨床結果をもたらす代謝条件が生まれるのである。

現在のマイクロバイオームに関する文献の大半は、健康な被験者と研究対象の疾患に罹患した患者という2つの異なるコホートを対象に、マイクロバイオームの組成や、場合によっては機能を分析するクロスセクショナル研究に基づいている30。

本章で後述するように、横断研究では、年齢、性別、社会経済的背景、地域などの変数が完全に一致していたとしても、結果（すなわち、疾患）が、検出されたマイクロバイオームの組成や機能の違いによって引き起こされたと仮定してしまう危険性がある。逆に、病気そのものがマイクロバイオームの変化を引き起こしていることも十分考えられる。

第4の目的は「新しいツールと技術の開発」、第5の目的は「ヒトマイクロバイオータのメタゲノム解析の研究と応用において考慮すべき倫理的、法的、社会的な意味合いの検討」31である。5つの目的のうち、ヒトマイクロバイオームを通して評価される健康とヒトの病気のバランスを研究する可能性に直接影響を与える可能性があるのは、この2つだけである。

マイクロバイオームハンターが世界中でヒトの標本を探し続けるにつれ、このヒトの標本獲得競争がもたらす倫理的、法的、社会的、そして文化的な意味合いがより明確になってきている。Science』誌に掲載されたAnn Gibbonsの記事では、ハドザ族の数が減り、狩猟に適した土地へのアクセスが減少していることから、ハドザ族が抱えるこれらの懸念が取り上げられている32。

ハドザ族に焦点を当てることで、観光事業、野営地、道路建設、さらにはアルコール中毒や薬物乱用などが引き起こされている。ギボンズは、科学者がハドザ族に「多くを求めすぎている」と考える研究者がいることを指摘し、研究に対する発言権の増加や土地の権利確保などの支援を求めるハドザ族に対応しようとしている科学者もいると述べている33。

ゲノムから「マルチバイオーム」へ

ヒトゲノムプロジェクトとヒトマイクロバイオームプロジェクトの両方で中心的な役割を果たしたフレイザーは，この2つのプロジェクトの変遷と，ヒトゲノムで得られた知見をヒトマイクロバイオームの研究にどのように統合するかについて，洞察を与えてくれた。ヒトマイクロバイオームプロジェクトの初期段階で、フレイザーは、区分けされた異なる生物が同じ空間を共有しているのではなく、生態系という観点から考えることを学んでった34。コレラの原因菌であるV. choleraeが人間の宿主に移動する前に水生環境に生息していたことを発見したコルウェルは、細菌と人間をより大きな生態系の連続体として捉えている35。

しかし、ヒューマン・マイクロバイオーム・プロジェクトでは、当初、このアプローチは採用されなかった。フレイザーによると、ヒトマイクロバイオームプロジェクトの最初の5年間は、ヒトゲノムプロジェクトと同じように、プロジェクトの立ち上げに費やされたという。当初は、16S rRNAの配列決定にほぼ集中し、動物実験は行わず、マイクロバイオームを “誰がいるか “という観点からしか見ていなかった。

「それは重要なことであり、論理的な第一歩であった」とフレイザーは言う。「しかし、すぐに明らかになったのは、16S rRNAベースのマイクロバイオームのスナップショットを取ると、人それぞれに違いがあり、機能的なデータは出てかなかった」36。

一方、S.Dusko Ehrlich氏が率いるヨーロッパのMetaHIT（Metagenomics of the Human Intestinal Tract）プロジェクトは進んでいたと、Fraser氏は指摘する。「彼らはそれを理解していた。彼らはメタゲノム配列やメタトランスクリプトーム配列を作成し、動物実験を行ってた。彼らはメタゲノム配列やメタトランスクリプトーム配列を作成し、動物実験を行ってた。チームの中には栄養士も含まれており、彼らのアプローチは最初からホリスティックなものであった」37 フレイザーは、「医食同源」という考えを強く信じており、マイクロバイオームについて得られる知見を、人間の病気の予防や治療に活用しようとしている。

2008年に欧州委員会からの資金提供を受けて開始されたMetaHITは、ヒトゲノムの22,000個の遺伝子に対し、ヒトの腸内細菌は330万個の遺伝子を持っているという初期結果を出した。MetaHITでは、540ギガバイトのDNAが生成され、これまでに確認されていない5,000の遺伝子を含む19,000の遺伝子機能がカタログ化された。また、MetaHITの研究者は、腸内細菌群の構成に基づいて人間をグループに分類する「エンテロタイプ」を初めて発見した38。

腸内細菌叢の複雑で動的な性質、サンプリング方法の一貫性の問題、世界の異なる集団間での細菌の多様性などを考慮すると、腸内細菌叢の分類に対するこのアプローチには疑問がある。2013年には、Omry Korenらが「エンテロタイプを呼ぶ際には複数のアプローチが必要」と呼びかけている39。 2018年、Fraserは、Curtis Huttenhower、Knight、Ruth Leyらその小規模な研究グループのメンバーに加え、ドイツ・ハイデルベルクにある欧州分子生物学研究所のPeer Borkら国際的な仲間たちと協力して、エンテロタイプの概念を再検討した。2018年に「Nature Microbiology」に掲載された論文で、同グループは、ヒトのマイクロバイオームについて、エントリータイプという分類体系だけに頼らないよう注意を促しているが、エントリータイプを「ヒトの微生物群集のランドスケープを研究するための有用なツール」と表現している40。

Colwellは、さまざまな方法論を用いるというKorenのグループの意見に同意し、「グラディエント」なアプローチを採用することで、個々のマイクロバイオームをより包括的に捉えることができると述べている41。そして、Fraserが予測したように、すべての人が異なるマイクロバイオームを持っていることを示す初期の結果は、驚くべきものではなかった。腸内病原体とヒトの宿主との相互作用を研究することで、同じ病原体と同じヒトを対象にしていても、臨床結果は人によって大きく異なることがわかってきた。いくつかの例を見てみよう。

ビブリオのバリエーション

先ほど説明したように、V. choleraeは非常に高い感染率でパンデミックを引き起こし、しばしば死に至る。コルウェルさんは、サリー布で飲料水をろ過するなど、革新的でシンプルな技術を用いて、汚染のリスクを減らし、汚染された水を飲んだことによる死亡率を下げることで、このような大流行との戦いにキャリアの大半を費やしてきた42。実際、コレラに感染したことがなくても、症状が出ず、単に保菌者になってしまう人もいる。その一方で、コレラ菌に感染すると重度の脱水症状を起こして死亡する人もいる。

共著者のAlessio Fasano氏は、ボルチモアにあるメリーランド大学のワクチン開発センターに勤務していたとき、ボランティアがV.コレラ、サルモネラ、シゲラなどの腸内病原体にさらされる臨床試験に参加していた。非常に管理された研究環境であっても、臨床結果は個人によって異なってた。サルモネラ菌に感染しても病気にならない人もいれば、典型的なサルモネラ症を発症する人もいた。赤痢菌に感染した人は、自己限定的な水様性の下痢になるか、血の混じった下痢と激しい腹痛を伴う本格的な赤痢になるかのどちらかであった。

このように、単一の微生物とヒトの宿主との相互作用による臨床結果の明確な違いは、マイクロバイオーム・コミュニティ全体に外挿すると、このはるかに複雑な相互作用は、臨床結果の予測がさらに困難になる可能性を示唆している。したがって、遺伝的背景があっても病気を発症する人としない人がいることを理解するために、マイクロバイオームの構成が鍵を握っていると考えるのは無理があると思う。

全体像の把握

一部の例外を除いて、人体は微生物が生息し適応しなければならない唯一の生態系ではない。むしろ、我々は、土壌、海洋環境、その他の動物宿主を含む、より複雑な地球上の生態系の一部であり、微生物はそのライフサイクルを完遂するために生き残り、繁殖するために迅速に適応する必要がある。我々は、メタゲノム研究から得られる知識を、マイクロバイオームの構成と機能は、ライフスタイル、抗生物質の使用、栄養や食事など、多くの変数に影響されるダイナミックなプロセスであるという概念に基づいて構築しなければならない。

繰り返しになるが、例えば腸など、人間のあらゆる部位の微生物の配列を調べて「正常な」マイクロバイオームを見つけようという目的は、おそらく有益な目標ではない。現在、多くのマイクロバイオーム研究者は、正常なマイクロバイオームなど存在しないと確信している。シーケンスが完了する頃には、その部位の生態系は、環境やその他の要因の影響を受けて、その人ごとに大きく異なっている可能性がある。

さらに問題を複雑にしているのは、ヒトのビロムは、同じライフサイクルの中で、ある微生物から別の微生物への遺伝子の横移動を引き起こす可能性があることである（第5章参照）。これにより、たとえマイクロバイオームの構成が同じであっても、特定の場所のマイクロバイオームの機能には、時間の経過とともにさらに大きなばらつきが生じる可能性がある。

フレイザーは、マイクロバイオーム分野はようやく初期の制約から脱却したと考えている。しかし、マイクロバイオームが健康や病気にどのように貢献しているかを知るためには、種の変化を列挙することが最善の方法であるという考え方には、まだ限界があると考えている。腸内マイクロバイオームのような複雑な生態系では、動物実験や試験管内での研究、さらには統合的な研究も必要である。

マイクロバイオームの組成と、最も重要な機能を特定の疾患に結びつける唯一の方法は、健康な人と疾患のある人のコホートを比較する横断的な研究から、遺伝的に特定の疾患のリスクがある被験者を対象とした前向きな縦断的研究に移行することである。このような研究では、疾患の発症前、発症中、発症後のマイクロバイオームの構成と機能を調べることができる。マイクロバイオーム、メタゲノミクス、メタトランスクリプトミクス、メタボロミクスから得られるデータを、包括的な臨床データや環境データと統合することで、環境がマイクロバイオームの組成や機能にどのような影響を与え、遺伝的に素因のある人が病気を発症するのかについて、数学的モデルを構築することができる。(これらの概念は、第14章と第17章で再検討され、拡張されていく）。

新規の生物学的計算モデルを構築し、マイクロバイオームの関連性から因果関係へと移行するための明確な道筋を示すことは、非感染性の慢性炎症性疾患の発症についての洞察を得るためのメカニズム的アプローチを提供し、個別化された介入や疾患予防のための標的となりうることを示すために不可欠なステップである。そのためには、マイクロバイオームに焦点を当てた研究を、我々が日々生活している生物学的な生態系の中に位置づけて行う必要がある。Colwellが述べているように、「我々は何度も何度も間違いを犯している。それは、この生物の機能が、進化していない宿主や、もともと進化していた環境の中でどのようなものであるかを理解しようとしないからである」43。

ヒトマイクロバイオームプロジェクトに端を発し、ヒトマイクロバイオームのさまざまな側面に大きな関心が寄せられ、研究が進められている。しかし、我々は、FraserとColwellの意見に全面的に同意する。我々は、さまざまな慢性炎症性疾患の治療にヒトマイクロバイオームを活用するためのパイプラインの終点にいるわけではない。むしろ、ヒトマイクロバイオームプロジェクトが生み出した膨大な量の研究成果を活用して、この情報を健康と病気のバランスをとるために利用することに近づけるとすれば、我々は非常に有望な発見の道の始まりにいると考えている。

5 バクテリアを超えて。他の “オム “たち

体のバランスを整える

ヒトマイクロバイオーム仮説によると、腸内マイクロバイオームを構成する複雑な微生物群集は、宿主と相互作用して生理的な恒常性を維持することにより、健康の維持に役立っている。しかし、体のさまざまな構成要素を調和させて、健康と病気の間の不安定で極めてダイナミックなバランスを維持するというモデルは、決して新しいものではない。

今でも世界各地で行われている伝統医学では、不調和と思われる要素のバランスを取ることで、身体に健康を取り戻すという介入方法が多く用いられている。タイ伝統医学（TTM）では、ハーブ、マッサージ、ヨガなどを用いて、人間の要素である地、水、風、火のバランスを修正する。多くの伝統医学とは異なり、TTMは1889年に設立された最初のタイ医科大学に含まれてたが、1916年にカリキュラムから削除された1。

1978年に世界保健機関（WHO）が発表した「アルマ・アタ宣言」では、地域社会のプライマリー・ヘルス・ケアのニーズに応えるため、加盟国に「伝統的な施術者」を含めることが求められた。この宣言を受けて、タイの公衆衛生省がプライマリーヘルスケアプログラムで薬用植物を促進する方針を打ち出したことで、TTMは再び政府の政策に組み込まれることになった2。

中国伝統医学（TCM）は、何千年もの間、地域の治療者によって実践され、口承によって受け継がれてきたが、1950年代から1960年代にかけて、中国政府によって体系化された。TCMでは、病気があっても健康を維持するために、体全体の調和を回復・維持するという概念を重視している。この洗練された医療システムの最古の記録は、約3,000年前の亀の甲羅と骨に記されている3。

これらの古代文書では、空気や蒸気である「気」と、血液である「血」の循環運動に焦点が当てられている。アメリカ中国伝統医学大学によると、体調不良の原因は「気と証の停滞、欠乏、不適切な動き、そして陰と陽のバランスの崩れ」とされている4。

西洋で最もよく知られている中医学の治療法である鍼灸は、中医学の一要素に過ぎない。他にも、漢方薬、中国式マッサージ、気功や太極拳、食生活の改善、カッピング（小さなガラス瓶を皮膚に当てて吸引する方法）などがある。

最近のCOVID-19パンデミックでは、腸内細菌叢のバランスを調整し、二次感染のリスクを低減するために、栄養補給やプレバイオティクス、プロバイオティクスとともに、中医学が採用されている。2020年、浙江大学医学部第一付属病院の医師たちは、”四反二反 “と呼ばれる治療戦略の一環として、中医学を用いて病気のリハビリを促進した。研究者たちはこれを「抗ウイルス、抗ショック、抗高血症、抗二次感染、および水・電解質・酸塩基のバランスと微小生態系のバランスの維持」と定義している5。

中医学は、朝鮮民主主義人民共和国、日本、韓国など、他の国の伝統医学にも影響を与えており、調和の維持と回復に同様の焦点を当てている。西洋では、中世にさかのぼって、バランスと調和を重視した同様の洗練された医療とトレーニングのシステムが見られる。

スコラ・メディカ・サレルニターナ

イタリアのサレルノに生まれた共著者のアレッシオ・ファザーノは、「スコラ・メディカ・サレルニターナ」（サレルノの医学校）の歴史をよく知っている。スコラ・メディカ・サレルニターナは、健康を維持するためにバランスを取ることの必要性について、西洋医学の規範の中で最も重要で、おそらく最も影響力のある資料と言われている。

サレルノの医学校は、9世紀に設立され、10世紀に隆盛を極めた西洋初の医学校である。9世紀から10世紀にかけて、南イタリアのサレルノというティレニア海に面した場所に設立され、中世の西ヨーロッパで最も重要な医学知識の源となった。聖ニコラス修道院の診療所から発展したこの学校は、10世紀から13世紀にかけて、ロンバルディア帝国の最後の数十年からホーエンシュタウフェン家の没落までの間に、最高の輝きを放った。1077年にコンスタンティン・アフリカヌスが到着すると、サレルノの古典期が始まる。サレルノ大司教アルファーノ1世の奨励と、コンスタンティン・アフリカヌスによるアラビア語からラテン語への医学書の翻訳により、サレルノは「ヒポクラテスの町」（Hippocratica Civitas or Hippocratica Urbs）と呼ばれるようになった。

サレルノのスコラには、回復を願う病人や、医学を学び教えるための学生（男女問わず）が、世界中から集まってきた。この学校は、ギリシャとラテンの伝統を統合したものをベースに、アラブやユダヤの文化からのアイデアを加えたものであった。また、治療ではなく予防の実践と文化に基づいたアプローチを行い、医学における経験的な方法への道を開いたのである。

フォー・ヒューマニズムの実践

スコラ・サレルニの治療法や植物学（当時の薬学は薬草の使用が中心）は、古代の「四元素説」を基にした「四体液説」に基づいてた。この理論は、紀元前6世紀にサモス島のピタゴラスやクロトーネの学派の人々によって形作られ、広まっていきた。彼らは四元素説を、物質の構成を司る「調和」の概念と結びつけた。

ピタゴラスは先見の明をもって、この調和を、物質の構成に内在する相反する力のバランスのとれた拮抗の結果としての継続的に不安定な平衡に基づく、非静的で極めて動的なものとして概念化した。ピタゴラスによれば、宇宙を支配する調和は人間をも支配しており、健康な状態をもたらし、この平衡が乱れると病気になるとしている。

しかし、ピタゴラスとその弟子たちが医学に与えた影響は、この概念にとどまらず、生命は空気、土、火、水の4つの要素で構成され、乾燥、寒冷、温暖、湿潤の4つの性質に対応するという概念にまで及んでいる。分泌物である「体液」（血、黒胆、黄胆、痰）は、4つの要素（空、地、火、水）に対応し、同じ性質を持っている。

血は湿っていて温かい、痰は冷たくて湿っている、黄胆は温かくて乾燥している、黒胆は乾燥していて冷たいというように、体液は四つの要素と直接関係している。この4つの体液の組み合わせによって、その人の「気質」や「精神性」、「健康状態」が決まるとされている。

この理論に基づけば、人体はこの4つの体液の存在に支配されており、その不均衡が人に病的な状態を生じさせることになる。病気」とは、ある体液が他の体液に比べて過剰であるという概念であり、過剰な体液とは反対の性質を持つ「製品」（「単純」または「複合」）を用いて治療する必要がある。

このアプローチでは、人間の体液を研究するのと同じ基準で、シンプルなハーブを分類することが重要だ。単純なハーブには、温かく湿っているもの、温かく乾燥しているもの、冷たく湿っているもの、冷たく乾燥しているものがある。この分類と同時に、ハーブの濃度に基づく効能の分類も同様に重要だ。この濃度は、コンスタンティン・アフリカヌスの『De Simplici Medicamine』に記載されている分類基準である6。この教科書では、強さの度合いを4段階に分けて説明しており、最も強い薬草には死亡率を含む副作用があるとしている。

サレルノの現代医学

これらの概念や薬草の濃度の分類は、サレルノの旧聖ニコラス修道院の近くにある現代のスコラ・メディカ・サレルニターナのジャルディーニ・デラ・ミネルバの植物園に忠実に再現されている。1811年に閉鎖されてからちょうど200年後の2011年、サレルノ大学に医学部が開設され、専門的な医学教育が復活した。

この歴史的な場所には、サレルノ欧州生物医学研究所（EBRIS）がある。EBRISは、地元の自治体とマサチューセッツ州ボストンのMassGeneral Hospital for Children（MGHfC）の支援を受けて、2013年に設立された国際的な研究機関である。EBRISの近代的な研究施設は、かつての修道院を利用しており、9世紀以前の温泉の考古学的な名残を示すガラスの床などの建築的なディテールを誇っている。ティレニア海を見下ろすサレルノの崖の上にあるこれらの壮大なモニュメントは、医学の歴史に興味がある人にとって重要な場所である。

ヒポクラテスの貢献

コスのヒポクラテスが提唱した「四体液」という概念は、西洋で学んだ多くの臨床家にとってより身近なものであろう。近代医学の父」と呼ばれるヒポクラテスは、宗教や迷信ではなく、臨床的な観察と合理的な結論を重視した。

ヒポクラテスの医学では、医師は「『慈悲深い自然』の治癒活動を促進する」ことによって、黒胆汁、黄胆汁、痰、血液の健全なバランスを回復させなければならないとされた。ギリシャの神経学者クリストス・ヤピヤキスは、西洋医学における現代的な倫理観や、今日使われている臨床用語のほとんどが、ヒポクラテスに由来することを指摘している7。今では信じられないが、紀元前500年から、「病理学の父」ルドルフ・ヴィルヒョウが1858年に『細胞病理学』を出版して細胞理論を列挙するヴィルヒョウ革命が起こるまで、四体液説は揺るぎないものであった。生理学的および病理学的組織学に基づいて）』を出版し、細胞理論を列挙した8。

四体液と並行して、インド亜大陸では5,000年以上も前からアーユルヴェーダ医学が行われてきた。アーユルヴェーダ医学は、エーテル（空間）、空気、火、水、土の組み合わせであるヴァータ、プリッタ、カファの3つの「体液」のバランスを維持し、回復させることに重点を置いている。アーユルヴェーダでは、万物の普遍的な相互関係、身体の状態、生命力などを考慮し、心、身体、精神の微妙なバランスをとることで健康を維持する。古代人が健康の判断基準としてバランスを重視したように、腸内細菌叢のさまざまな構成要素のバランスは、人間の健康を語る上で重要な役割を果たしている。

微生物が織り成すタペストリー

健康を維持するためにバランスを取り戻すという概念は、ヒトのマイクロバイオームに非常によく当てはまる。細菌以外の多様な構成要素を含むヒトのマイクロバイオームの全体像をより詳細に検討することで、ヒトのマイクロバイオームを研究することは、単に配列を決めてコミュニティを特定するだけではなく、はるかに複雑であることが明らかになった。リタ・コルウェルが言ったように、「そこには統合された布があり、織り込まれたつながりがある。我々人間は、地球という巨大な進化を遂げた環境の中で、単なる一種であることを理解する必要がある」9。

微生物の構成と機能、そして微生物間の相互作用をより深く掘り下げるにつれ、我々はついに細菌だけではなく、ヒトのマイクロバイオームを構成するその他の生物群を特定しようとしている。この課題が非常に複雑であることを示すように、ヒトの微生物群集の中で最も研究が進んでいる腸内細菌群集を構成するものについては、現在のところ意見が一致していない。

情報源によっては、腸内マイクロバイオームには細菌、ウイルス、真菌、古細菌、寄生虫が含まれるとされ、酵母や原生動物が含まれることもある。マイクロバイオームの研究者にとって次の大きな課題の一つは、メタゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクスなどの「オミクス」技術を用いて、この多面的な生態系を解明することである。

メタゲノム研究の進展に伴い、科学者たちの関心は、細菌だけでなく、「ビロム」を含むマイクロバイオームの他の構成要素にも移っている。ウイルスは地球上に最も多く存在する生物であり、おそらく現代の研究者がバクテリアに次いで最も研究しているヒトのマイクロバイオームの構成要素である。天然痘、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）、豚インフルエンザ、エボラ出血熱、そして今回のSARS-CoV-2など、よく知られている致命的なウイルスは、100年以上前から人類の歴史と密接に関わってきた。

アントニオ・ガスバリーニらによると、現在では、ほぼすべての環境で得られた単一の遺伝子配列からウイルス粒子を再構成することができるという。10 地球上で最も豊富で多様な生物であると考えられているウイルス様粒子は、1031個と計算されており、端から端まで並べると1億光年の長さになるとのことだ11。この数字は、海洋環境の大規模なシークエンス調査が完了し、分析ツールがより精密になるにつれ、変化していくことだろう。また、ウイルスは人間の生理機能に内在する微生物戦争の日和見的な殺し屋として描かれてたが、バクテリオファージ（ウイルスの一種である）も破壊者であると同時に建設者であるという、より複雑な描写に変わりつつある。

ウイルスの役割の再定義

バクテリオファージとは、ヒトを含む哺乳類の細胞には感染せず、バクテリアや時には古細菌にのみ感染するウイルスのことで、「バクテリオファージ」と呼ばれている。ファージには大きく分けて、細菌の細胞機構を乗っ取って複製し、最終的には細胞を破壊しながら他の細菌に感染する溶解性ファージと、細菌の染色体にゲノムを組み込み、宿主の細菌と一緒に複製した後、ファージとして再パッケージ化して宿主から逃れて別の細菌に感染する温帯性ファージの2種類がある。

温和型ファージが非常に重要な役割を果たしているのは、同一世代のバクテリアの中で起こる横方向の遺伝子伝達、すなわち縦方向の遺伝子伝達を担っているからである。横方向の遺伝子導入は、バクテリアが抗生物質耐性を獲得する方法の1つである。

腸内細菌と同様、メタゲノムDNA解析により、一過性の感染を引き起こす動物細胞ウイルス、細菌と古細菌の両方に感染するバクテリオファージ、内在性レトロウイルス、持続感染と潜伏感染の両方を引き起こすウイルスなどからなる豊富なウイルス群集が明らかになっている12。

最近、オランダで発生した原因不明の急性胃腸炎では、糞便サンプルのメタゲノム解析により、Anelloviridae、Picobirnaviridae、Herpesviridae、Picornaviridaeの新規メンバーが検出された13。しかし、未知の病原体を特定するための競争において、疫学調査員が常にこのような高度なツールを自由に使えるわけではない。

ウイルスの探偵

1993年の春、ワシントン・ポスト紙の記者、スティーブ・スタンバーグによると、20歳のナバホ族のクロスカントリー・ランナーであるメリル・バヘは、健康状態も良好で、ニューメキシコ州リトル・ウォーターでの結婚式を楽しみにしていた。しかし、1993年5月9日、婚約者のフロレナ・ウッディさん（21歳）が原因不明の呼吸器系疾患で亡くなった。数日後、彼女の葬儀に参列したバヘは、呼吸困難で重体となってしまった14。

親戚の車でギャラップ・インディアン・メディカル・センターに運ばれたが、数時間後に呼吸不全で亡くなった。同センターの内科医長であるブルース・テンペストは、入院後すぐにこの青年を診察した。テンペストは、バヘの婚約者が先に死亡したことを知り、同僚に問い合わせたところ、過去6カ月以内に急性呼吸困難で死亡した若くて健康なナバホ族の成人が他に3人いることを知った。テンペストは、若い女性の葬儀に参列した州の医療調査官に連絡を取り、ナバホ族としては異例ともいえる夫妻の検死を依頼したが、快く引き受けてくれた。

テンペストは、当時ニューメキシコ州では珍しくなかったペストを疑ったが、州保健局の検査結果は陰性であった。テンペストは、当時ニューメキシコ州では珍しくなかったペストを疑ったが、州の保健所の検査では陰性であった。また、一般的な肺炎やA型肺炎も否定された。その結果、米国疾病管理センター（CDC、現在はCenters for Disease Control and Prevention）の特殊病原体部門、ニューメキシコ州、コロラド州、ユタ州の各州保健局、インディアン保健局、ナバホ族、ニューメキシコ大学などが協力して、原因不明の病気の解明に取り組んだ。

さらに死者が出たため、地元の新聞では「ナバホ・インフルエンザ」と呼ばれ、不安と偏見が広がった。5月下旬には、30人以上の協力者が、原因を「認識されていない出血熱」、「非定型インフルエンザ」、「認識されていない環境毒素」のいずれかに絞り込んだ。ナバホ族の近くに住んでいた非ネイティブ・アメリカンがこの病気にかかり、アリゾナ州、コロラド州、ネバダ州、カリフォルニア州でも患者が発生した。CDCによると、この病気は疫学的、医学的には知られなかったが、ナバホ族の人々が数十年前から認識していたことを示す証拠があり、ナバホ族の医学的信念が公衆衛生上の予防勧告と一致しているとのことである15。

6月初旬、ナバホ族のピーターソン・ザー大統領は、ナバホ族の伝統的な治療者である「メディスンマン」たちを招集し、この状況を検討した。ナバホ族出身で、スタンフォード大学で学んだ医師であるベン・ムネタは、その会議で部族の歴史を学び、謎の病気の原因を解明した。この会議に出席していた医師は、ニューメキシコ州保健局副局長のロン・ボーヒーズだけだった。

ワシントン・ポスト紙に掲載されたムネタの記事によると、メディスンマンたちは、人々が伝統的な慣習から外れているため、世界には大きな不調和があると言った。そして、不調和が起こると死が訪れるという。ムネタに促されて、長老たちは1918年と1933年にも同じような病気が発生したことを思い出した。その頃はネズミが多く、「多くの若いナバホが死んだ」16。

ナバホ族の伝説では、生命の種を蒔く者として崇められているネズミだが、病気を媒介する者としても恐れられている。CDCによると、1993年、数年続いた干ばつの後に大雪と春の雨が続いたため、鹿のネズミの数は通常の10倍になっていた。

CDCの疫学者チームは、ナバホ族の地域からネズミの組織サンプルを集め、患者から一致するウイルスの抗体検索を開始した。その抗体は、出血熱を引き起こすハンタウイルスと呼ばれる一群のウイルスにのみ反応した。研究者たちは、ネズミが媒介するハンタウイルスが、ネズミの排泄物に含まれるウイルスのような粒子を介して吸い込まれ、この謎の病気を引き起こしたのではないかと考えた。

CDCの現地調査員がナバホ族などの家庭からマウスやマウスの便を採取する一方で、C.J.ピーターズのチームは被害者の組織からハンタウイルスの遺伝子を抽出する作業を始めた。この段階では、DNAの特定の領域を増幅するポリメラーゼ連鎖反応という新しい技術が開発され、139の塩基対を持つ新しいハンタウイルスを特定するのに重要な役割を果たした。

6月12日、アトランタのCDCにニューメキシコ、ユタ、アリゾナ、コロラドの4州からマウスの検体が到着した。その4日後、研究者たちは遺伝子配列を特定し、139の塩基対を数え上げ、それがメリルバエの肺で見つかった「フォーコーナー」ウイルス感染症の原因となったハンタウイルスと同じものであることを確認した17。医学の発展におけるおなじみのパターンでは、技術の進歩が新たな病気の発見を促したが、これはDNA配列と技術の飛躍的な進歩がマイクロバイオーム革命を引き起こしているのと同じである。

ウィルス性建築家

フォーコーナーズ事件の最も興味深い謎の一つは、なぜこの病気が、一見健康そうな若者には致命的な症状をもたらしたのに、子供や高齢者には起こらなかったのかということである。これは、ウイルスは無差別に人を殺すという長年の一般的な概念に反している。その答えの一部は、腸内細菌叢の構成にあるかもしれない。

エボラ出血熱やジカ熱と同様、ハンタウイルスも人獣共通感染症の「スピルオーバー」ウイルスであり、まず動物からヒトに感染し、その後、ヒトからヒトへと感染する。

フォーコーナーズのハンタウイルスでは、マウスの排泄物と空気中で接触した未知のウイルスが体内に侵入すると、健康な若者たちは非常に強い免疫反応を示した。COVID-19の多くの症例では、「サイトカインストーム」と呼ばれる同様の反応が現れ、上皮・内皮の透過性亢進、血管炎、血栓症を引き起こし、濃度が高いままだと多臓器不全や死に至った19。

メタゲノミクスとその微生物生態学への応用の先駆者であるForest Rohwerは、「奇妙な」ウイルスに対するこのような過敏な免疫反応はよくあることだという。「スピルオーバー・ウイルスは人間にはあまり適応していないので、変なウイルスになってしまうのである。すべてのウイルスではないが、我々がいつも接しているウイルスのほとんどは、我々にそれほど大きな問題を起こしない」20。

しかし、新型コロナウイルスSARS-CoV-2のように、人獣共通感染症によって獲得された新しいウイルスは、それまでの出会いを知らない人間という新しい宿主を見つける。そのため、人間は感染によって重篤な病気にかかりやすくなる。

また、2019年末のCOVID-19の出現は、新種のウイルスに対する我々の病気の感受性の別の側面、すなわち、この病気のさまざまな段階における免疫反応において、常駐するマイクロバイオーム（この場合は肺マイクロバイオーム）が果たす役割を概説している。ペンシルバニア大学のRonald Collman氏は、人間の呼吸器系のマイクロバイオームを研究している研究者の一人である。Collman氏によると、肺の中の細菌の量が “自然免疫反応のレベルを決定している可能性がある “ことを示した科学者もいる。彼は、肺の免疫システムがマイクロバイオームによって制御されていることが、COVID-19に対する人々の反応に影響を与えているのではないかと推測している21。

ローワーは、マクロ環境とミクロ環境の両方における、主にバクテリオファージを中心としたウイルスの役割を研究している。また、中央太平洋のサンゴ礁を対象とした数十年にわたるゲノムマッピングにより、微生物の多様性に関する現在の考え方に疑問を投げかけたり、嚢胞性線維症におけるビロムの役割を研究したりしている。サンディエゴ州立大学（SDSU）のローワー教授の研究室は、ビロムは各個人に固有のものであり、個人間よりも個人のビロム内の方がより多様性があるという認識につながる発見に貢献した。また、彼のグループは、ファージセラピーの治療に使われるファージを特定した。

彼は、人間を孤立した個人としてではなく、「歩く生態系」として捉えており、ウイルスは、生態系のエネルギーの流れのバランスをとるための常駐の捕食者であり創造者であると考えている。地球上で支配的な微生物として、ウイルスは細胞よりも成功しており、人間のマイクロバイオームの健康維持に果たす役割を無視することは危険であると、ローワーは指摘している22。先に述べたように、最近の推定では、世界中のウイルスの総数は1031個であり、300億個のバクテリオファージ（ファージ）が毎日人間の宿主の周りを移動して、細菌の獲物を探し、我々を病原体から守っている23。

ウイルスが「生物」であるかどうかという現在の議論は、ローワーにとって、遺伝物質を操作することで情報を動かし、新たな青写真を生み出す能力ほど興味のあるものではない。ファージは宿主である細菌に侵入し、細胞の機械を乗っ取って自分自身を複製する。ローワーによると、ウイルスは、獲物であるバクテリアの遺伝子の設計図を操作することで多様性を生み出すことに長けているという。ウイルスは、他のすべての生物と呼ばれるものを合わせたよりも多くの遺伝物質を伝播するが、ローワーは、従来の系統樹における細菌、古細菌、真核生物の3つの枝には、ウイルスは位置していないようだと嘆いている24。

前述したように、ファージが宿主を利用する方法には、細胞死に先立って多くのウイルス粒子を放出する溶解作用と、ウイルスの遺伝物質を宿主の染色体に統合する温和作用がある。ローワーによると、ここ2〜3年の間にヴィロムの研究が徐々に進展したことで、腸内細菌叢のすべての細菌が少なくとも1つのプロファージを持つライソゲンであり、通常はそれ以上のプロファージを持つことがわかったという。RohwerとCynthia Silveiraは、「Piggyback-the-Winner」（PtW）と呼ばれるバクテリアとファージの相互作用の新しいモデルを提案した。

ローワーによると、プロファージは細菌の戦争に関与し、適応するために個体にとって重要な遺伝子を持ち込むという。劇的な例としては、慢性疾患で抗生物質にさらされ続けている人がいる場合、ウイルスが抗生物質耐性の遺伝子を移動させ、その結果、その人はマイクロバイオームを失わずに済むというものがある。さらに、糖質の代謝に関わる成分をウイルスが取り込むことで、より微妙な役割を果たしているとローワーは指摘する。SDSUの元博士課程学生ジェレミー・バーの発見により、粘液中にバリアを形成して宿主の組織を保護するウイルスから、ローワーが「基本的には微生物由来の新しい免疫システム」と呼ぶものが存在することが明らかになった26。

バクテリオファージの粘液への付着

2013年、BarrとRohwerをはじめとするSDSUの研究者たちは、バクテリオファージが海洋生物からヒトまでのサンプルに含まれる粘液層に付着することを発見した。バクテリオファージは、粘液を生成する組織の層の上に置かれると、粘液内の糖と結合を形成した。大腸菌を粘液細胞に侵入させると、バクテリオファージは宿主のために抗菌バリアを形成して粘液中の大腸菌を攻撃し、死滅させることが観察された27。

また、粘液を作らない細胞にバクテリオファージと大腸菌を導入したところ、細胞死の割合は非粘液サンプルの3倍になった。研究チームは、この新しいモデルを「粘液へのバクテリオファージの付着（BAM）」と呼び、「ファージが多様な後生動物の粘膜表面で、宿主由来ではない抗菌防御を提供する」と説明している28。

バーは、この発見が医師によるさまざまな病気の治療法を変える可能性があると述べている。「この研究は、あらゆる粘膜表面に適用できる。我々は、BAMが腸や肺などの粘膜感染症の予防と治療に影響を与え、ファージ治療に応用され、さらにはヒトの免疫系と直接相互作用することを想定している」29。このファージ・メタゾア共生の発見により、Barrらは「メタゾアの免疫系において、世界で最も豊富な生物体が重要な役割を果たしている」と認識している30。

BAMモデルをさらに推し進める形で、RohwerとSilveiraは、PtWモデルとBAMモデルは相互に密接に関係し、マイクロバイオームの発達に重要な役割を果たしていると提案している。「BAMモデルでは、マイクロバイオームが産生するファージがムチンに付着し、侵入した細菌から下層の上皮細胞を保護する。粘液の空間的な構造は、PtWに一致するファージ複製戦略の勾配を生み出す。” ローワーとシルベイラは、粘膜の最上層では溶解性ファージが多く、細菌の少ない中間層では溶解性ファージが好まれると推測している。この仮説では、溶菌性は「ニッチへの侵入に対して常在菌に競争上の優位性を与え、溶菌感染はより深い粘膜層から潜在的な病原体を排除する」31。

ファージの移動方法

RohwerとBarrは、BAMの発見が多くの疑問を提起していることに同意している。新しい免疫システムの概念と、それが粘膜マイクロバイオーム、特に腸内マイクロバイオームで果たす役割については、さらに多くの研究が必要である。「非常に広い範囲で、どのように機能しているのかはよくわかっていない。メカニズムはよくわかっているが、一人一人の具体的な数値はまだわかっていない。

腸内細菌叢は、人間にとって最大のファージの貯蔵庫であり、ファージがある地区から別の地区へ移動する際には、さまざまなメカニズムを使用しているという証拠がある。例えば、腸管透過性の増加や「リーキーガット」と呼ばれるルートは、粘膜や血管系の層にある一種の近道で、ファージが上皮や内皮の層を迂回することを可能にする。(他にも、ファージに感染した細菌が上皮細胞に侵入する「トロイの木馬」、ウイルスのカプシドにホーミングリガンドを組み込んだ「ファージディスプレイ」、細胞が細胞膜内に物質を取り込む「エンドシストシス」によるファージ粒子の自由な取り込みなどのメカニズムが提唱されている。

バーの理論に続いて、ローワーと共同研究者たちは、バクテリオファージが上皮細胞層を越えるために使用する別のメカニズムを発見した。ヒトの細胞層を隔てて先端側と基底側の培養室を設置した実験では、上皮細胞がファージを取り込んで細胞間を移動させ、反対側の細胞表面に活性のあるファージを放出する様子が観察された33。

トランスサイトーシスにより、ファージは、血液、リンパ系、臓器、脳などのいわゆる「無菌」領域にアクセスする。研究者らは、ファージは先端から基底への輸送を好むと判断し、化学的阻害剤を用いて「ファージはエキソサイトする前にゴルジ装置を通過することが示唆される」と述べている。これらの結果から、Barrたちは、トランスサイトーシスのメカニズムによって、1日に約310億個のファージが腸から体内に移動していると推定している34。

ローワーは、血液中にファージが発見されたことで、血液中のファージ療法や敗血症の治療のためのツールになると指摘している。しかし、これはまだ「初期の段階」だと彼は注意を促している。「これは、我々がこの方法だと思っていて、たくさんの実験をして、ああ、我々は完全に間違っている、実際にはこの方法でやっているのだ、と言うようなものである。この分野は、素晴らしい発見がなされているものの、それらがどのように組み合わされているのか、まだよくわかっていないフロンティアなのである」35。

ファージ・セラピー

海洋生態学者として広い視野を持つローワーは、人間のマイクロバイオームを、豊富な栄養分で満たされた湖のような豊かな沈殿物として捉えている。赤ちゃんが生まれると、胎便が出てすぐにウイルスがやってきて、母乳には粘液に覆われたクリーム分画の球が含まれていて、ウイルスが粘液に付着するのを助けてくれるという。ローワーによると、離乳後は、複雑な微生物システムが発達し、ファージが微生物と相互作用して、各人に固有のウイルスを含む「堆積物のようなコミュニティ」が形成されるため、さらに興味深いことになる36。

ローワーによると、ウイルスは、遺伝子の水平移動や横移動を通じて、「細胞の世界に、通常は探索できないような配列塩基の束を探索する方法を与えてくれる」37。ファージは、サイトカインの減少などを通じて、炎症を減少させる役割も果たしている。ローワーによると、これはファージが細胞と直接相互作用することでも、細菌を殺すことでも起こる可能性があり、どちらの役割も果たしている証拠がある。薬剤耐性のある感染症におけるファージ治療に溶解性ファージを直接利用することは、個別化された治療に期待できるだけでなく、多くの課題を抱える新たな分野である。

2017年、学界、産業界、米海軍などの政府機関の研究者グループが協力して、68歳の糖尿病患者の治療法を開発した。この患者は壊死性膵炎で、多剤耐性（MDR）アシネトバクター・バウマンニ感染症を合併していた。有効な抗生物質がない中、米海軍の研究者とテキサスA&MのRy Youngの研究室は、患者から分離されたA. baumanniiに有効な溶解活性を持つファージを発見した。

ローワーのグループは、このファージからLPSなどの内毒素を取り除き、患者に安全に注入できるようにした。バクテリオファージを静脈内や経皮的に膿瘍腔内に導入すると、患者の下降線が逆転した。この患者（Thomas Patterson）は、A. baumannii感染症が治癒したことで健康を取り戻しただけでなく38、カリフォルニア大学サンディエゴ校の疫学者である妻（Steffanie Strathdee）と共著でこの経験をまとめた本を出版した39。

最近のCOVID-19パンデミックに加え、抗生物質耐性やMDR感染症が驚異的な勢いで増加していることから、ファージ療法は治療介入の可能性として注目されている。ファージ療法の問題点は、ある時はうまくいっても、次の時にはうまくいかないということである」とRohwer氏は言う。「このようなばらつきが生じる理由の多くはわかっているし、技術的な回避策を講じれば、もう少し良い結果が得られるだろう。しかし、それは大きな挑戦であり、多額の資金が必要となる。ファージを本格的に開発するには、何十億ドルもの費用が必要であるが、その分、大きな利益が得られる可能性がある」40。

ファージによるShigella菌のターゲティングに成功した例

大腸菌、赤痢菌、サルモネラ菌などの特定の病原体を標的にすることで、発展途上国の子どもの罹患率や死亡率を大幅に減らすことができるかもしれない。WHOは最近、発展途上国の5歳以下の子どもたちが主に感染するこれらの病原体を、新しい治療法が緊急に必要な抗生物質耐性優先病原体のリストに加えた。

MIBRCのChristina Fahertyを中心とする研究者たちは、MITのTim Luの研究室と共同で、最近、実証実験で赤痢菌の特定の株を標的とするバクテリオファージを分離した。研究者らは、単層感染モデルとして新規のヒト腸管オルガノイドを用いて、「S. flexneriに特異的なバクテリオファージは、多くの増殖条件および感染条件で効果的に細菌を死滅させることができ、潜在的には常在細菌に害を与えない」と判断した41。

腸管オルガノイド（ミニ腸）は、定期的な大腸内視鏡検査などで採取されたヒト組織に由来する腸管クリプト幹細胞から培養される。赤痢菌を標的としたバクテリオファージは、腸管オルガノイドに「感染」した後、「抗生物質耐性カセットを保有する株」を含む複数のS. flexneri株を死滅させた。さらに研究者たちは、このバクテリオファージが赤痢菌を殺す能力があることを、様々な「ブロスキルカーブ」アッセイ（抗生物質の量を増やしていく用量反応実験）や、HT-29細胞を用いた感染アッセイ、腸管オルガノイドモデルなどの伝統的なアッセイで実証した42。

Faherty氏のグループは、小児の下痢の原因となる腸内病原菌との戦いにおいて、抗生物質に代わる可能性を秘めた初期の研究を行っている。この症状は、環境性腸症や消化管への深刻なダメージ、発育不良、発達や認知の遅れ、腸内細菌叢の障害などを引き起こす可能性がある（詳細は第11章を参照）。当グループでは、新規のヒト腸管オルガノイド単層モデルを採用することで、腸内病原体に対するバクテリオファージ治療を評価するための効率的かつ安全なモデルを開発した。

ファージと自己免疫

ウイルスは自己免疫疾患と関連している。43 自己免疫疾患のリスクがある子供を対象とした前向き研究では、ファージ依存性の横方向の遺伝子導入が認められており、ファージが宿主の免疫系を変化させ、寛容から免疫反応への切り替えを指示する役割を果たしていることが示唆されている。

粘膜が無傷であれば、粘膜はファージを許容します、とRohwer氏は言う。ファージがLPSを含まず、つまり「危険信号」を出さずに入ってきた場合は、免疫系を活性化するものがない。しかし、潰瘍や腸管透過性の亢進など、何らかの侮辱を受けた場合は、LPSの量が増えるため、ファージに対して積極的な反応を示すようになる。

T1Dのリスクがある11人の子供の糞便サンプルを用いて、科学者たちは、出生から自己免疫の発症までの腸内ビロムを定義した。その結果、T1Dのリスクがある子どもは、対照群に比べて腸内細菌叢の多様性が低いことがわかり、細菌叢の特定の構成要素に関連する疾患関連DNAセグメントの変化が認められた。この研究で同定された真核生物のウイルスとバクテリオファージのコンティグは、T1D糖尿病から身を守るためのビロムの標的となりうる。

ローワーの研究室や他の共同研究者たちが採用したもう1つの革新的なアプローチは、人類と同じくらい古くから行われてきた習慣、すなわち「食事」に依拠したものだった。ランス・ボリング、ローワーらは、117種類の一般的な食品、化学添加物、植物抽出物を用いて、特定の食品がバクテリオファージ（腸内の有害な細菌のレベルを下げるウイルス）の産生を増加させることを発見した。「これは、一般的な食物成分でヒトの腸内マイクロバイオームを形成できることを示している」とRohwerは言う。「他のバクテリアに影響を与えずに特定のバクテリアを殺すことができるので、この化合物は非常に興味深いものである」45。

小さくても強靭なマイコバイオーム

ヒトのマイクロバイオームを構成する数多くの糸を解明する際には、圧倒的に細菌に焦点が当てられ、ウイルス粒子は二の次になっている。しかし、腸内細菌を含め、ヒトのマイクロバイオームを構成しているのは、ほかにも、好気性菌、真菌、寄生虫などがいる。これらの生物が健康や病気に果たす役割については、まだ解明されていない部分もある。

また、これらの生物を分析するためのデータベースや計算ツールは、まだ十分ではない。米国国立医学図書館バイオテクノロジー情報センターによると、2018年9月現在、真菌のゲノムアセンブリーは3,520件収集されているのに対し、細菌のゲノムは162,834件である46。「マイコバイオーム」、つまりヒトのマイクロバイオームにおける真菌群集の研究では、細菌の研究と同様に、個人や皮膚、肺、口腔、腸などの身体部位ごとに著しい多様性があることが明らかになっている。

今回、Andrea Nash氏らは、Human Microbiome Projectコホートの被験者から得られた317のサンプルの配列を決定し、腸内マイコバイオームの定量的なスナップショットを拡大した。研究者らは、ヒト腸内マイコバイオームは多様性に乏しく、「Saccharomyces、Malassezia、Candidaなどの酵母が優勢である」と述べている47。マイコバイオームの特徴付けには技術的な課題があり、真菌が菌糸状と酵母状の2つの状態で存在できることから、遺伝子的に同一の真菌を別の微生物として誤って分類してしまい、公開データベースを混乱させてしまった48。

Mahmoud Ghannoum氏が率いる研究チームは、大腸菌とセラチア・マルセスセンとともに、クローン病患者のカンジダ菌を、健康な家族の腸内細菌叢と比較して有意に高いレベルで発見した。この3つの微生物が一緒になってバイオフィルムを形成し、クローン病の症状の原因となる腸の炎症を悪化させることがわかった。また、クローン病患者20人の腸内細菌プロファイルには、クローン病ではない人との間に強い類似性が見られた49。

Ghannoum氏は、今回の発見が、抗真菌剤やプロバイオティクスを用いて、細菌などの成分だけでなく、真菌も含めた健全な腸内細菌のバランスを維持することで、IBDに対する新たな治療アプローチの方向性を示すものと期待している。Saccharomyces boulardiiは、感染症後や抗生物質投与後の下痢の治療に効果的に採用されている50。酵母のその他の応用例としては、Saccharomyces cerevisiaeをアンチエイジング研究における遺伝子や化学物質のスクリーニングプラットフォームとして使用することが挙げられる。酵母を使った研究では、赤ワインや地中海食に含まれるポリフェノール「レスベラトロール」など、アンチエイジングに有効な物質の発見にもつながっている。

最後に寄生虫について

原生動物や寄生虫の役割については、様々な研究結果が出ているが、将来的な治療介入の可能性は非常に高いと言える。ブラストシスチスという寄生虫が腸内環境の悪化と関連しているかどうかを議論している科学者もいれば、宿主の免疫系と蠕虫や原虫との相互作用を実証している研究者もいる。

アレルギー性疾患や炎症性疾患のリスクを低下させる治療法として、人間の免疫系と共進化した寄生虫である腸内蠕虫を腸内マイクロバイオームに再導入することが提案されている。ヒトに寄生する線虫は、T1D、多発性硬化症、潰瘍性大腸炎、不整脈などの自己免疫疾患の治療法として研究されている51。

腸内の「パラサイトーム」をシステムバイオロジーに基づいてプロファイルすることで、感染症の制御に貢献できるというValeria Marzano氏らの意見に賛同する。最近の研究では、LactobacillaceaeやClostridiaceaeのファミリーメンバーの増加が、制御性T細胞（Tregs）の活性増加と関連していることが示されている52。

古代の惨劇

WHOによると、2017年には、世界の約半数がマラリアに感染する危険性があった。マラリアは、感染したメスのアノフェレス蚊に刺されることで感染する寄生虫感染症である。同年の感染者数は2億1,900万人、死亡者数は43万5,000人で、感染者と死亡者の両方の90％以上がWHOアフリカ地域で発生している。マラリアによる重症化や死亡のリスクが最も高いのは、主にサハラ以南のアフリカで、5歳未満の子ども、妊娠中の女性、HIV/AIDS患者、免疫を持たない移住者である53。

多くの病原性ウイルスと同様に、マラリア原虫との戦いの疫学と歴史は、複雑な文化的、経済的、社会的、政治的要因と密接に絡み合っている。米国疾病管理予防センター（当初はCommunicable Disease Center）は、1946年のMalaria Control in War Areasプログラムから生まれた。米国南東部からマラリアを撲滅することが新機関の主な目標であり、マラリアに関する歴史的な記述によると、1951年までにマラリアは「米国から撲滅された」と考えられている54。しかし、WHOによると、世界の熱帯・亜熱帯地域では、5歳未満の子どもが2分に1人、マラリアで死亡している55。

マラリアの原因となる寄生虫は5種類あるが、主な犠牲者はPlasmodium falciparum（マラリア原虫）とP. vivax（マラリア原虫）である。WHOによると、アフリカ地域ではP. falciparumが99.7％を占め、東南アジアでは63％、東地中海では69％、西太平洋では72％となっている。アメリカ大陸ではP.vivaxがマラリア患者の74％を占めてた56。

世界的に見ても良いニュースがあり、予防と対策の強化により、2010年以降、世界の死亡率は29％減少した。5歳未満の子どもの死亡率は、2010年から2016年の間に推定35％減少した。殺虫剤処理された蚊帳の使用や室内への残留噴霧などのベクターコントロールが、感染を予防・削減するための主な手段である。抗マラリア薬は何十年も前から広く使用されているが、薬剤耐性は “マラリア対策における最大の障害の一つ “となっている。1950年代から1960年代にかけて、旧世代の薬剤に対する耐性が発生し、子どもの生存率の向上を逆転させてしまった57。

その後、中国の科学者たちは、伝統的な漢方薬から抽出した新しい抗マラリア化合物の探索に乗り出した。その後、中国の科学者たちは、伝統的な漢方薬から抽出された新しい抗マラリア化合物を探し、2,000年以上前から使われている伝統的な治療法を振り返って、科学者たちはチンハオ（Artemisia annua）の抗マラリア原理を分離した58。現在WHOが推奨している治療法は、アルテミシニンを中心とした併用療法であるが、第二世代の薬物療法に対しても寄生虫の耐性が高まっており、他の代替法を探すことが、世界のマラリア撲滅のための緊急の取り組みとなっている。

アノフェレスの中腸の微生物叢

腸内細菌群集が重要視されている現在、薬剤耐性マラリア治療への道を探るために腸内細菌群集を調査する科学者がいることはそれほど驚くことではない。意外なのは、彼らが人間の腸だけでなく、蚊の中腸の微生物コロニーにも注目していることだ。マラリア原虫は、昆虫の媒介体の中で複雑な発生の変遷を繰り返しており、腸内細菌叢は、中腸上皮に侵入して基底膜上でオーシストを発生させる際に、原虫の損失に寄与していると考えられている59。

人間の腸内と同様に、昆虫の腸内で見られる微生物叢は、病原体の発生に大きな影響を与える。野生の蚊や実験室の蚊の中腸に存在する特定のグラム陰性菌は、原虫の発育を抑制する作用があるとされている。ジョンズ・ホプキンス大学ブルームバーグ公衆衛生大学院の研究者たちは、包括的な機能的ゲノム解析手法を用いて、アノフェレス・ガンビエ蚊の中腸の微生物叢が「いくつかの免疫遺伝子の抗原虫効果を調節する」ことを明らかにした60。

研究者たちは、蚊を抗生物質で処理して「無菌」の昆虫グループを作り、「敗血症」または未処理の蚊に比べて、P. falciparum感染に対する感受性が有意に高かった。驚くことではないが、同じ野生のコロニーから採集された蚊には、微生物の自然変動が大きく、これが蚊のマラリア原虫に対する「寛容性」の調節に重要な役割を果たしていることがわかった。研究者たちは、RNAi遺伝子サイレンシングを用いて、自然の微生物叢と人工的に誘導した微生物叢が、自然免疫系が関与していると思われるメカニズムでマラリア原虫の発生に悪影響を及ぼすことを報告している。

Yuemei Dong氏、Fabio Manfredini氏、George Dimopoulos氏は、遺伝子特異的な抗原虫作用に関する今後の研究では、「微生物叢と蚊の原虫に対する免疫防御の複雑な相互作用も考慮すべきである」と提言している62。 原虫がヒトの宿主への感染に成功するまでに果たす複雑な発生の役割は、微生物およびゲノム免疫学においてアノフェレスの中腸の微生物叢が果たす複雑な役割と平行しているようだ。

同じ目的地に向かって異なる道を進む

腸を含む人間の体内に生息する微生物の全体像を見ると、生態系の概念に戻り、人間の健康や病気の原因について、より複雑で多次元的な説明を考えることができるようになる。最終的な目的地は同じ臨床症状であっても、そこに至るまでの道のりは異なるものになる。

バクテリア、ウイルス（溶解性と温和性の両方）、真菌、酵母、寄生虫の複雑な相互作用を調べることは、人間の健康における環境、ゲノム、食生活、経済、社会、文化などの無数の相互作用をより深く理解するために必要なステップであり、地球上の他の生物種の健康も相互に関連している。本書の第3部では、個別化医療と予防医療の議論において、このような深い理解がもたらす意味を探る。次の章では、腸内細菌叢の役割と、その免疫系へのエピジェネティックな影響について、さらに深く掘り下げていく。

6 マイクロバイオーム仮説。マイクロバイオームのエピジェネティックな役割

手を汚す

我々の幼少期は農場で過ごした。アレッシオ・ファザーノはイタリアのアマルフィ海岸沿いにある家族経営の農場で、スージー・フラハティーはメリーランド州キャロル郡の低い起伏のある丘陵地帯にある酪農場で過ごした。農場育ちの我々は、家畜やペットの毛皮や糞に含まれる微生物、沼地や小川、ティレニア海などの地元の水源に含まれる微生物、土や空気に含まれる微生物など、多様な微生物の世界に触れてた。

我々は、年長者が見守る中、家庭菜園や農園で収穫した季節の野菜を食べてた。毎日、何時間も外で過ごし、毎晩、家族が集まって大規模なディナーを楽しんだ。一般的に健康で、抗生物質の使用も少なく、家族や友人との親密な付き合いを楽しんでった。我々は知らず知らずのうちに、田舎で育った幼少期に、多様なマイクロバイオームを形成していたのである。

都市部と農村部の子どもと大人を比較したさまざまな研究では、マイクロバイオームの構成に明確な違いが見られ、都市部ではマイクロバイオームの多様性が低いことがわかっている。Josef Riedlerらによる横断的な調査では、幼少期から長期にわたって農場の動物や農場のミルクに触れる機会がないと、アレルギーや喘息などの慢性的な炎症性疾患が促進されることが明らかになっている1。

Michelle Steinらは、一戸建ての酪農場に住むアーミッシュの子どもたちの喘息やアレルギー感作の有病率が、動物との接触が少ない高度に工業化された農場に住むハッタライトの子どもたちと比較して、4～6倍低いことを明らかにした2。Till Böbelらは、標準化された実験室での心理社会的ストレス要因を用いて、ペットのいない都市環境にいる健康な若年被験者が、農場動物のいる農村環境にいる健康な若年被験者よりも大きな炎症反応を示すことを明らかにした3。

Susan LynchとHomer Bousheyは、Blaserのmissing microbes仮説（下記参照）の再来として、都市環境で免疫調節機能が低下して炎症が増加するのは、我々が何千年にもわたって共存してきた祖先の微生物への幼少期の曝露が減少したことと関係があると主張している4。Böbelらは、哺乳類の進化を通じて存在する常在微生物や環境微生物との接触によって培われた微生物の多様性が、「高所得者層、特に都市部で徐々に減少している」と述べている5。このような状況がどのように発生するかはさておき、我々の集団的な微生物の多様性が減少すると、慢性炎症性疾患、特に自己免疫への影響が懸念される。

衛生仮説の代替案

第2章で述べたように、過去30〜40年の間に先進国で慢性炎症性疾患、特に自己免疫疾患やアレルギー疾患が蔓延した原因の一つとして、衛生環境の改善による微生物への曝露の減少が考えられている。この現象は、感染症や細菌の病態に関する知識が進んだこと、そして何よりも抗生物質が進歩したことにより、ヒトの感染症が激減したことと一致している。

David Strachanは、20世紀後半に慢性炎症性疾患が急増したのは、幼少期の感染率が低下したためではないかと考えた。また、家族構成の変化や農村部から都市部への移動などの社会生活の変化や、家庭内の衛生環境の改善なども「衛生仮説」を裏付ける要因として挙げている6。

同じ疫学的現象を別の角度から捉えた研究者として、Graham Rookがいる。彼は2003年に、代替仮説とまではいかないが、補完的な仮説を提唱した。ルックは、慢性炎症性疾患の増加の真の原因は、病原体への曝露の減少ではなく、微生物との共進化に不可欠な「旧友」微生物への曝露の不足であると主張している7。

このテーマは本書でもたびたび取り上げられているが、科学者の中には、西欧諸国におけるライフスタイルの劇的な変化によって、古くからの友人である微生物が絶滅してしまったという考え方を支持する人もいる。科学者たちは、これらの失われた微生物は、西洋化された現代の集団にはもはや存在しないにもかかわらず、狩猟採集民の集団からはまだ分離できると主張している。

これらの古代微生物の絶滅とともに、現代人の人口密度の増加により、いくつかの新種の病原体が生まれている。旧友仮説によれば、これらの病原体は、人間の共進化計画に沿って宿主と相互作用することはない。むしろ、一般的な小児感染症の原因となっているこれらの病原体は、宿主を殺すか、免疫を与えるかのどちらかである。逆に、古代の微生物は、哺乳類の免疫システムとともに進化し、微生物と宿主の双方に利益をもたらす共生的な相互作用を発展させてきた。これらには、微生物へのもてなしや栄養分と引き換えに、宿主を致命的な感染から守るための免疫システムを鍛えることが含まれる。

バクテリア以外にも、古代のウイルスや寄生虫は、それらの慢性的な感染や保菌状態を作り出し、病気になるどころか、非戦の道の結果として寛容な状態、つまり免疫調節の関係を作り出すことができる。人間が、原始的な、しばしば泥だらけの環境で、土から人間の哺乳類宿主への開放的な交換を行いながら、小さく孤立した集団で生活していたのが、清潔な水、適切な下水処理、人口密度の増加などにより、より家畜的で衛生的な生活に進化したとき、微生物の生態系は、人間宿主との元来の共生構成から根本的に変化したのである。

衛生仮説にせよ、旧友の微生物の理論にせよ（相互に排他的ではない）、衛生環境の向上により、平均寿命が目に見えて伸び、1900年から約2倍になったことは議論の余地がない8。人類が予想していなかったのは、長生きはしても、必ずしも健康ではないということだった。つまり、欧米では、感染症ですぐに死ぬのではなく、生活の質に悪影響を及ぼす慢性炎症性疾患でゆっくりと死ぬようになっているのである。

病原体への適応

いくつかの研究によると、発展途上国では、さまざまな慢性炎症性疾患の発症率が欧米諸国に比べてはるかに低いことが示されている。しかし、発展途上国から先進国に移動する移民は、欧米生まれの被験者と同じリスクにさらされており、そのリスクは移動後の時間が長くなるほど高くなる10。この疫学現象をどのように機械的に解釈すればよいのだろうか。

人類の祖先が500万年から700万年前に出現した頃にまでさかのぼると、初期のヒト科動物は大家族単位で構成されていたため、相互作用はほとんどなかったと考えられる。初期の人類は孤立していたため、病原体が大規模な集団に感染する機会は少なかったと考えられる。また、遊牧生活や季節の変化により、土壌や水など周囲の環境との関わり方が異なるため、異なる環境下で繁殖する多くの生物に触れることになる。

このような狩猟採集生活の結果、共生微生物が豊富になり、病原菌にさらされることも少なくなり、集団から集団への病気の伝播も限られたものになった。約1万年前に農業が登場し、作物や動物が家畜化されたことで、この微生物の交換は環境から哺乳類の宿主へ、またその逆へと劇的に変化したのである。栄養状態の変化、動物との密接な関係、人口密度の増加は、人間の宿主と微生物の相互作用に関する生物学的な進化の計画に革命をもたらしたのである。病原体が拡散する機会が増えたのである。

第5章で取り上げたハンタウイルスや、COVID-19パンデミックの原因となったSARS-CoV-2ウイルスのように、動物から感染するズーノーシス（人獣共通感染症）が現れ始めたのである。また、この新しい生態系の現実に立ち向かうために必要な遺伝子の適応も現れ始めた。病原体にさらされる頻度が高くなっても、人間の宿主が有益な遺伝的適応をしている典型的な例として、赤血球の形や生態が変化する病気であるサラセミアの遺伝子が選択されたことが挙げられる。貧血になると、赤血球はマラリア原虫を媒介するハエに感染しにくくなり、マラリアにかかるリスクが低下する。

人間の免疫システムも、この新しい現実に適応しなければならなかった。最近の比較ゲノム研究によると、免疫反応を制御する遺伝子は、通常、ヒトという種と共進化した微生物からの正の選択の影響をより強く受けていることがわかっている。この現象の最も良い例は、第5章で紹介した蠕虫類だろう。細菌やウイルス性の病原体に比べて、これらの寄生虫は、インターロイキンやインターロイキン（IL）受容体をコードする特定のヒト遺伝子に強い圧力をかけることができる。我々の免疫系がこのように寄生虫に特化している根拠は、蠕虫が、もともと主に寄生虫にさらされていた我々の適応免疫系と同じくらい古くから存在しているという事実によって説明されるかもしれない。

ウイルス、蠕虫、そしてTh1およびTh2反応

Tリンパ球は、細胞介在性免疫やアレルギー反応などを引き起こす免疫系の化学伝達物質であるサイトカインを産生する小さな白血球である。Tヘルパー細胞（Th）と呼ばれるリンパ球のサブグループは、1986年にTim Mosmanらによって、どのサイトカインが分泌されるかによって、Th1とTh2の2つのサブグループに分類された。一般に、適応免疫系のこれらの構成要素は、異なる免疫反応も引き起こす。Th1細胞は細菌やウイルスなどの細胞内の脅威に反応して自己免疫反応を長引かせ、Th2細胞は蠕虫や細胞外の脅威に反応してアレルギー疾患と関連する11。

Th1免疫反応を引き起こす細菌やウイルスの病原体への暴露とは対照的に、Th2免疫反応を起こすことに基づいた戦略により、Th2優勢の表現型は、抗生物質の多用、欧米式の食生活やライフスタイル、都市環境、ダニやゴキブリへの反応など、現代のライフスタイルと関連することが多いことがわかっている。逆に、Th1表現型は、田舎での生活、動物との接触、大家族、保育園への早期入園、年長の兄弟の存在などと関連しているようだ。

また、Th1とTh2の反応が互いに悪影響を及ぼし合うという事実も興味深い。つまり、一方が活発になると、もう一方が抑制されるのである。これらの観察結果に基づき、当初の衛生仮説では、免疫系へのTh1刺激が不十分なためにTh2免疫系が過剰に反応し、その結果、アレルギー疾患が発症すると予想されていた。この観察結果は、衛生仮説が初期に喘息や花粉症の流行に焦点を当てたことを説明することができるが、自己免疫疾患や神経炎症疾患など、他の慢性炎症性疾患のはるかに複雑な流行を説明することはできないだろう。

この明らかな二律背反を説明できるのは、T調節細胞（トレッグ）と呼ばれるT細胞の特定のサブグループが、このTh1-Th2の「陰陽」のバランスを厳密にコントロールしているからである。Tregsの成熟と機能は、マイクロバイオームの構成と機能に大きく依存しているようだ。この観察結果に加えて、現代の清潔志向が慢性炎症性疾患の増加に影響を与えているとは言い切れないという事実もあり、慢性炎症性疾患の流行を説明する原動力としての衛生仮説や旧友仮説には、いくつかの課題がある。

清潔にすることで微生物にさらされる機会が減ったとしても、特定の環境における微生物の全体的な負荷を減らすことにはほとんど影響していないようである。我々がどんなにこだわって環境を除菌しても、微生物は空気やほこりなど、微生物の拡散に一般的に関与するあらゆる環境暴露を通じて、特定の空間に急速に再配置される。したがって、衛生状態を低下させても、慢性炎症疾患のリスクは低下しないが、感染症のリスクは大幅に増加する。

慢性炎症の引き金となるものは？

ヒトゲノム計画が始まったばかりの30年ほど前までは、慢性炎症性疾患を発症するには、遺伝的素因と環境因子への曝露が必要かつ十分である、というのが一般的な仮説であった。感染症、アレルギー性疾患、神経炎症・神経変性疾患、がん、自己免疫疾患など、どのような疾患であっても、この2つの要素は必ず関わっている。

遺伝子や環境要因は病気の種類によって異なるが、一貫しているのは、環境要因にさらされた免疫系が誤った管理をしていることである。これが慢性炎症の始まりであり、人類に影響を及ぼすすべての慢性炎症性疾患の共通点となっている。

遺伝子＋環境＝慢性炎症性疾患」という初期の仮説と平行して、これらの疾患の大規模な流行が、西欧諸国における感染症の発生率の低下と一致しているという疫学的観察があった。このことから、先進国の人々は感染症で急激に死ぬのではなく、慢性炎症性疾患でゆっくりと死ぬのではないか、という仮説が生まれた。

遺伝と環境という2つの要素だけが作用しているとすれば（そしてそれが前提であったとすれば）、この慢性炎症性疾患の流行の解釈は、2つの可能な結論を導くしかない。悲観的な見方をすれば、これらの流行は、人間が介入したことによる環境の急激な変化の結果であると解釈される。これらの変化は、人類が遺伝子の突然変異によって適応するには、1、2世代よりもはるかに長い時間を必要とするには、あまりにも早く（40～50年の間に）実現した。これは確かに方程式の一部である。

逆に、より楽観的なアプローチをとり、グラスには半分しか入っていないと考えれば、これらの慢性炎症性疾患の流行は、我々に全く異なる教訓を教えてくれる。これらの疾患の発症メカニズムは、「1つの遺伝子が発現すると、1つのタンパク質がコード化され、それが1つの疾患の発症につながる」という古典的な理論に基づいており、ヒトゲノムプロジェクトの開始を正当化する前提となってた。ヒトゲノムの謎を解き明かせば、人類のすべての病気が解決できると考えたのである。つまり、病気の遺伝子を持っていれば、どのような行動や生活をしていても、その病気を発症する運命にあるということである。

ヒトゲノム計画が完了してわかったのは、人間はそれまで考えていたよりもずっと遺伝的に初歩的な存在だということである。1つの遺伝子、1つのタンパク質、1つの病気という前提では、健康と病気のバランスの複雑さを説明できない。2万3千個の遺伝子だけでは、病気になるかどうか、いつ、なぜ病気になるかなど、人間の病態生理のすべてを説明することはできない。

むしろ、我々個人と生活環境との相互作用によって、我々は遺伝子のカードを使って、不利な遺伝子のカードにもかかわらず健康を維持し、「ゲームに勝つ」ことができるのである。あるいは、ゲームに失敗して、自己免疫疾患やその他の慢性炎症疾患などの病気を発症することもある。そうでなければ、このような疫病の拡大をどう説明すればよいのだろうか。

遺伝子が変異しないのであれば、我々は何か別の問題を抱えていることになる。ここでは、健康状態をある程度コントロールできるという意味で、グラスに半分の水が入っていると考えてみよう。その場合、パーキンソン病や乳がんの遺伝子を持っていても、その病気を発症するかどうかはライフスタイルに左右され、単なる遺伝的な宿命ではない。

共同研究者のアレッシオ・ファザーノは、時間の経過とともに、慢性炎症につながる5つの要素、すなわち「柱」があることに気づくようになった。これまでに判明している2つの要素（遺伝的素因と環境因子への曝露）のほかに、バリア機能の喪失、免疫系の過敏な反応、マイクロバイオームのバランスの乱れのすべてが、個人が慢性炎症を発症するためには必要である。慢性炎症というゲームにおいて、遺伝子や環境因子は必要ではあるが、十分ではないのである。

慢性炎症の相互作用

慢性炎症の問題を発展させるために必要な5つの柱のうち3つ目は、主に腸でのバリア機能の喪失である。人間の腸（小腸と大腸）は、長さが約8〜9メートルあり、体と外界をつなぐ最大の生理的インターフェースとなっている。人体の外表面や体腔内には、上皮細胞と呼ばれる1枚の細胞がぎっしりと並んでいる。

外界との交流がほとんどない皮膚は、人間と外界との最も目に見える接点である。これに対して腸は、外界とのより大きな、より寛容なインターフェイスとなっている。大人の腸の表面は、床に広げるとテニスコートのダブルス分に相当する。外からは見えないが、微生物や栄養分、汚染物質など、周囲の環境から入ってくるさまざまな要因とのダイナミックな相互作用を通じて、極めて重要な役割を果たしている。

腸上皮は、単層の上皮細胞によって外部環境に対するバリアを維持している。健康な腸では、ゲノムと環境の最初の2つの柱は、腸管バリアによって物理的に分離されている。このバリアーは、栄養素の吸収を可能にし、毒素や抗原などの侵入者を防御する。

「タイトジャンクション（後述）は、複雑なタンパク質ネットワークの一部で、隣接する上皮細胞の最上部をつなぎ、細胞間の空間を封鎖している。正常な状態では、食物は小腸を通過して消化され、栄養分は血流に、老廃物は大腸に移動する。もし、このタイトジャンクションが透過性になり、分別が失われると、外界からの乱雑な物質が体内に無秩序に移動し、遺伝的に慢性炎症性疾患を発症しやすい体質の人には炎症を誘発することになる。このようなバリア機能の低下を “リーキーガット “と呼ぶこともある。

炎症は必ずしも有害なものではない。炎症は必ずしも有害なものではなく、体が感染や損傷を受けたときの防御や治癒のプロセスに不可欠なものである。適切な炎症反応では、白血球が産生する因子が細菌やウイルスから細胞を保護し、敵が倒れるまで炎症を抑えることができる。

炎症と同様に、腸管透過性の調節も、不必要に悪者扱いされてきた本質的な生理機能である。理由はまだはっきりしないが、腸管透過性はリーキーガットという言葉と結びつけられ、それ以来、人体への全身的な悪影響と結びつけられるようになった。「リーキーガット症候群」は、慢性疲労症候群からがんまで、あらゆる人間の病気や症状の原因とされている。しかし、これは非常に狭い範囲での見方であり、実際にはもっと複雑な問題がある。この章の後半で、より深く掘り下げて説明する。

慢性的な炎症を引き起こす4本目の柱は、免疫系の過剰反応である。この場合、免疫系は、病原体にさらされたときなど、適切に解放されたときだけでなく、常に炎症を起こしている。そうなると、最初のきっかけがなくなっても、免疫系は炎症を抑えることができなくなる。

5つ目の柱は、おそらく最も重要な要素であるヒトのマイクロバイオームである。約30万年前にH.サピエンスが進化の舞台に登場して以来、我々は体内に生息する微生物の集合体と共進化してきた。そのため、共生関係を築くためには、常に調整が必要であり、マイクロバイオームからのエピジェネティックな影響を介したコミュニケーションによってのみ達成されるのは当然のことといえる。

遺伝子カードをどう使うかによって運命が左右されるという話に戻ると、マイクロバイオームは、遺伝子をいつ発現させるか、あるいは抑制するかを決定することでゲームの戦略を決定し、遺伝的素因から臨床結果へと移行するかどうかを決定するのである。さらに強調しておきたいのは、これら3つの柱（バリア機能の低下による腸管透過性、免疫系の亢進、マイクロバイオームの構成と機能）は、常に相互に影響し合っているということである。1つの領域（腸内細菌の異常）で現状が変化すると、別の領域（腸管透過性の亢進）に影響を及ぼす可能性がある。

出生前、周産期、出生後の環境因子は、ヒトのマイクロバイオームの組成と機能に大きな影響を与える。おそらく、これらの変化は、マイクロバイオームによる遺伝子のエピジェネティックな調節を通じて、我々が周囲の環境に素早く適応するのに役立っているのだろう。しかし、過去20〜30年の間に起こったライフスタイルや環境の急激な変化により、この可塑性は優れた資産から大きな負債へと変化している。この仮説は、本書でインタビューした専門家によって検証され、本書の中心テーマである「マイクロバイオーム仮説」を生み出した。

自然免疫と適応免疫

約10年前に提唱された「マイクロバイオーム仮説」が、今、勢いを増している。ヒトゲノムプロジェクトの結果や、ヒト遺伝学に焦点を当てた最近の出版物の増加により、細胞間バリア機能を制御する遺伝子が、さまざまな疾患の不可欠な遺伝的構成要素であることが示されている。このような証拠の増加は、特に消化管における粘膜バリア機能の喪失が、抗原輸送に大きな影響を与え、最終的に遺伝的に素因のある人に慢性炎症を引き起こす可能性を示唆している。

これまで我々は、慢性炎症の発症における免疫系の適応的な要素に主に注目してきた。適応性免疫反応は、異物または異物とみなされるものが体内に入ってきたときに生じる。適応免疫系は、この侵入者に対して、ゆっくりではあるが、抗原特異的で強力な反応を行う。この反応は、最初の出会いによって生成された免疫記憶のおかげで、次にこの特定の侵入者が体内に入ってきたときに引き起こされる。

適応免疫は、生物の進化の過程で比較的最近になって発達したと考えられているが、脊椎動物にしか見られず、親から子へと受け継がれることはない。破傷風の予防接種やその他のワクチンを接種すると、自然免疫とともに適応免疫が活性化され、迅速な免疫反応が起こり、次の感染症の原因となる病原体に対抗できるようになる12。

自然免疫反応が、治療や予防において、適応免疫反応やその高度な防御機構と同じくらい、いや、それ以上に重要であることが認識されるようになったのは、ごく最近のことである。自然免疫反応は、体内にすでに存在しており、外傷や侵入の兆候があるとすぐに活性化される。この防御機構は、化学的・物理的バリアー、血漿タンパク質、食細胞性白血球、樹状細胞やナチュラルキラー細胞などの武器を持つ「第一応答機」である。ひげそりで体を切った場合、自然免疫系は細菌感染に対抗するために白血球を送り込み、自然免疫反応に特徴的な古典的な発赤や腫れを引き起こす。

腸内細菌叢の研究が進むにつれ、慢性炎症性疾患の効果的な治療法や予防法を開発するためには、免疫反応の初期段階と、細菌叢と免疫成分とのクロストークを調べることが不可欠であることが明らかになってきた。マイクロバイオーム研究の初期段階、つまりマイクロバイオームがいかに重要であるか、どのような微生物群集がヒトのマイクロバイオームを構成しているかを知ることから、これらの生物がヒトゲノムとの相互作用を通じてどのような機能を果たしているかという、より高度な研究へと移行している。現在、我々は、宿主の遺伝子に対するエピジェネティックな圧力が、病気の素因を臨床結果にどのように変化させるかに注目している。

治療ターゲットの開発

本章で挙げた慢性炎症の原因となる5つの柱は、その炎症を和らげるための5つの異なるターゲットを提供する。第一のアプローチは、ヒトゲノムの編集である。最近、中国で2回目の出産前のヒト胚に対して遺伝子編集が行われたことからもわかるように、このアプローチには倫理的、文化的、政治的、社会的に大きな問題がある。仮にこれらの問題が解決されたとしても、慢性炎症性疾患は多因子性であるため、遺伝子編集は不可能である。何千とは言わないまでも、何百という遺伝子が関与しており、同じ病気にかかっていても、同じ機能を発揮しているにもかかわらず、各個人で異なる場合があるからである。

2つ目の柱である「環境の影響」も、追求できる対象ではない。地球温暖化対策については、社会的な合意すら得られていない。では、炎症を引き起こす可能性のあるすべての要因を軽減するために、我々の環境を変えようとしたら、どんなことが必要になるのか想像してみてほしい。農業、畜産、食品の調理・加工、旅行、大気・土壌・水の処理、エネルギーの生成など、さまざまな方法が考えられる。そのためには、献身的かつ協調的で国際的な努力が必要であるが、現時点では実現不可能である。

そこで考えられるのが、免疫反応の調整、マイクロバイオームの構成と機能の変化、腸管バリア機能の低下の抑制という3つのターゲットである。まず、バリア機能の破壊から始めて、これら3つの可能なターゲットを個別に検討してみよう。腸管透過性の欠陥をなくすためには、これらすべての経路がどのように相互作用するかを見極める必要があり、急な学習が必要である。現時点では、ゾヌリン経路を含むいくつかの経路を除いて、治療の選択肢は多くない。

粘膜バリアーの構造要素

先に述べたように、人間の体はいくつかの領域で環境と接している。腸管粘膜は、人体と外部環境との最大の接点であり、健康や病気に多くの影響を与える。腸粘膜は半透膜のような役割を果たしている。腸粘膜は半透膜のような役割を果たしており、栄養分の輸送や免疫の検出を可能にする一方で、潜在的に有害な微生物や環境抗原が内腔から全身循環に入るのを強く制限している。

この物理的バリアーはいくつかの要素で構成されている。最も重要なのは、細胞間タイトジャンクションを持つ上皮単層と、主にタンパク質で構成された粘液層の2つである。これらにはムチン（MUC）タンパク質が含まれ、その中でも最も重要で豊富なのが、杯細胞によって産生されるMUC2である。これらの2つの構成要素の主な機能は、内腔側の腸内細菌叢を、固有膜に存在する宿主の免疫細胞から分離することである。

この分離により、細菌の排除が促進され、炎症を引き起こす可能性のある微生物にさらされても、免疫細胞が不適切に作動するのを防ぐことができる。大腸では、消化器系の他の部位に比べてマイクロバイオームが豊富に存在するため、杯細胞の数が多く、厚い粘液層が形成されている。この粘液層は、内側の固い粘液層と外側の緩い粘液層に分かれている。

外側の粘液層には多数の腸内細菌が生息しているが、内側の粘液層には、腸管内腔に存在するディフェンシンや分泌型IgAの働きにより、細菌は存在していない。腸内細菌は、MUC2の多糖類をエネルギー源として利用している。したがって、多くの腸内細菌の主なエネルギー源である食物繊維が欠乏すると、ムチン分解種が拡大し、その結果、内側の粘液の分解が進み、宿主の免疫細胞との隔離が危うくなる可能性があるのだ。

粘液層が損なわれると、微生物が腸細胞の表面に到達する前に、上皮細胞の表面を覆うグリコカリックスが次の防御ラインとなる。このレベルでは、上皮細胞間の接合部が最終的な防御線となる。各腸上皮細胞は、接合タンパク質によって隣の細胞と結合しており、細菌や大きな分子の無秩序なパラセルラー輸送を防いでいる。

この接合システムを構成する3つの分子複合体（腸管内腔に面した細胞の上部から始まり、固有膜に向かって下降する）は、タイトジャンクション、アドヘンスジャンクション、デスモソームである。タイトジャンクションは、最も先端に位置するジャンクション複合体であり、細胞の先端側と基底側の両極を分離する極性システムを形成している。

共著者のアレッシオ・ファザーノは、医学部時代に「腸上皮細胞の間は閉じていて、その間を物質が移動することはできない」というドグマを学んだ。彼は、腸管上皮細胞の間は閉じていて、その間を物質が移動することはできないという教義を学んだ。1960年代に初めてタイトジャンクションという用語が使われたとき、研究者たちは、隣り合う2つの細胞の膜が融合した結果、隣り合う細胞の間の空間が完全に密閉されたと確信した。

1981年、環状アデノシン一リン酸が胆嚢の上皮タイトジャンクションの透過性を変化させることが発見され、このパラダイムが覆された13。この発見の後も、細胞間の透過性が制御されるメカニズムについては多くの議論があり、タイトジャンクションの構造についてはまだ不明であった。

1993年、日本の古瀬幹夫らによって、最初のタイトジャンクションタンパク質であるオクルーディンが発見された14。この発見は、文字通り科学と医学の両方に新しいパラダイムの扉を開いた。それ以来、タイトジャンクションを形成する約150のタンパク質が同定された。これらのタンパク質は、機能的に重複しており、これらの構造が人体の本質的な生理機能を司っていることを示している。

タイトジャンクションを調節するゾヌリンファミリー

2000年、メリーランド大学医学部のファザーノ教授らの研究チームは、現在知られている唯一の腸管透過性の生理学的調節因子であるゾヌリンを発見した。自己免疫疾患（セリアック病やT1D）の患者の血漿をプロテオミクス解析した結果、ゾヌリンファミリーの最初のメンバーはプレハプトグロビン（HP）2と同定され、ヒトHPの2つの遺伝的変異体（HP1とともに）の1つであるHP2の不活性な前駆体であると説明された15。

系統発生的に言えば、ヒトの成熟したHPは、α（アルファ）とβ（ベータ）の2つのサブユニットからなる非常に古い血漿糖タンパク質である。β鎖（36kDa）は一定であるが、α鎖はα1（〜9kDa）とα2（〜18kDa）の2つのアイソフォームが存在する。α1（～9kDa）とα2（～18kDa）の2つのアイソフォームが存在する。HP1-1ホモ接合体、HP2-1ヘテロ接合体、およびHP2-2ホモ接合体である。

このようなマルチドメイン構造にもかかわらず、現在までにHPに割り当てられている唯一の機能は、ヘモグロビン（Hb）と結合して安定したHP-Hb複合体を形成し、Hbによる酸化的組織障害を防ぐことである。一方、HPの前駆体には、これまで機能が報告されていない。哺乳類のHP mRNAの一次翻訳産物はポリペプチドで、共翻訳的に二量体化し、小胞体にある間にタンパク質分解により切断される。

一方、ゾヌリンはヒトの血清中に未切断の状態で検出され、HPの多機能性に新たな興味深い側面を加えている。HPは、小胞体でタンパク質分解されるという点で、珍しい分泌タンパク質であり、ゾヌリンが最も多く含まれる細胞分画である。

ゾヌリンが発見されて以来、腸管バリア機能の低下に伴うゾヌリンの発現量の増加が、多くの慢性炎症性疾患と関連していることが示されている。これらの疾患には、自己免疫疾患、神経変性疾患、感染症、代謝性疾患、さらには癌などが含まれる（表6.1参照）。

表6.1

ゾヌリンおよびサブユニットの構造的特性

系統解析の結果、HPは補体関連タンパク質（マンノース結合レクチン関連セリンプロテアーゼ、MASP）から進化し、そのα鎖は補体制御タンパク質（CCP：補体を活性化するドメイン）を含み、β鎖はキモトリプシン様セリンプロテアーゼ（SP）に関連することが示唆されている。それにもかかわらず、HPのSPドメインはプロテアーゼ機能に必要な必須の触媒アミノ酸残基を欠いている。構造機能解析により、このドメインが受容体の認識と結合に関与していることが示唆されている。

セリンプロテアーゼではないが、ゾヌリンはキモトリプシンと約19%のアミノ酸配列相同性を持ち、両者の遺伝子はともに16番染色体にマッピングされている。ゾヌリンは、セリンプロテアーゼの典型的な活性部位の残基であるヒスチジン-57とセリン-195を、それぞれリジンとアラニンに置換している。これらの変異により、ゾヌリンとセリンプロテアーゼは共通の祖先から進化したにもかかわらず、ゾヌリンは進化の過程でプロテアーゼ活性を失ったと考えられる。したがって、ゾヌリンとセリンプロテアーゼは、異なる生物学的機能を持つ相同なタンパク質の顕著な例である。

MASPファミリーの他のメンバーには、上皮成長因子(EGF)、肝細胞成長因子(HGF)などの一連のプラスミノーゲン関連成長因子や、細胞の成長、増殖、分化、移動、細胞間結合の破壊などに関与する因子が含まれている。ゾヌリンがMASPファミリーに属するという結論を裏付けるもう一つの要素は、このファミリーの他のプラスミノーゲン関連成長因子のメンバーと同じ受容体（EGF受容体、EGFR；後述）を共有していることである。

ゾヌリンファミリーの進化と構造生物学。第二のメンバーとしてのプロパジン

ヒトにしか存在しないα2鎖遺伝子（つまりゾヌリン）は、約200万年前に誕生したと言われている。これは、インドのヒューマノイドの染色体異常によって、ヒトとチンパンジーの系統が分かれる50万年前のことである16。ファザーノの研究室では、他の哺乳類からもゾヌリンが検出されていることから、進化の過程で突然変異率が高くなってゾヌリンの多型が頻発し、構造的・機能的に関連したゾヌリンファミリーが形成されたと考えられる。最近、ゾヌリンファミリーの新たなメンバーとして、もう一つのMASPタンパク質であるプロパージンが同定された17。急性の微生物暴露に反応して好中球、T細胞、マクロファージから放出されたプロパージンは、化学走性のアナフィラトキシンである補体（C）3aとC5aを産生し、その後、内皮の透過性を高める免疫複合体を形成する。

興味深いことに、プレHP2のゾヌリンもC3aとC5aを産生し、肺を含むいくつかの臓器で血管透過性が亢進し、COVID-19感染の最も重篤な症例で観察されるようにALIが発症する。実際、ゾヌリンとプロパジンのもう一つの顕著な共通点は、どちらもウイルス性の呼吸器感染症に関連していることである。COVID-19感染症の重症例は、ALIを引き起こす間質性肺炎を発症することが特徴であり、このことが感染患者の主な死亡原因となっている。ALIの特徴は、血漿成分が肺に漏出し、肺の拡張能力や血液とのガス交換を最適に行う能力が損なわれ、呼吸不全に陥ることである。

Fasanoらは以前、マウスモデルにおいて、ゾヌリンがALIの発症に関与していること、またゾヌリンの阻害剤であるAT1001が、液体に対する粘膜の透過性と肺への好中球の浸出を減少させることで、ALIとそれに続く死亡率を改善することを報告している18。ウイルスのライフサイクルに不可欠な酵素であるSARS-CoV-2のメインプロテアーゼ（Mpro）の結晶学的解析により、Fasano氏らは、AT1001が酵素の触媒ドメインに極めてよく結合することから、Mproの強力な阻害剤となり得ることを示す予備的データを作成した。また、in vitroの予備的研究では、AT1001の抗ウイルス活性が確認されている。これらの研究を総合すると、AT1001は、ALI/ARDSの粘膜透過性を改善する効果が十分に証明されていることに加え、Mproを阻害することで直接的な抗SARS-CoV-2効果を発揮する可能性があることが示唆される。

腸内でゾヌリンを放出する刺激

ゾヌリン放出の引き金となる腸管内部の刺激はいくつか考えられるが、Karen Lammers氏、Fasano氏らは、不均衡なマイクロバイオーム（腸内細菌の異常増殖および／または小腸細菌の過剰増殖）とグルテンへの暴露を、より強力な引き金となる2つの要因として挙げている19。

Fasanoチームは、腸内細菌にさらされた小腸がゾヌリンを分泌することを示す証拠を得た。この分泌は、小腸を分離した動物種や実験した微生物の病原性に関係なく行われた。この分泌は、細菌にさらされた小腸粘膜の内腔側でのみ起こり、その後、腸の副細胞透過性が上昇し、足場となるタンパク質ZO-1がタイトジャンクション複合体から離脱するのと同時に起こったという。このゾヌリンによる副細胞経路の開口部は、微生物を「洗い流す」防御機構であり、小腸への細菌の定着に対する宿主の自然免疫反応に寄与しているのかもしれない。

Fasano研究室では、細菌への曝露以外にも、グリアジンがゾヌリンを放出することで腸管バリア機能に影響を与えることを明らかにしている。グルテンの主要成分であるグリアジンは、プロリンとグルタミンを異常に多く含む複合タンパク質であり、哺乳類の腸内酵素では完全に消化されない。この部分消化の最終産物は、潜在的に有害な微生物にさらされた場合とよく似た宿主の反応（腸管透過性の増加、自然および適応免疫反応）を引き起こす可能性のあるペプチドの混合物である。さらに、グリアジンは、病気の状態にかかわらず、ゾヌリン依存性の腸管傍細胞透過性の増加を即座にかつ一時的に促進する。

この観察結果から、ケモカイン受容体CXCR3がグリアジンの標的となる腸の受容体であることが判明した。Fasano研究室のデータによると、CXCR3は腸上皮において内腔レベルで発現しており、セリアック病患者では過剰に発現し、グリアジンと共局在する。この相互作用は、アダプター蛋白質MyD88が受容体にリクルートされるのと同時に起こる（ゾヌリンの放出はMyD88依存的）。

また、Lammers、Fasanoらは、CXCR3欠損マウスでは、グリアジンチャレンジに反応してゾヌリンが放出されず、タイトジャンクションが分解されなかったことから、CXCR3へのグリアジンの結合が、ゾヌリンの放出とそれに続く腸管傍細胞透過性の亢進に不可欠であることを示した。研究チームは、α-グリアジン合成ペプチドライブラリーを用いて、CXCR3に結合してゾヌリンを放出する2つのα-グリアジン20マーを同定した20。

同じ仕組みを使っているが、はるかに複雑な方法で、バランスのとれていないマイクロバイオームも同じ道をたどっている。マイクロバイオームのバランスが取れていれば、抗原輸送システムがしっかりとコントロールされていることになる。

ゾヌリン遺伝子導入マウス：腸管透過性、免疫系、マイクロバイオームの密接な相互作用

本章の冒頭や本書の他の箇所で述べたように、上皮バリア、免疫系、マイクロバイオームの「インタラクトーム」が腸のホメオスタシスを維持する一方で、この相互作用が阻害されると炎症が生じる可能性がある。Zonulinトランスジェニックマウス（Ztm）は、遺伝子操作によりマウスpHP2を発現させたもので、Zonulinによる腸管透過性亢進のモデルとなっている。Ztmモデルは、抗原輸送の制御が一次的に失われることで、腸内細菌叢の構成や免疫系の発達にどのような影響を及ぼすかを理解するための、ユニークで極めて貴重なツールである。このZtmモデルは、ゾヌリンを発現し、in vivoで腸管透過性が恒常的に増加することが示されている21。

興味深いことに、Ztmの腸管透過性の欠損は、基本的な条件下では表現型に影響を及ぼさず、動物は順調に成長し、問題なく繁殖し、自然発生的な疾患も発症しない。しかし、ゾヌリンに依存した腸管透過性の本質的な増加は、腸内細菌叢の構成と免疫系の両方に決定的な影響を与えているようである。

AkkermansiaとRikenellaの比較

Fasanoの研究室で行われた便の微生物叢の分析では、Ztmの腸内細菌叢の異常が示された。健康な成人では、A. muciniphilaは腸内細菌叢の1〜3％を占めている。A. muciniphilaは、粘液層の主成分であるムチンを食べることで、腸球単層の健全性と腸上皮バリアの全体的な強化に貢献している。

A. muciniphilaの低レベルは、多くのヒトの疾患と関連しており、遺伝的および食事誘発性の肥満および糖尿病マウスの腸内細菌叢の特徴として報告されている。また、糖尿病の改善を目的とした薬物療法や外科的治療では、A. muciniphilaが明らかに増加していることから、低度の炎症を伴う疾患に対する予防効果が示唆されている。

A. muciniphilaは健康な腸の指標である。このことは、ヒトやマウスモデルの肥満や糖尿病においてRikenellaが多く存在するという知見とは対照的であり、Rikenellaは低度で非感染性の慢性的な炎症の状態と関連していると考えられる。全体として、Ztmの腸内ではA. muciniphilaが少なく、Rikenellaが豊富に存在していることから、Ztmの腸内細菌叢はより不適応で病原性の高いプロファイルに偏っていると考えられる。

常在細菌が免疫系の発達や経口耐性の確立に関与していることはよく知られている。無菌動物は免疫系が未発達であり、その異常は常在菌のコロニー化によって回復することから、免疫系の形成における微生物叢の役割が示唆される。IBD（クローン病、潰瘍性大腸炎）やセリアック病などの慢性・急性腸疾患の患者や実験モデルでは、腸内細菌の異常と腸管透過性の増加が観察されている。これらの証拠から、腸管透過性と、微生物や食物抗原の移動の増加が、免疫反応の異常や寛容性の崩壊に関与していることが明らかになっている。

粘膜における炎症性のIL-17+ヘルパーTh17細胞と抗炎症性のFOXp3+トレッグのバランスは、慢性炎症性疾患の発症に重要な役割を果たしている。IL-17を産生するCD4+RORγt+Th17細胞が病原体を排除し、組織の炎症を誘発することで宿主防御に関与する一方、腸管CD4+CD25+FOXp3+Treg細胞がTh17細胞による炎症を抑制することで、粘膜免疫応答の異常を防ぎ、口腔内寛容を確立する。小腸粘膜固有層において、常在微生物の特定の成分がTh17細胞を誘導し、抗生物質の投与によりその分化が阻害されることが明らかになっている。

Ztmマウスの悪い結果を回復させる

Ztmモデルでは、ベースラインの抗原輸送が変化しているにもかかわらず、適応免疫反応に関与する主要な免疫細胞サブセットは影響を受けていないようである。逆に、Ztmモデルでは、腸内や下行結腸の二次リンパ節に、炎症性のIL-17を産生する自然免疫細胞や自然免疫様細胞が増加しており、免疫反応の閾値が変化している可能性が示唆されている。このことから、これらのマウスでは、免疫反応の閾値が変化しており、非自己抗原に対する耐性が失われて、炎症が起こりやすくなっているのではないかと考えられた。

この仮説に沿って、Ztmは、マウスに大腸炎を誘発するデキストラン硫酸ナトリウム（DSS）などの環境刺激に対してより感受性が高い。DSSにさらされたマウスは、ゾヌリン遺伝子の発現上昇や腸管バリア機能の低下に伴い、罹患率と死亡率が上昇した（野生型マウスでは0％だったのに対し、最大で70％）23。

この有害な臨床結果は、ゾヌリン合成ペプチド阻害剤であるAT1001, Larazotide acetateを経口投与することで完全に回復した。このAT1001は、セリアック病に対するグルテンフリー食の補助的な治療法として現在臨床試験が行われている。この結果は、ゾヌリン経路が腸の透過性を制御し、耐性の喪失や炎症の発症を引き起こす役割を果たしていることを裏付けるものである。

これらのデータを総合すると、ゾヌリンによる腸管透過性の亢進と腸内での抗原輸送が、Ztmにおける免疫系の発達と微生物叢の組成を、炎症を誘発する状態へと導くことを示している。このことは、IL-17産生細胞の増加や、腸を保護する微生物種（Akkermansiaなど）の不足と、炎症を起こす微生物種（Rikenellaなど）の過剰な存在に反映されている24。

このような低品質で炎症性の偏った状態は、外因性の刺激(すなわち黄砂)があった場合に、Ztmが耐性を失い、病気につながる顕在化した炎症を起こす可能性を決定的に高める。慢性炎症性疾患の場合も同様で、遺伝的素因により上皮バリアーの機能不全や免疫系の活性化を引き起こす外因性因子が、腸内の微生物種の増殖を選択的に促進していると考えられる。このような状況下では、腸管組織の変化が悪化し、粘膜の寛容性が失われ、慢性的な炎症や臨床症状が発生する可能性がある。

免疫反応の抑制

慢性炎症性疾患の第4の柱である免疫反応の亢進を緩和する試みについては、過去数十年にわたって実施されてきたが、かなり暗い結果に終わっている。コルチゾン、免疫抑制剤、生物学的製剤など、いずれも免疫系にブレーキをかけようとする薬剤である。これらの薬はすべての人に効果があるわけではなく、効果のあるサブグループにおいても、長期的には必ずしも効果があるわけではない。患者は副作用という大きな代償を払うことになり、その中には治療目的の症状よりも有害なものもある。

これは驚くべきことではない。パーキンソン病や多発性硬化症の患者が炎症にブレーキをかけるのは、細菌性肺炎の患者にアセトアミノフェンを投与するようなものである。もちろん、熱は下がるが、数時間後には戻ってしまう。アセトアミノフェンでは、症状（発熱）を抑えることはできても、原因（感染）を根絶することはできない。そのために、ターゲットを絞った抗生物質による治療で問題を解決する。

免疫抑制剤は、治療の初期段階では効果があるが、時間の経過とともに効果がなくなる人もいる。このことは、免疫反応を標的にすることは、臨床結果につながる一連の出来事からあまりにも下流に位置する可能性があることを示している。例えば、インフリキシマブのようなTNF-α受容体阻害剤のような生物学的製剤を使って炎症の道に障害物を置いたとしても、生物学的にはこの障害物を回避する方法を見つける。我々の高度な免疫システムは、敵に遭遇したときに使用するプログラムを展開するように訓練されている。それは、ほとんどどんな犠牲を払っても敵を排除することである。

マイクロバイオームを操作する

さて、慢性炎症性疾患の最後の柱となるのが、5つ目の「マイクロバイオームの不均衡」である。このような慢性炎症性疾患の蔓延を緩和するためには、微生物を操作すること、つまりその組成と機能を調整することが、より有望であると同時に、より困難なターゲットであると考えられる。我々は、知らず知らずのうちに、バランスの悪いマイクロバイオームを持つことで、慢性炎症疾患の発生率を高めてしまった。マイクロバイオームは、慢性炎症を引き起こす免疫反応を制御する遺伝子をエピジェネティックに変化させる。

我々は同様に、マイクロバイオームをターゲットにして、それらの遺伝子の発現が変化しないようにすることで、慢性炎症を和らげることができる。マイクロバイオームを変えても、遺伝子はそのままにしておくことができるのである。その方法と、どのようなツールを使えばこの目標を達成できるかを明らかにすることが、本書の主な目的である。プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、糞便微生物移植（FMT）、その他の治療法の利用など、マイクロバイオームを操作する戦略については、第III部で説明する。

炎症の抑制

これまで述べてきたことを論理的に解釈すると、慢性炎症性疾患は一方通行であり、いったん耐性が失われると再構築できないという歴史的な仮定は、おそらく誤った仮定であることがわかる。慢性炎症を発生させることが唯一の機能である遺伝子を持つことは、進化の観点から見てどのような利点があるのだろうか。

後述するサラセミアのような遺伝子変異は、マラリア菌に感染しにくくなるという点で、罹患者に有利であることは理解できる。糖尿病や多発性硬化症のような自己免疫疾患の発症のような慢性的な炎症は、宿主に何のメリットももたらしない。つまり、自己免疫疾患のような慢性炎症疾患への罹患率が単に遺伝子変異の結果であるとすれば、これは大きなデメリットであるため、これらの個体は進化の自然淘汰によって生き残ることはできないのである。逆に、先に述べた「5つの柱の命題」では、代わりに、この慢性炎症は、免疫系を刺激して戦うように仕向ける刺激に継続的にさらされた結果であることを示唆している。そして、その刺激を取り除けば、慢性的な炎症を止めることができるのである。

セリアック病は慢性炎症疾患の典型的な例である。セリアック病は、自己免疫疾患の中で唯一、グルテンが引き金になっていることがわかっている。ほとんどの場合、グルテンを食事から排除すると、自己免疫反応が停止し、自己抗体が消失し、症状が治まり、自己免疫による腸の損傷が回復する。古典的な免疫学者の中には、セリアック病が治療できるのであれば、定義上、自己免疫疾患の中に挙げることはできないと主張する人もいるだろう。

最近まで、自己免疫は一旦寛容が破れると再構築できない一方通行のものと定義されていた。自己免疫は不可逆的であるというこの伝統的で勝手な予言に基づいて、我々は古い遺伝子-環境相互作用のパラダイムを用いて解決しようとしてきた。この方法では、何十年にもわたる熱心な研究にもかかわらず、効果的な治療法は得られていない。

前述のすべての要素を考慮し、より複雑な生態系の不可欠な一部としてのヒトという種の生物学と免疫学に関する現在の知識に基づいて、マイクロバイオーム仮説を、現在流行している慢性炎症性疾患をより論理的に説明するものとして策定することができる。第2部では、マイクロバイオーム仮説を、さまざまな人間の病気や症状に関連させながら、さらに深く掘り下げていく。

II 疾患におけるマイクロバイオームの役割

7 マイクロバイオームと腸管炎症性疾患

腸の炎症性疾患

ヒトのマイクロバイオームに関する最大の文献は腸内マイクロバイオームに焦点を当てたものであり、マイクロバイオームの異常と腸の炎症性疾患との関係に関心が高まっていることは驚くべきことではない。本章では、機能性疾患と器質性疾患の両方において、マイクロバイオームと疾患の発症との関連性がより強い証拠を示している腸の炎症性疾患をレビューする。

腸管機能性疾患

過敏性腸管症候群。昔と今

腸管機能障害は、世界中の一般人口の多くが罹患している、極めて頻度の高い多因子性疾患である。過敏性腸症候群（IBS）は、最も一般的な機能性胃腸障害であり、一般人口の10％以上が罹患していると言われている。IBSは、臨床的には、不規則な腸の動きに伴う反復性の腹痛を特徴とする異質な疾患と定義されている。

特異的で高感度なバイオマーカーがないため、IBSの診断は、ローマ基準（最新のものはローマIV基準）と呼ばれる臨床基準に基づいて行われている。これらの基準では、IBSを腸の動きに応じて、IBS下痢症（IBS-D）、IBS便秘症（IBS-C）、下痢と便秘が交互に起こるIBS混合症（IBS-M）の3つに分類している1。IBS患者は、生活の質や仕事の生産性に悪影響を及ぼすとともに、医療資源を頻繁に利用するため、負担が大きいと報告されており、米国では、直接・間接コストとして年間300億ドル以上がかかっていると言われている2。また、IBS患者は、月に平均2日間仕事を休むと報告されており、医療システムにかかるコストは、患者1人あたり年間平均7,000〜10,000ドルとされている3。

古典的には、IBSは腸脳軸機能障害の原型と考えられてた。古典的には、IBSは腸-脳軸機能障害の原型と考えられていた。心理社会的ストレスによって引き起こされる神経内分泌シグナルと消化管内のエフェクター神経との間のミスコミュニケーションが、内臓の過敏性と運動性の変化につながり、そのことが病因の一端を担っていると考えられていた。現在では、このモデルはあまりにも還元的であり、食物などの環境刺激への曝露、感染症、抗生物質治療、心理社会的事象など、さらなる要因の関与が示唆されている。

これらの要因は、遺伝的素因やエピジェネティックな変化と相まって、上皮性腸管バリアーの機能に変化をもたらす可能性がある。その結果、透過性が高まり、非自己抗原や内毒素が過剰に通過するようになり、腸管や脳の免疫・神経内分泌反応が活性化される。この一連の出来事が重なると、低悪性度の非感染性炎症が誘発され、腸内細菌叢の組成と機能に変化が生じ、最終的に腸内の分泌物や感覚運動の出力が不適切になり、古典的なIBS症状が引き起こされる。

IBSという異質な症状であっても、本書で繰り返し述べられているテーマ、すなわち、腸管透過性、粘膜免疫応答、マイクロバイオームの構成と機能には、高度に相互に影響し合う変化があることを理解することができる。IBSに対する現在の治療法の有効性が限られていることや、IBSにおける腸内細菌叢の病因的役割を示す証拠が増えていることから、この新しい知識を活用して、腸内細菌叢の操作を含む新たな治療標的を見つけることへの関心が高まっている。

腸内細菌叢とIBSの関係

IBSの発症には、細菌、ウイルス、寄生虫などの感染症にかかわらず、消化管の感染症が先行することが多いという臨床的証拠から、IBSの発症には腸内細菌叢の異常が関与している可能性が示唆されている。さらに、消化管内腔に微生物が存在することは、消化管の適切な運動機能に役立つことが示されている。

定期的に微生物にさらされている環境で飼育された動物と比較すると、無菌動物は消化管内の運動パターンが不適切に成熟していることがわかる。これは、消化管の腸管神経系の成熟と機能を制御する遺伝子の発現が変化することにより、胃排出の遅延、腸管通過時間の遅延、遊走運動複合体の減少が特徴的である。他の慢性炎症性疾患でも示唆されているように、IBSと腸内細菌叢を結びつける全体的な仮説は、腸内細菌叢の異常により、腸の透過性が高まり、エンドトキシンを含む高分子が通過し、その後、腸関連リンパ組織（GALT）が活性化して低悪性度の炎症につながると仮定している。

一方で、腸内細菌叢の特定の構成要素の量の変化とIBSとの関連性を示す、逆の結果を示す文献も急速に増えてきている。一般的な傾向としては、腸内細菌科をはじめとする「炎症を起こす」細菌の系統、属、種が増加し、ビフィズス菌や乳酸菌などの有益な微生物が減少していることが示唆されている。しかし、他の報告では、IBSではLactobacillus属が増加しているとされている。この結果は、マイクロバイオームを高い階層（科や属）で研究すると、同じ属の中でも異なる種や菌株が相反する機能を発揮する可能性があり、矛盾した結果になる可能性があるという概念を改めて示している4。

また、これらの結果は、マイクロバイオームと臨床結果を結びつけるためには、マイクロバイオームの組成よりも機能が重要であることを改めて示している。このような観点から、メタンを産生するマイクロバイオームとIBSとの関連性について考察してみたいと思う。生物学的システムの典型的な陰陽道であるが、IBS-Dではメタン生成が減少し、IBS-Cでは増加することが報告されている。

メタンと腸管運動

メタンは、古細菌群に属するメタン生成菌が産生する代謝物であり、水素をメタンに変換する能力が最も高いのはMethanobacterialesである。これらの関連性が興味深いのは、メタンが腸管運動に直接影響を与えることがメカニズム的に明らかになっていることで、メタンは腸管通過時間を遅くすることができる。また、この関連性を示唆しているのが、メタノバクテリヤ属に関連してメタンを産生するクロストリジウム属やプレボテラ属の種が豊富であるだけでなく、IBS症状の重さと相関してメタンの排出量が増加していることを特徴とするアンバランスなマイクロバイオームの観察である。

腸内細菌異常は、マイクロバイオームの組成や機能の変化だけではなく、消化管内の微生物分布が異なることで二次的に発生することもある。生理的条件下では、腸内細菌の大部分（70％以上）は大腸内に存在するが、近位の小腸では微生物の負荷はかなり限られており、近位（胃では〜101〜103コロニー形成単位（CFU）/ml）から遠位（大腸では〜1011〜1013CFU/ml）に向かって勾配が大きくなっている。この勾配は、近位腸のコロニー形成を妨げる様々な解剖学的・機能的要因によって維持されている。

例えば、経口摂取された微生物の大部分を除去する胃酸、抗菌作用を発揮する胃液や胆汁、小腸での微生物のコロニー化を防ぐ蠕動運動などである。他にも、粘膜上皮細胞の表面から微生物を遠ざけ、直接の接触を防ぐグリコカリックスやムチン、粘膜の体液性および細胞性の防御機構、ディフェンシンなどの特異的な抗菌ペプチド、微生物が多く含まれる大腸の内容物が小腸に逆流するのを防ぐ回腸弁などの解剖学的な「チェックポイント」があると考えられる。

さらに、食事、腸の運動に影響を与える処方薬や非処方薬（オピオイドを含む）、酸の抑制（H2ブロッカーやプロトンポンプ阻害薬）、アルコールの多量摂取、蠕動運動に影響を与えるストレスなど、外的要因が小腸内の微生物叢の豊富さに影響を与えることもある。内在的な保護因子の障害および/または近位腸のコロニー形成に有利な外在的な因子への暴露は、小腸細菌の過剰増殖（SIBO）につながる可能性がある。

小腸内細菌の過剰増殖

SIBOは、小腸における量的（>103-105 CFU/ml）および質的（共生種と病原種の両方の存在）な微生物の変化を特徴とする。SIBOの診断は簡単ではない。十二指腸吸引液を直接培養することは、侵襲的で技術的に難しい。また、グルコースやラクツロースの糖プローブを用いて、嫌気性発酵や細菌による水素生成、またはメタン生成菌によるメタン生成のいずれかを呼気水素検査で測定することは、標準化が不十分であり、精度も高くない。このため、一般人口におけるSIBOの有病率の正確な数値は、0％から20％と、いまだに把握できていない。同様に、IBS患者、特にIBS-D患者で報告されているSIBOの有病率は、現在の診断ツールの限界を反映して、一般的にはるかに高く、5〜80％となっている。

SIBOがIBSにおける微生物異常の一形態として病原的な役割を果たしている可能性は、特定のプロバイオティクスやリファキシミンなどの吸収の悪い抗生物質、あるいはその両方を用いてこの臨床症状を治療することの有効性によって裏付けられている。この治療法は、小腸内の微生物の多様性と豊富さをリセットし、発酵する微生物を減少させ、細菌の発酵によって発生するガスの減少に直接関連する症状（膨満感、痙攣、不規則な腸の習慣）を軽減するものである。しかし、腸の蠕動運動を変化させることで、IBSが二次的なSIBOを引き起こす可能性があることも指摘しておきたい。あるいは、これらの疾患は悪循環の中で相互に密接に関連しており、どちらが先行しているのかを特定することは困難である。

腸の有機性疾患

乳児期特有の症状

壊死性腸炎 すでに述べたように、出生時の腸内細菌叢の発達の重要性と、その発達に対するいくつかの出生前、周産期、出生後の要因の影響を考慮すると（第3章参照）、超早産児にとって適切な微生物の移植が特に重要であることは驚くべきことではない。構造的にも、機能的にも、免疫学的にも未熟な腸粘膜に、初期のコロニー形成者が初めて移植された結果、「何かがうまくいかない」という可能性は、生理学的には満期出産に比べてはるかに高い。未熟な腸とコロニー化した腸内細菌の最初の出会いによって起こりうる合併症のうち、壊死性腸炎（NEC）は、重度の罹患率と死亡率を特徴とする生命を脅かす疾患である。

新生児集中治療が大幅に改善されたにもかかわらず、NECの発生率、罹患率、死亡率は過去20年間にわたって変化していない。NECの病因に腸内細菌が関与していることは議論の余地がないため、超低出生体重児のNEC発症に関連する「マイクロバイオーム・シグネチャー」を特定するための大きな努力がなされている。Barbara Warnerらは、前向き出生コホートを用いた横断的な研究を行い、最終的にNECを発症した超早産児の「特徴的な」マイクロバイオームを明らかにした5。

これらの乳児のマイクロバイオーム解析では、ガンマープロテオバクテリア（好気的代謝から通性または義務的嫌気的代謝まで幅広く対応するグラム陰性桿菌のクラス）との良好な関連性と、クロストリジアおよびネガティブクラスの厳格な嫌気性細菌との良好な関連性が示された。NECを発症した乳幼児の消化管内に、これらの「敵対的」な入植者が存在することの説明は、いまだになされていない。おそらく、非典型的な経口摂取（遅延経腸栄養法、経管栄養法、粉ミルクの補給）や、新生児集中治療室での広域抗生物質の使用など、多くの要因がこれらの細菌の存在や生着に影響を与えていると思われる。

超未熟児に母乳を与えると、NECのリスクが低下することがわかっている。これは、母乳に含まれる母親のマイクロバイオーム、HMOの役割、免疫メディエーター、あるいはこれらすべての要因の複雑な相互作用によるものと考えられる。新生児集中治療室の異常に清潔な環境、一般的な帝王切開分娩、限られた母乳育児、両親との継続的で密接な物理的接触の欠如は、不均衡で炎症性のマイクロバイオームの確立にさらに影響を及ぼす可能性がある。

とはいえ、NECの発症には、非典型的な腸内細菌叢の存在が必要ではあるが、十分ではないかもしれない。最も可能性が高いのは、早産児の典型的な防御機構が未熟であることである。これには、非効率的な蠕動運動や細胞間上皮のタイトジャンクションタンパクの発現低下などが含まれ、通常は腸管内腔に留まっている細菌やその内毒素が腸管バリアを越えて全身の臓器や組織に到達する可能性が高くなる。このように微生物（およびその副産物）が制御されずに通過すると、過剰な炎症反応が誘発され、腸管バリアーがさらに損なわれる。この仮説は、動物モデル、胎児腸管異種移植、胎児腸管器官培養、胎児初代腸管細胞株を用いた多くの研究に基づいており、いずれも腸内コロニー形成細菌に対する異常な反応がNECの感受性に寄与していると考えられる。

具体的には、ヒトの未熟な腸球が腸内細菌のコロニー形成に反応して、炎症反応が亢進することを示唆する証拠が増えている。粘膜表面の微生物を認識するToll様受容体（TLR）は、炎症を促進する鍵となる分子と考えられている。具体的には、胎児期の腸管細胞の表面では、TLR4と、TLR4を核内因子κB（NF-κB）や活性化タンパク質転写因子を介した炎症に結びつけるシグナル伝達因子が上昇し、一方で、これらのシグナル伝達経路を阻害する遺伝子が低下していることが判明している。これらの証拠を総合すると、TLR活性化を介するコロニー化した常在細菌に対する自然免疫反応が、未熟な腸上皮細胞によって引き起こされ、それがNECの病因に寄与していることが示唆される。

この仮説は、ヒト胎児腸管オルガノイドを用いた遺伝子発現研究でも支持されており、胎児腸管オルガノイドは発育年齢に応じて、早期（妊娠15週未満）と後期（妊娠16週から22週）の2つの異なるグループに分類され、後者は成人の腸管オルガノイドに近いことが示されている6。オルガノイド由来の単層膜にLPSまたは常在する大腸菌を作用させたところ、後期胎児オルガノイドは主要な炎症性サイトカインの遺伝子発現を活性化したが、初期胎児オルガノイドはNF-κB関連機器の発現が低下したために活性化しなかった。これらのデータを総合すると、胎児期には、自然免疫反応に必要な腸管粘膜の仕組みが機能しない時期があることが示唆される。

これが、ある妊娠期間を過ぎると、胎児が子宮外での生活に耐えられなくなる理由の一つであると考えられる。その後の段階では、自然免疫系が作動して活発になり、満期を迎えた成人の腸粘膜と比較してより強固な免疫反応を起こす。この反応は、非典型的なマイクロバイオームの構成と相まって、NECの病因となる可能性がある。

環境性腸管障害 世界中の貧しい地域に住む4～24カ月の子供の多くは、栄養不良による二次的な問題と考えられている発育不良を起こしている。積極的ではあるが効果のない栄養キャンペーンにより、栄養素の不足だけがこれらの子供たちの最適な成長の原動力であることは疑わしい。発育不良の原因をより詳細に分析し、さらに感度の高い検出方法を用いることで、十分な衛生環境や清潔な水がない貧しい地域に住む幼児には、下痢を伴うか否かにかかわらず、複数の腸管感染症がより多く見られることが明らかになった。

このような重篤な病原体による負担は、発展途上国における深刻な社会的、政治的、経済的影響を伴う成長障害や認知機能障害と関連している可能性がある。また、栄養不足も一般的であり、腸内感染が成長や発育に与える影響をさらに悪化させ、栄養不良と腸内感染の「悪循環」に陥る可能性がある。

動物モデルでは、栄養不良とクリプトスポリジウムや腸内凝集性大腸菌などの腸内病原菌、さらにはバクテロイデテス属とプロテオバクテリア属が混在する特定の生物への暴露が組み合わさることで、栄養不良状態での成長障害や腸管障害がさらに悪化することが確認されている。動物モデルでは、このような状態では成長障害やマイクロバイオームの変化が見られるが、特定の混合微生物群を加えなければ腸管障害は見られなかった。環境性腸管機能障害については、第11章で詳しく説明している。

食物アレルギー アレルギー性疾患は、Th2免疫反応を特徴とする慢性炎症疾患である。アレルギー疾患は、遺伝的にアレルギー体質ではない大多数の人にとっては無害な環境誘因にさらされることで発症する。これらの症状は、皮膚の発疹やアレルギー性大腸炎などの軽度の反応から、アナフィラキシーなどの生命を脅かす症状まで様々である。

他の多くの慢性炎症性疾患と同様に、アレルギー性疾患も欧米では急速に頻度が高まっている。これらの疾患は、より頻繁に発生し、その臨床経過も根本的に変化している。特に食物アレルギーでは、以前のように生後1〜2年で自然に治ることは少なく、より長期化、重症化している。

オーストラリアの最近の統計では、オーストラリア人の3人に1人が人生のどこかでアレルギーを発症し、20人に1人が食物アレルギーを発症し、100人に1人が生命を脅かすアレルギー反応を起こすと言われている。オーストラリアの病院の入院記録によると、1994年から2004年までの10年間で、アナフィラキシーの症例は倍増しており、その割合は、5歳以下の子供では、年長の子供や大人に比べて5倍高くなっている7。このような流行の原因はまだ明らかになっていないが、最近の研究では、さまざまなアレルギー疾患を発症している乳幼児の腸内細菌叢の構成が、健康な子どもたちと比べて異なっていることが明らかになっている。

アレルギー疾患の中でも特に食物アレルギーについては、その発症に腸内細菌叢が果たす役割について多くの研究がなされているが、その中でも特に注目されているのが食物アレルギーである。食物アレルギーは、アメリカの子どもたちの約5％が罹患しており、その数は増加傾向にあり、経済的、心理的、医療的に大きな負担となっている。そのため、食品に対する耐性とアレルギー免疫反応のバランスに関わるメカニズムの研究が進んでいる。

口腔内許容量は、食品タンパク質、腸内に生息するマイクロバイオーム、および多数の免疫細胞と非免疫細胞を有する腸粘膜の間の複雑な相互作用の結果である。これらの相互作用が破綻して、臨床的な食物アレルギーにつながるメカニズムは、まだよくわかっていない。様々な食品に有害反応を示す子供たちは、ベースラインで測定した腸管透過性が増加しており、アレルギー反応によって悪化する。食物に対する耐性は主に、樹状細胞、腸上皮細胞、腸内マイクロバイオームの高度に統合された相互作用によって獲得される。樹状細胞のサブセットは、抗炎症性サイトカインを発現するTregsを誘導する能力がある。Tregsは経口耐性の獲得に重要な役割を果たしており、Tregsが機能していない子供は食物アレルギーのリスクが高くなるという。

抗原曝露のタイミングと性質の重要性は、画期的な臨床試験で証明されており、食物アレルゲンに曝露する適切なタイミングに関するこれまでのドグマに反して、ピーナッツを早期に摂取することで高リスク群の臨床的食物アレルギーの発生率が低下するという結果が得られている8。しかし、アレルギー性免疫反応ではなく寛容性の誘導に関わるメカニズムについては、まだ理解が不十分である。また、人生の早い段階で抗原が提示される時期や、一般の人々への適用性についても、知識が限られている。

研究の結果、家庭内のマイクロバイオームの多様性が高まった農場で育った子供は、喘息やアトピー性疾患のリスクが低下すること、また、人生の早い段階で抗生物質にさらされると、アレルギーを発症するリスクが高まることが明らかになった。この疫学的観察結果は、口腔内耐性の誘発にマイクロバイオームの構成と機能が果たす役割の可能性を裏付けているが、その可能性はまだ評価され始めたばかりである。

限られたデータではあるが、特定の常在微生物種が食品タンパク質に対する口腔内耐性を促進する可能性が示されている一方で、食物アレルギーでは微生物の異常が検出されることが多い。9 LachnospiraceaeやRuminococcaceaeなどの特定の科の常在菌は、SCFAを産生することが知られており、その中でも酪酸は最も研究されている。酪酸は、食物アレルギーに関連して複数の免疫細胞を介した作用を示し、マウスの大腸でTregsの数を増加させることが示されている。

しかし、これらのデータをヒトの生物学に応用することには疑問が残る。というのも、本書の他の部分で述べたように、微生物関連の結果をマウスからヒトに外挿することは、誤解を招く恐れがあるからである。食物アレルギーのある子どもを対象とした研究では、マイクロバイオームの全体的な多様性に大きな変化は見られなかったが、いくつかの細菌門型の存在量に変化が見られ、食物アレルギーとの関連が認められた10。

特に、食物アレルギーの乳児では、健康な対照群と比較して、家族レベルでClostridiaceae I族の生物が多く見られたという。Clostridium属菌の食物アレルギー予防効果を示すマウスのデータと、それとは逆の効果を示す小児のデータが明らかに二分されているのは、ヒトとマウスでは耐性が失われるメカニズムが異なるという事実から容易に説明できる。しかし、より論理的な説明は、2つのマイクロバイオーム解析が階層的なレベルで大きく異なっているという事実に関連している。ヒトの研究では家族レベルのデータしかなかったのに対し、マウスの研究では種レベルのデータが含まれていたのである。

Clostridiaceaeのような科が食物アレルギーの子どもに多く存在する一方で、経口耐性に関与する属や種が不足している可能性は十分に考えられる。この観察結果は、異なる研究を適切に比較するために、マイクロバイオームに関する文献を批判的に読むことの重要性を改めて強調している。Clostridiaceaeの増加を示した同じ研究では、IgEを介した食物アレルギーを持つ乳児では、Clostridium sensu strictoが増加していたが、Clostridium XVIII属が減少していたことが報告されている。

これらのデータを、特定の微生物群の構成要素が病原体としての役割を果たしている可能性、ひいては治療に利用できる可能性という観点から解釈するには注意が必要である。食物過敏症やアレルギーを持つ小児のマイクロバイオームに変化があることは、多くの矛盾した研究で示されているが、統一的なパターンを明らかにすることは困難である。これは、サンプル数の少なさ、横断的な分析、異なるアプローチ、そして人生の早い段階で検出される乳児のマイクロバイオームの変化が明らかに混沌としていることに起因していると考えられる。

このため、マイクロバイオームの構成と食物アレルギーとの関連性を示すためには、よりメカニズムに基づいた研究が必要である。こうした研究の一例として、Taylor Feehley氏らは、無菌マウスに健康な乳児または牛乳アレルギーの乳児の排泄物をコロニー化させた研究を行っている。この研究では、健康な乳児の細菌をコロニーに入れた無菌マウスは、牛乳アレルゲンに対するアナフィラキシー反応から保護されるのに対し、牛乳アレルギーの乳児の細菌をコロニーに入れたマウスは保護されないことが示された11。

この違いは、健常児と牛乳アレルギー児の細菌組成の違いと相関しており、この違いは移植したマウスにも持続した。興味深いことに、健康なマウスと牛乳アレルギーのコロニー形成されたマウスでは、回腸上皮のトランスクリプトームのサインも異なっていた。健康なマウスや牛乳アレルギーのコロニー形成マウスの回腸で上昇した遺伝子と、回腸の細菌を相関させることで、食物に対するアレルギー反応を防ぐクロストリジウム目のAnaerostipes caccaeという細菌の種が同定された。

このような研究は、マイクロバイオームを治療標的として活用するための適切な方法について、トランスレーショナルリサーチの必要性など、いくつかの教訓を与えてくれる。また、マイクロバイオーム研究を疾患の発症メカニズムに結びつけるためには、マイクロバイオームの分析を種レベル、理想的には菌株レベルまで深める必要がある。最後の教訓は、マイクロバイオーム研究には動物モデルが依然として有用であるということである。この事例では、マウスのヒト化モデルを用いて、特定の微生物をアレルギー反応を含む慢性炎症プロセスの誘発や防御に結びつけているが、これは前述の通りである。

全年齢対象の疾患

セリアック病 セリアック病は自己免疫疾患の中でも特異な疾患である。HLA DQ2またはDQ8、あるいはその両方との強い関連性があり、環境因子（グルテン）が知られており、疾患特異的な自己抗体は、グルテンに対する耐性が失われ、その後、この疾患を特徴づける自己免疫性腸症が発症する際の強固なバイオマーカーとして同定されている。したがって、グルテンを食事に取り入れた時期に基づいて、環境要因への曝露を注意深く追跡することができる。また、自己抗体である組織トランスグルタミナーゼに対するスクリーニングを頻繁に行うことで、グルテンに対する耐性が失われる時期を正確に特定することができる。

我々は、セリアック病という慢性炎症性疾患の中で、マイクロバイオームが病原体としての役割を果たす可能性のある疾患のリストの最上位には入れなかった。最近まで、遺伝的素因とグルテンを含む穀物の摂取が、この病気の発症に必要かつ十分であると考えられてた。しかし、このパラダイムとは相反する疫学的観察結果（他の章ですでに説明済み）から、セリアック病であっても、マイクロバイオームの組成や機能の変化が役割を果たしているのではないかという仮説が生まれた。

In vitroの研究では、微生物がグリアジンの消化、グリアジンに反応したサイトカインの産生、グリアジンによって誘発される腸上皮の透過性の増加に影響を与えることが示唆されている。大半の研究では、セリアック病患者の糞便および小腸の微生物叢の組成、構造、多様性の違いについて、年齢、病状、関連する徴候や症状に基づいて説明している。便中のSCFAのパターンで測定される関連代謝活動は、活動性セリアック病患者で変化しており、記述された微生物叢の異常と関連している。しかし、検体の採取方法、分析方法、調査対象者の年齢、疾患の状態などが異なるため、研究の比較は困難である。

遺伝的体質に関連した消化管のコロニー形成の違いも、乳児の将来的なセリアック病発症のリスクに寄与している可能性がある。DQ2ハプロタイプを持つ乳児の微生物群集は、対照群の乳児に比べて、ファーミキューテスとプロテオバクテリアが多く存在することがわかった。また、第一度近親者にセリアック病患者がいて、その遺伝子型が適合している乳児は、生後2年間の微生物相の成熟が全体的に遅れており、細菌類の割合が減少し、固着類の割合が増加していた12。

セリアック病の発症には、グルテンの摂取が必要である。グルテンの摂取は、セリアック病の発症に必要である。乳児の食事にグルテンを導入する時期は、生後6カ月と比べて12カ月の方が、セリアック病の発症を一時的に遅らせることができるが、発症を防ぐことはできない。生後16週から24週の間に乳児に少量のグルテンを摂取させても、セリアック病の有病率に影響を与えないことが示されている。グルテンの導入時期を評価した臨床研究では、病理学的にも予防的にも意味のある時期はまだ明らかになっていないが、セリアック病のリスクがある乳児では、グルテンの導入によって宿主のマイクロバイオームが変化することがわかっている。グルテンの導入により、ファーミキューテス（Firmicutes）とプロテオバクテリア（Proteobacteria）という2つの植物の存在量に顕著な変化が見られた。自己免疫疾患を発症した乳児は、セリアック病の抗体が初めて検出される前の便で乳酸シグナルが高く、これは乳酸菌種の相対的な存在量が多いことに対応していた13。

遺伝的にセリアック病を発症しやすい人とそうでない人がいる理由については、人生の早い段階での腸内細菌叢の変化を見ることで、ある程度把握することができる。Yolanda Sanz研究グループが実施したネステッドケースコントロール研究によると、健康を維持している乳児の腸内細菌叢は、時間の経過とともに細菌の多様性が増加し、Firmicutes familyが増加するという特徴が見られた。このような変化は、セリアック病を発症した乳児では検出されなかった。さらに、Bifidobacterium longumの相対的な存在感の増加は、対照群の子どもたちと関連していたが、Bifidobacterium breveとEnterococcus種の割合の増加は、セリアック病の発症と関連していた。これらの知見は、セリアック病のリスクがある乳幼児における腸内細菌叢の初期の軌跡の変化が、セリアック病の発症につながる可能性を示唆している14。

これらの知見を総合すると、自己免疫疾患発症の予測因子として、マイクロバイオームの組成と機能の特定の変化を特定できる可能性が出てきた。この点については、マイクロバイオーム研究の分野を関連性から因果関係へと移行させる上での出生コホート研究の価値に焦点を当てた第14章で説明する。

炎症性腸疾患 IBDの病因に微生物が関与していることは、長年にわたって推測されてきた。IBDの特徴である慢性炎症プロセスを引き起こす病原体を探すために多大な努力が払われてきたが、IBDの原因となる微生物を特定することはできなかった。並行して行われているIBDに関連する遺伝的形質の研究では、当初、NOD遺伝子を含む主要なパターン認識受容体の特異的な変異が同定され、有望な結果が得られた。

しかし、これらの遺伝子変異はIBD患者の一部にしか関与しておらず、遺伝的体質はこれらの疾患の発症リスクの一部を説明するに過ぎないことがわかったため、当初の興奮は一部冷めてしまった。このことは、IBDの特徴である免疫異常は、遺伝的素因に加えて、さらに別の要因によって引き起こされることを示唆している。

ここ数年、IBDの病因は、常在する微生物に対する不適切な免疫反応の結果であることを示唆する文献が増えてきている。この過大な反応は、遺伝子変異と微生物の異常の組み合わせによる二次的なものと思われる。しかし、腸内細菌叢の解析方法、疾患活動性、炎症部位、微生物叢の採取部位（便と粘膜）の違いなど、方法論的アプローチの違いにより、報告されている研究の比較は困難である。

しかし、この微生物異常は、生物多様性の低下（α-diversity）といくつかの分類群の表現の変化によって特徴づけられるという共通のテーマが浮かび上がってきた。いくつかの研究では、クローン病ではBacteroidetesとFirmicutesが増加していると報告されているが、Firmicutesのリボタイプの数は健常者に比べて減少していた。疾患活動性を考慮した場合、クローン病患者では、寛解期の患者と比較して、急性期にBacteroidetesの多様性が減少するという逆の結果が報告されている。大腸クローン病患者ではFirmicutesの多様性が高く、回腸クローン病患者では多様性が低いことが報告されており、炎症部位も微生物叢の構成に影響を与える可能性がある15。

サンプリング部位もマイクロバイオーム解析に大きな影響を与える。クローン病患者の粘膜生検と糞便サンプルを比較したところ、Enterobacteriaceae（主にE. coli）が増加し、Faecalbacteriumの多様性が減少していることが明らかになった16。

これらの変化は、微生物叢の構成の変化とIBDの病因との間に起こりうるメカニズムの関連性を示唆しているにもかかわらず、これらの研究は主に連想的、記述的なものである。また、これらの研究は、主に糞便中のマイクロバイオームサンプルに焦点を当てているため、限界がある。一方、IBDでは、粘膜マイクロバイオームが、特定の生物種を疾患の発症に結びつける上で、より重要な役割を果たす可能性がある。しかし、IBDにおいては、粘膜マイクロバイオームは特定の生物種との関連性がより高いと考えられる。このようなサンプリング部位の要因は、多くのマイクロバイオーム研究に関連しており、効果的な治療介入につながる微生物生態系の正確で完全な特性化に向けた研究の進展に影響を与える可能性がある。

生理的状況下では、大腸の微小環境は酸素が比較的不足しており、酸素はほとんどが上皮によって生成されるため、好気性細菌の増殖は、細菌が粘膜に近接して生息している場合にのみ有利になる。炎症時には、血流が増加することで二次的に酸素が増加している。このような変化は、好気性微生物の増殖と嫌気性種の減少を特徴とするマイクロバイオーム組成の変化を引き起こす。しかし、この変化は、一種の “悪循環 “の中で炎症プロセスを永続させる可能性があるとしても、IBDの原因ではなく、結果であることを指摘しておく必要がある。

小児のIBD患者における腸内細菌叢の異常に関するデータはより限られている。IBDに罹患した小児の組織における微生物叢を種レベルで分析した結果、これまで報告されていなかった2種類の癒着性侵襲性大腸菌株が同定され、これらの菌株がカルシノエンブリオニック抗原関連細胞接着分子6、腫瘍壊死因子（TNF）α、およびインターロイキン8の遺伝子／タンパク質発現の上昇と力学的に関連していることが明らかになった。コルチコステロイド非反応性の潰瘍性大腸炎患児では、Firmicutes、Verrucomicrobiae、Lentisphaeraeを含む糞便中の微生物の多様性が低下していることが明らかになった17。

最近では、メタゲノミクス解析と宿主トランスクリプトームベースのアプローチを組み合わせることで、マイクロバイオームの機能の変化が宿主の臨床結果にどのように影響するかについて、より機構的な理解が得られるようになってきた。Dirk Gevers氏らは、このアプローチを用いて、IBDと診断されたばかりで治療的介入を受けていない子どもたちのコホートを解析した。彼らは、IBDに罹患した子どもたちが、IBDに罹患していない子どもたちと比較して、異なる形で存在するさまざまな粘膜細菌を同定し、この一連の微生物がクローン病の臨床転帰を予測できることを実証した18。

さらに、これらの子どもたちの一部を対象に、宿主のRNA-seq解析を行ったところ、抗微生物デュアルオキシダーゼ（DUOX2）の発現と、クローン病で増加しているプロテオバクテリアの拡大との間に正の相関関係があること、また、リポタンパク質遺伝子APOA1の発現と、これらの患者で減少しているファーミキューテスの拡大との間に正の相関関係があることが明らかになった19。酸化ストレスとTh1表現型に有利なDUOX2の増加とAPOA1の減少というシグネチャーの組み合わせは、重度の粘膜損傷を受けた患者に多く見られることが示されている。

もちろん、これらの関連性を確認するには、大規模なコホート研究で検証する必要がある。しかし、このような研究は、宿主のゲノミクスとメタゲノミクスのデータセットを統合することを目的とした将来の研究に、確かな基盤を提供するものである。このような知見が得られれば、病気の発症に関連する宿主の免疫反応とマイクロバイオームの相互作用を十分に理解することができるようになるだろう。

8 マイクロバイオームと肥満の関係

世界的に流行している上昇率

WHOは、過体重および肥満を「健康に害を及ぼす異常または過剰な脂肪の蓄積」と定義している1。何十年もの間、臨床医は、肥満が真の疾患であるのか、単に疾患のリスク要因であるのか、あるいは運動不足やカロリー摂取過多などのライフスタイルの結果であるのかについて議論してきた。米国では、2014年に米国医師会が肥満（体格指数[BMI]が30以上）を慢性疾患として定義するという物議を醸す決定を下しており2、臨床医は様々な形の過体重や肥満の状態を診断するコードを採用している。

しかし、一般的には、肥満は道徳的または個人的な欠陥であり、恥の種であると考えられている。そのことは、体重過多や肥満の子供が痩せた子供よりも頻繁にいじめられることからもわかる。誰が、何が、この流行を長引かせているのかについては、学術的にも一般的にも大きな議論が続いており、最近では遺伝的リスク評価やマイクロバイオーム科学の進歩がその一端を担っている。

解釈の余地がないのは、過去数十年の間に肥満が驚くほど増加したことである。WHOによると、肥満は1975年以降、世界で約3倍に増加しており、世界人口のほとんどが、肥満や過体重が低体重や栄養失調よりも多くの人を殺している国に住んでいる。2016年には、19億人以上の成人が太りすぎで、6億5000万人が肥満であった。肥満の流行で特に憂慮すべき点は、小児の要素であり、WHOによると、2016年には5歳未満の4,100万人の子どもが体重過多または肥満とされている3。

肥満に関する古典的な考え方では、摂取した食物の量が原動力となる。つまり、自分が代謝できる以上の量を食べれば、肥満になるということである。しかし、今ではそれほど単純ではないことがわかっている。肥満の生物学的および環境的な側面は、遺伝的構造も含めて、同様に重要だ。好きなものを食べても太らない幸運な人もいれば、食べ物を見ただけで太ってしまう人もいる。

これまでは、これらの違いは、カロリーを消費して体型を維持する能力や、カロリーを蓄積して肥満になりやすい能力を決定する、遺伝的に決定されたメタボリックプロファイルに関係していると解釈されてきた。最近では、腸内細菌叢も、我々の代謝に影響を与え、その結果、肥満になるリスクを高める要因の一つとして注目されている。腸内細菌叢の構成と機能に影響を与える生活習慣の要因は数多くあるが、腸内細菌叢は、摂取する食物の量と質に大きく影響される。

腸内細菌叢が肥満に与える影響について、我々はMGHの同僚に注目した。Lee Kaplanは、臨床研修を受けた肝臓専門医で、MGHのObesity, Metabolism and Nutrition Institute（肥満・代謝・栄養研究所）で過体重や肥満の患者を治療し、その原因について研究している。彼のお気に入りの言葉は、彼が参加した肥満に関する初期の講演での発表者の言葉で、このテーマに対する彼の見解を表している。「肥満の研究はロケットサイエンスではなく、もっと複雑なのである」。Kaplan氏は、この慢性炎症性疾患におけるヒトマイクロバイオームの役割や、その他の肥満関連のトピックについて、自身の考えを語ってくれた4。

複雑で困難な疾患

マイクロバイオームの役割に話を移す前に、Kaplan氏は、古典的な肥満モデルを支えてきたいくつかの仮定に異議を唱えた。彼は、世界史上初めて食糧が過剰になり、今まで以上にカロリーを摂取するようになり、その結果、肥満になるという仮説に異議を唱えている。Kaplanは、現在の肥満の流行は、人類の歴史の大半で慢性的な食糧不足が続いていたのが、最近になって先進国で食糧が過剰になってきたことの結果に過ぎないという考え方に疑問を呈している5。しかしKaplanが主張するように、もし人類が一般的に消化資源の制限に悩まされてこなかったのであれば、食糧も選択肢も余っている今、何が肥満の流行を引き起こしているのだろうか？

たかがカロリー」という考え方は、人間が理想的な体重を維持するために最適な代謝平衡を達成することを目的とした、絶妙な精度の調節システムという概念とは相容れないとKaplanは言う。例えば、子供が病気になると、数キロ体重が減るが、病気が治るとすぐに元に戻る。Kaplanは、この現象は、我々の体重を確実に守るための保護メカニズムが存在することを示唆していると考えている6。

ゲノムワイド関連研究（GWAS）では、肥満と肥満度の両方に関連する250以上の遺伝子が同定されている7。Kaplanは、多くの冗長性があることから、我々が体重の恒常性を保つために進化的に決定された計画を持っていることを示唆していると指摘している8。遺伝が肥満に関与しているという事実は、同じ家族内で肥満が再発するという証拠によって裏付けられている。家族が同じような不健康な生活習慣を持っていることが、肥満の一因になっている可能性があると考えられる。しかし、動物実験やGWAS分析では、大規模なコホートをモデルにして肥満を調べており、遺伝的素因も指摘されている。

MGH、ブロード研究所、ハーバード大学医学部、英国ブリストル大学などのKaplan教授らは、2015年にある研究グループが新生児から中年までの約30万人を対象に行った研究を検証した9。Kaplan教授らは、計算アルゴリズムと大規模なデータセットを用いて、出生時から成人期までの体重および肥満の軌跡を多遺伝子的に予測するために、200万以上の一般的な遺伝子変異を用いた新しい多遺伝子予測因子を導き出し、検証し、試験を行った10。

この複雑な研究から得られた結論は、著者らが、肥満になるリスクを予測できる複数の遺伝子の存在に基づいて、一種の「遺伝子の青写真」を作成したということである。この発見は、肥満は食べる量を減らすという人間の意志の欠如にほかならないという考えと矛盾する。とはいえ、他の章で述べた非感染性の慢性炎症性疾患の流行に関しては、過去30年間に記録された肥満率の急上昇を遺伝子のせいにするのは難しいと思われる。

遺伝以外では、多くの研究者が、世界的な肥満の流行を引き起こしている現代の環境に何かがあるというKaplanの推測に同意している。Kaplanは、肥満はいくつかの複雑な要因に影響される近代化に関連した問題（下記参照）と呼んでいるが、そのリストに腸内細菌叢のバランスの悪さを加えることができる。この20年間、先駆的なマイクロバイオーム研究者たちは、肥満と栄養失調の両極端に焦点を当て、体重とカロリーのホメオスタシスにおけるマイクロバイオームの役割を研究してきた。我々は、肥満の複雑な性質についての洞察を得るために、この議論に注目している。

進化生物学と肥満

多くの人間は、人生の様々な時期に、病気や障害、自然災害による飢饉や戦争などの紛争による避難など、様々な理由で食事を摂ることができなかった。そうなると、体は蓄えていた脂肪を使い果たしてしまう。進化論的に言えば、人間は病気になったり、食糧不足に陥ったりすると、蓄えていた脂肪を代謝してエネルギーにする。非常事態を乗り切るためには、十分な量の脂肪を持っていなければならない、これが体のプログラムである。

では、感染症など、適切な食料摂取を妨げ、回復可能な状態になった場合を考えてみよう。一つの考え方として、人や動物が持っている脂肪の量は、長骨の骨折から回復するのに必要な時間を生き延びるのに十分であるとカプランは言う11。獲物にならないように身を隠し、食事もあまりとれなくなる。そのためには、ある程度の脂肪を蓄えておかなければならない。人間をはじめとする動物は、食料を調達できない状態が長く続いても、ほとんどの状況下で生きていけるように工夫されている。

であるから、脂肪が少なすぎると、進化的には不利になる。いざという時に生き残るためには、ある程度の量が必要である。しかし、脂肪を減らさないようにするための遺伝子が活性化した結果、脂肪が増えすぎてしまった場合も、進化的には不利になる。シマウマやシマリス、キリンのように、人間も種の存続を守るために正確な脂肪量を維持する絶妙な調節機構を持って進化してきた。

しかし、この200年の間に、特に産業革命の到来によって、その微妙なバランスが大きく変化してしまったのである。カプランは、食物の入手可能性という新しい方程式を使って、十分な脂肪の蓄積と過剰な脂肪のバランスを再調整するために、我々の遺伝子が十分に進化していないと主張している。「肥満から身を守るには、体に脂肪が蓄積しすぎないようにすることである。怪我をしたときや病気が長引いたときに体を守るためには十分な量が必要であるが、脂肪を蓄えることが負担になるような量ではない」12。

Kaplan氏は、妊娠を例に脂肪調整の病態生理を説明している。妊娠すると、体は脂肪貯蔵の正常な調整プログラムを利用して、より多くの脂肪を貯蔵する。妊娠と授乳が終わると、体は蓄積された脂肪を元に戻し、余分な脂肪を排出す。Kaplanは、これは急性疾患の後に失われた脂肪が蓄積されるのとは逆の現象であると指摘している13。

肥満が脂肪の異常な蓄積と定義できるのであれば、効果的な治療は授乳期の終わりや思春期の始まりに起こること、つまり過剰に蓄積された脂肪を取り除くことに似ているはずである。肥満と妊娠は、「回路モデル」としてはほとんど同じだとKaplanは言う。しかし、病態生理学的には根本的な違いがあり、特にストレスやサーカディアンリズムの乱れなどの特定の環境因子、あるいはマイクロバイオームの組成や機能に影響を与えるその他の因子に関しては、違いがある14。

近位小腸における腸内細菌叢の機能が変化すると、腸の透過性が高まることが示唆されている15。この炎症は、自然免疫反応の活性化に続いて、門脈循環を介して肝臓に広がり、最終的に肝臓に炎症を起こし、脂肪肝やT2Dに典型的な代謝異常を引き起こす16。

とはいえ、これらの代謝変化は、冗長性と代償機構を特徴とする、はるかに複雑な代謝回路の枠組みの中にある。このことは、肥満と腸内細菌叢の構成および機能との関係の研究を困難にしているだけでなく、介入可能なターゲットの特定を難しくしている。マイクロバイオーム研究の草分け的存在である同社の強固で協力的な研究ポートフォリオは、肥満と腸内マイクロバイオームの機能に関するいくつかの洞察を与えてくれる。

肥満が腸内細菌叢研究の扉を開く

ジェフ・ゴードンは、ヒトマイクロバイオーム研究の “父 “と呼ばれている。彼は、2000年代初頭、ワシントン大学で開発された無菌マウスモデルを用いて、肥満の発症における腸内細菌叢の役割に関する研究を行った先駆者である。ゴードンのチームは、肥満の原因となる遺伝子変異を持つマウスは、同じ食事をしていても、痩せている同腹のマウスとは腸内細菌の種類が異なることを明らかにした。Ruth Leyのグループは、Gordonと共同で、肥満のマウスは痩せたマウスに比べてファーミキューテスが多く、バクテロイデーテスが少ないことを報告した17。

Gordonのチームの一員であるPeter Turnbaughは、遺伝的に肥満したマウスの腸内細菌叢を、無菌の正常マウスに移植したところ、正常マウスは、痩せた動物の腸内細菌叢をもらった無菌マウスに比べて太ってしまった。2006年12月にNature誌に掲載された論文で、Gordonのグループは、腸内細菌叢の構成が肥満の結果ではなく原因であることを初めて示した18。ヒトでの研究では、Gordon、Ley、Turnbaugh、Samuel Kleinが、肥満のヒトが低脂肪食を摂取すると、腸内細菌叢が変化することを示した。この結果が同じ2006年の「Nature」誌に掲載されると、Gordonらのチームは、微生物のコミュニティが病気を引き起こす可能性があるという考えを打ち出した19。

さらにGordonのグループは、肥満の表現型の確立における腸内細菌叢の役割を明らかにするため、ヒトの双子のペアから採取した便でヒト化したマウスを用いた研究を行った。一卵性双生児の女児（片方は痩せ型、もう片方は肥満型）の便を用いて、これらの被験者の腸内細菌叢を無菌マウスに移植したのである。その結果、「肥満の双子の腸内細菌叢は、体脂肪の増加や代謝異常など、肥満のヒトの特徴をマウスに伝えたが、痩せた双子の腸内細菌叢を移植されたマウスは、より痩せて代謝的にも健康であった」と述べている20。

さらに研究者たちは、マウスが同じケージと細菌株を共有していた場合（マウスは通常、自分の糞便を食べる）、肥満の腸内細菌叢を受け取ったマウスの腸内細菌叢には、痩せ型の表現型に関連する微生物が定着していることにも気づいた。この自然なマイクロバイオーム移植実験では、痩せ型のドナーのマイクロバイオームが、肥満型のドナーのマイクロバイオームにはない機能を果たし、それが肥満の予防につながっていると考えられた21。

ゴードンの研究室で得られた知見により、「摂取カロリー」イコール「排出エネルギー」というパラダイムは大きく変化した。Kaplanは、ELEMモデル、つまり「食べる量を減らして、運動量を増やす」という方法は、太りすぎや肥満の多くの人にとって明らかに効果的ではないと述べている。22 腸内細菌叢の機能とその構成が明らかになれば、腸内細菌叢の影響を受けたエネルギーバランスの絶妙な性質が明らかになり、肥満の治療や予防のための治療的介入が成功する可能性が出てくる。

内側から見た肥満

Kaplanは、環境の変化が体内のシグナル伝達の変化につながり、それが体脂肪をコントロールする制御システムの変化を引き起こすと述べている23。適切なエネルギー源とバランスを維持する回路がどのように機能するのか、また、この回路の「マスターボード」がどこにあるのかは、熱心な研究の焦点となっている。

肥満に関連する約200の遺伝子座のうち、80％は主に脳で発現している。このことは、脳が、人間の代謝経路と外部環境との相互作用を調整する回路のマスターレギュレーターであり、最終的には肥満度をコントロールすることを目的としていることを強く示唆している。この観察結果は、腸と脳の間のクロストーク（腸脳軸）の可能性に新たな複雑さを加えている。もし、先に説明した微生物依存性の肥満が、脳によるBMIのマスターコントロールの変化と関連しているとしたら。すでに、他の末梢信号が脳の回路を介して体の代謝に影響を与えることを示す例がある。

体脂肪を制御する脳内の何百もの遺伝子座の完全なマッピングと機能は解明されていないが、この機能を制御する最も重要なインターフェースの1つが骨格筋であることはわかっている。骨格筋では、脳と通信するいくつかのサイトカインが精巧に作られている。これらのサイトカイン（またはミオカイン）の1つがイリシンである。イリシンは、ギリシャ神話の虹の女神であり、オリンパス山の神々への使者であるアイリスにちなんで名付けられた。イリシンは、脳由来神経栄養因子の発現を増加させることが明らかになっており、筋肉の再生や肥大を制御するさまざまな遺伝子の発現を促進し、運動後の有益な効果の媒介につながる24。

イリシンは筋肉細胞に存在する物質で、運動するとイリシン濃度が上昇し、エネルギー消費量が増加し、血糖値がコントロールされる。また、このミオカインは、カロリーをため込む悪い脂肪である白色脂肪を、カロリーを消費する良い脂肪である褐色脂肪に変える働きがある。褐色脂肪は、赤ちゃんや幼児に多く見られるが、大人になるとほとんど見られなくなる。褐色脂肪は、運動した場合よりも多くのカロリーを消費するため、特に健康に有益である。

このシグナル伝達経路は、活動的な生活から座ることの多い生活への移行などの環境変化を、脳がどのようにして代謝の再編成に結びつけるかを示す一例である。イリシンの産生が減少し、カロリーを蓄える白色脂肪が増加することで、肥満につながる可能性がある。要するに、肥満は単に運動量の減少やカロリー摂取量の増加、あるいはその両方によって脂肪が蓄積されるという問題ではないということである。Kaplanが言うように、肥満はもっと複雑なプロセスであり、脳と末梢のコミュニケーションが関与し、それがカロリーバランスと体格の恒常性に影響を及ぼすのである25。

この斬新な概念は、肥満に対する単純で分かりやすい解決策を求める我々の気持ちとは相反するものである。例えば、BMIをコントロールする方法の一つが食事であることは誰もが知っている。我々の体は、さまざまな方法でカロリーを排出している。カロリーの組成を変えれば、腸管粘膜にセンサーがあり、新しいカロリー組成に適応してホメオスタシスを維持することができる。例えば、腸管粘膜のセンサーは、飽和脂肪の吸収を避けたり、カロリー源である特定の糖やSCFA、デンプンなどの代謝を優先させたりすることができる。

しかし、我々の代謝機能を左右するもう1つの大きな要素は、腸内細菌叢の構成と、最も重要な機能であり、この要素は食生活に大きく影響される。言い換えれば、腸内細菌は我々が食べたものを食べているのである。食生活の変化は、マイクロバイオームの組成が変わらなくても、マイクロバイオームの機能を変化させる。食生活が変われば、メタトランスクリプトームと呼ばれるマイクロバイオームの遺伝子発現プロファイルが変化する。

このような変化がエピジェネティックに我々の代謝にどのような影響を与えるかは、未知の要素が多く、まだダイナミックな研究分野である。代謝のホメオスタシスは、宿主の生物学的特性に応じてさまざまに変化することがわかっている。環境の変化、食事の構成の変化、マイクロバイオームの構造と機能の変化などがあり、これらすべてが、BMIをどのようにコントロールするかという解釈を、以前想像していたよりもはるかに複雑なものにしている。

メカニズムの話に移る

では、肥満に関連するマイクロバイオーム研究をよりメカニズム的なレベルに移行させるためには、何が必要なのだろうか？ゴードンが行った、肥満の代謝形質を移植したマウスモデルを用いた研究を再考してみよう。彼の研究によると、マイクロバイオームの機能は、食事からカロリーを回収したり、肥満をもたらす宿主の代謝経路に影響を与えたりすることに大きく関係しているようである。

しかし、Kaplan氏が指摘するように、マウスのマイクロバイオームに関する研究のほとんどは説明的なものであり、研究者は無菌マウスで行うことのできる機能的研究をヒトで行うことはできない。ヒトでは無菌状態での研究は不可能であり、ヒトでの研究における微生物叢の移入は、無菌状態ではない環境で行われるからである。

このように、マウスを使った研究では、確かな科学的知見が得られるが、その知見が必ずしもヒトの生物学における発見と並行して、臨床応用につながるとは限らない。BMIの恒常性に関して、ヒトとマウスの生物学的な比較を見てみよう。生理的にはマウスとヒトは非常によく似ており、脂肪の蓄積を含む体重をコントロールするマウスの配線図は、確かにヒトのそれと非常によく似ている。

しかし、よく見てみると、配線図の使われ方に大きな違いがある。例えば、人間は血糖値を一定の範囲内に保つために、非常に厳密に制御された配線を持っている。ヒトは筋肉細胞で糖を運ぶことで血糖値を調節しているが、マウスは肝臓で糖新生と解糖を行っている。ヒトもマウスもこのような回路を持っているが、その違いはどちらの経路が優先的に使われるかに関係している。

なぜここまで詳しく説明するのか？Kaplanは、配線図を理解したいのであれば、マウスはその一般的な機能を研究するのに適したモデルであると述べている。しかし、その配線に影響を与えるような臨床的介入を行い、構造的な変化を調べようとすると、マウスとヒトの間にはほとんど共通点がない。「プロバイオティクスやプレバイオティクスなど、マイクロバイオームに関する主要な研究は、人間を対象としたものでなければならない」と述べている26。

肥満に関する社会経済的考察

動物モデルとヒトとのもう一つの大きな違いは、マウスを使った研究では、肥満の社会経済的要因についての知見が得られないことである。肥満という問題に真剣に取り組み、効果的な予防法や治療法を確立したいのであれば、これらの要因も方程式に含めなければならない。Kaplanは、米国では社会経済的に低いグループの方が高いグループよりも肥満の割合が高いにもかかわらず、世界中で相反するシナリオが展開されており、肥満が我々を混乱させていることを指摘している27。

歴史的に見ても、地理的に見ても、社会経済的地位と肥満の関係は変動しており、多くの社会や文化では、太りすぎは豊かさの証しとされている。中東やアフリカの特定の社会では、特に女性の肥満や過体重は、富や社会経済的地位の高さと関連している。ナイジェリア南部では、「Mbodi」（花嫁の肥育）と呼ばれる通過儀礼が行われており、花嫁候補は6週間にわたって「肥育部屋」に閉じ込められ、炭水化物や脂肪を摂取し、できるだけ動かないようにして体重を増やする。

また、世界最貧国のひとつであるアフリカ北西部のモーリタニアでは、少女に強制的に栄養を与える「レブルー」と呼ばれる習慣がある。2012年、チューレン大学の研究者は、モーリタニア人女性の20％がこの現象を経験したと報告しており、約4分の1の女性が子どもの頃に強制給餌され、しばしば殴られたり指を折られたりしたと報告していると推定している28。

Nacerdine Ouldzeidouneらの論文では、この行為に対する回答者の態度は二分されており、女性の40パーセントと男性の30パーセントが「強制給餌は少女の美しさを増す」と回答し、25パーセントが「地域社会における家族の社会的地位を高める」と述べている。逆に、40％の女性と55％の男性が「利点はない」と回答しており、強制給餌を行わない理由として最も多かったのは「健康増進」であった。著者らは、「このような文化的規範に挑戦し、モーリタニアの子どもたちの権利と福祉を守るためには、関連する介入・施行戦略が必要である」と呼びかけている29。

肥満を地理的な範囲で捉えた場合、世界中の肥満人口にはどのような共通点があるのだろうか。都市部もあれば、農村部もあり、この分布は時間の経過や場所によって変化する。しかし、世界のさまざまな地域の肥満人口に共通しているのは、社会の近代化だとKaplan氏は言う。”西洋化ではなく、近代化である。”

カプランは、現代のライフスタイルに関連する7つの要因を挙げている。肥満に関連する要因としては、睡眠不足、概日リズムの乱れ、慢性的なストレス、食品成分の変化、省力化機器、抗生物質を含む薬物、内分泌かく乱物質が挙げられている30。種としての進化の計画からいったん外れると、この場合は肥満という代償を払うことになり、健康と寿命の両方に深刻な影響を与えることになる。

トーマス・エジソンとマイクロバイオーム

これらの7つの要因の一つ一つが、腸内細菌叢の構成と機能を変化させることは、偶然ではないようである。抗生物質の過剰使用のような要因もあり、進化生物学、ライフスタイル、マイクロバイオームの構成と機能、エピジェネティクス、そして臨床結果の間に強力な相互関係があるという概念を強く示している。

Kaplan氏が体重増加との関係を調べた生活習慣の要因の一つに、睡眠不足がある。Kaplan氏によると、電球が発明されて以来、人類の睡眠時間は一晩に2時間ずつ減少しているという。”人類全体では、20％も睡眠時間が減っていることになる。” と冗談めかして言う。肥満の原因を誰かに求めるなら、トーマス・エジソンだね」と冗談めかして言っている。

Kaplan氏は、現代社会には肥満の「パーフェクトストーム」が存在すると指摘し、同氏が指摘したさまざまなライフスタイル要因に対する反応は人によって異なるとしている。肥満の条件を悪化させる環境のひとつに、医療研修がある。「研修期間中、誰もが体重を増やしたり減らしたりするようで、7つの生活習慣要因のうち5つが発生している」31。

Kaplanは、米国の人口では、食料供給の変化よりもストレスが大きな要因になっているかもしれないと指摘している。他の社会では違うかもしれない。そして、これはすべて遺伝によってもたらされる。肥満は、そうした環境因子に対する遺伝的な反応で、脳への信号が乱れることで起こる。それらの環境因子は、どのようにして脳に伝達されるのだろうか？

腸内細菌叢は、これらの環境シグナルを伝達して、肥満や代謝性疾患に関する脳の調節機能を変化させるのに最適な位置にある。つまり、マイクロバイオームは媒介者、変換者であり、もはや単なる原因ではないのである。腸内細菌叢に注目すると、生理学的には環境と宿主の間に位置し、これらのシグナルを脳に伝達する能力を持っている。腸内細菌叢が腸脳軸の相互作用に重要な役割を果たしていることは明らかであるが、これについては第10章で詳しく説明する。脳腸相関の研究者であるカリフォルニア大学ロサンゼルス校のEmeran Mayer氏らは、この分野の研究が急速に進んでいることを検証している。メイヤーとその仲間の研究者は次のように述べている。

この10年間で、脳腸軸に関する理解にパラダイムシフトが起きている。腸内細菌叢と脳との双方向の相互作用を示す証拠が急激に増加したことで、中枢神経系、消化管系、免疫系とこの新たに発見された器官とを統合した包括的なモデルが支持されている。前臨床試験や臨床試験のデータによると、機能性胃腸障害だけでなく、パーキンソン病、自閉症スペクトラム障害、不安障害、うつ病など、幅広い精神疾患や神経疾患において、新たな治療ターゲットとなる可能性が顕著に示されている32。

メイヤーと同様に、ジェフ・ゴードンは、ヒトマイクロバイオームの発見の意義を、人間の新しい臓器の発見と同じように考えている33。カプランは、この新しい研究分野を視野に入れて、次のように述べている。「先週、肝臓が発見されたばかりだとしたら、突然、肝臓とその機能についてすべてを学び、追いつかなければならないと想像してみてほしい。マイクロバイオームの場合も同じである。マイクロバイオームに関する我々の理解は非常に浅いものである」34。

Kaplanは、マイクロバイオームを肥満の原因とみなすのではなく、マイクロバイオームを信号伝達器、増幅器、あるいは「伝達者」とみなすことができると言う。「そして、これらのシグナルが果たす役割の幅と性質を明らかにすることが、今後の課題となる。あらゆる環境要因がマイクロバイオームに影響を与える可能性があるが、マイクロバイオームは完全に変換器としての役割を果たしている」35。

肥満の場合、マウスとヒトの両方から得られたデータは、この仮説を支持しているようである。これらの考察は、肥満の蔓延を遅らせる可能性を提供してくれるが、同時に、マイクロバイオームの構成と機能を操作することで肥満を治療するという「聖杯」を探す上での負債も指摘している。睡眠時間を2時間増やしたり、慢性的なストレスを解消するなど、現代のライフスタイルを変えることは、必ずしも実現可能ではないことがわかっている。プロバイオティクスやプレバイオティクスを加えて、これらの要因を緩和することで、本当に問題が解決するのだろうか？

Kaplanは、このような単純なモデルに疑問を感じている。「まず第一に、効果があることを誰も示していない」。Kaplan氏は、肥満手術とマイクロバイオームの移植により、痩せたマイクロバイオームを肥満後のマウスに移植し、体重を減らすことに成功した。「ヒトでの研究ではまだ再現できていないが、MGHではそのような研究が進行中である」とKaplan氏は述べている36。

さまざまなタイプの肥満の治療

肥満には100種類以上のタイプがあり、そのすべてが異なる制御システムを持っている、とKaplan氏は指摘している37。肥満は、がんの病理学における細胞の成長や分化と同じレベルの複雑さを持っており、多数の遺伝子や腫瘍抑制剤が作用して、何十種類もの異なる経路を生み出している。最終的な結果としてのがんを生み出すメカニズムが個人ごとに異なるため、異なる治療法が必要となる。

肥満の治療でも、同じように個人に合わせたアプローチが必要である。カプランは患者を治療する際、1つの要因だけを狙って結果を出すことはほとんどない。「ある患者には、たった1つのメカニズムが働いている可能性がある。例えば、運動だけで効果が出る人や、ストレスを減らすことで効果が出る人もいるが、そのようなケースはまれで、通常は複数のメカニズムが関与している」。大多数の肥満患者には、さまざまな治療法の組み合わせが必要である、とKaplanは述べている38。

肥満を、食べ過ぎや運動不足による単なる代謝異常と考えるのではなく、がんや自己免疫疾患のような多因子疾患と考えるよう、パラダイムの転換が必要である。それができないと、マイクロバイオームの操作であれ、すでに実施されているその他の戦略であれ、この疾患を効果的に治療するための戦略を適切に開発することができない、とKaplanは述べている。カプランは、「大規模な変革が必要であり、早期にそれを行う必要がある」と指摘している39。

早期に介入するということは、マイクロバイオームのようなメディエーターを見つける必要があるということであるが、それにはさらなるデータが必要である。Kaplanは、「プロバイオティクスで肥満を治療できるようになるまでには、まだ何年もかかるだろう」と述べている。「さらに、これらのプロバイオティクスやプロバイオティクスの組み合わせは、より多くの睡眠を必要とする人、食生活を変える必要がある人、より多くの運動をする必要がある人など、それぞれ異なるだろう」40。

マイクロバイオームが何度も教えてくれているような、治療には「一長一短」がないという教訓は、肥満にも反映されている。この病気は不均質であるため、すべてのタイプのがんを治療する薬がないのと同様に、すべてのタイプの肥満を治療するプロバイオティクスやプレバイオティクス、薬はない。

肥満についての大きな考え方

本書では、遺伝や生理的メカニズムに関して、人間は平等ではないというテーマが繰り返し登場する。肥満をはじめとするマイクロバイオームに関連した慢性炎症性疾患に罹患している患者の異質性を層別化するためのバイオマーカーを特定し、検証することは、記述的研究から新規治療介入につながる機構的研究へと移行するために必要な第一歩である、とカプランは述べている。遺伝子発現、プロテオミクス、メタボロミクス、トランスクリプトミクスなどのマルチオミクスに加えて、フィジオロジカルストラテジーを用いた戦略の開発は、集団をどのように層別するかを理解するために不可欠である。

「それができなければ、何の手掛かりもない」とKaplanは言う。もし彼に無限の資金があったとしたら、今後数十年の間にどこに資金を投入するかを考えてみよう。「これは、我々が75年間、がんの研究で行ってきたことであり、がんの種類を層別化するためのさまざまなバイオマーカーがたくさんある」41。

第2のステップは、体内で機能している包括的なプログラムを決定し、それを調整するモデルを確立することである。Kaplan氏によると、体が「最も気にしていること」は脂肪の量であるというモデルを裏付ける十分な証拠がある。脂肪の量が多すぎると、不調和が起こる。調節システムや生理システムが機能せず、脂肪の種類が間違っていたり、配置が間違っていたり、少なすぎたりした場合、体はその間違いを修正するプログラムを持っているはずである。例えば、脂肪が少なすぎると体が感じたら、脂肪を増やすためのプログラムが必要である。また、脂肪が多すぎると体が感じたら、脂肪を減らすためのプログラムが必要である42。

では、そのプログラムはどのように進められ、調整されるのだろうか？食べるときの感情、満腹感、熱発生、身体活動などの要素を考慮して、プログラムを調整する必要がある。それらすべてが何らかの形で調整されているのである。また、病気になった後、病気から回復した後にさらに脂肪を蓄えるために必要な調整プログラムとは何だろうか？余分なカロリーを排出するための調整プログラムと、それを脂肪の蓄積という形で保存するための調整プログラムが必要である。

カプランが述べたように、体液の調節は、腎臓、肝臓、汗腺、脳など、体全体で行われている。腎臓、肝臓、汗腺、脳を思い浮かべてほしい。水分過多の人は、汗をかき、尿量が増えるように調整されたプログラムがある。並行して考えると、脂肪量を増減させるプログラムは何だろうか？もし、これらの遺伝子、タンパク質、シグナルの調整に関する分子生理学を理解していれば、すべての人のすべての状態を検査するためのツールを手に入れることができるだろう。

肥満治療の将来像

今から10年後には、肥満症の治療薬として20種類の薬が開発されているかもしれない、とKaplanは言う。「半年や1年の試験を行い、プラセボ効果を考慮する。睡眠の改善や食生活の改善など、何がその薬をより効果的にするのかを確認したいのである。しかし、低脂肪食、植物性食品、パレオ食など、さまざまな食生活をしている人を対象に、さまざまな薬を2年間かけて試験することはできない」とKaplanは述べている。

「そうすれば、24時間以内にあらゆる治療法を検討し、その人に合った治療法を見つけることができる。また、これらの薬剤と同時に、肥満を緩和するものを見つけたいと考えている。それは、睡眠の改善なのか、食事なのか、低脂肪食なのか、植物性の食事なのか、などである。これこそが個別化医療の醍醐味であり、非常に補完的なアプローチであると言える。生物学と異質性を理解すれば、正しい治療にたどり着くことができるのである」44

慢性炎症性疾患におけるマイクロバイオームの役割を明らかにすることは、個別化医療、ひいては予防医療の主要な目標である。自己免疫疾患における腸内細菌叢の構成と機能的経路を明らかにすることは、次の第9章で検討するパズルの重要なピースとなる。

9 マイクロバイオームと自己免疫疾患

世界的に高まる自己免疫疾患の蔓延

非感染性の慢性炎症性疾患の病因におけるマイクロバイオームの潜在的な役割を議論する場合、自己免疫疾患は間違いなくこのパラダイムに関連した最も興味をそそられる疾患であり、同時に議論を呼ぶ疾患でもある。自己免疫疾患は、宿主の免疫系が自らの臓器、組織、細胞に対して自己攻撃を行うことに起因する、80以上の慢性的で極めて衰弱した疾患群である。これらの疾患の多くは稀な疾患であるが、米国では全体で2,000万人以上が罹患しており、他の多くの非感染性慢性炎症性疾患と同様に、先進国での罹患率は増加傾向にある。

自己免疫疾患は、その発症メカニズムの解明が不十分なため、現在のところ有効な治療法がない。自己免疫疾患の患者は、生涯にわたって病気と向き合い、炎症プロセスを改善するために免疫系にブレーキをかけることを主目的とした緩和的な治療を受ける。そのため、患者は、臓器の機能低下に伴う衰弱症状に加え、治療による免疫抑制に伴う副作用を経験する。これらの副作用は、生活の質を低下させ、仕事の生産性を低下させ、高額な医療費がかかる原因となる。自己免疫疾患の多くは女性に偏っており、これらの疾患は若年および中年の女性の主要な死因の一つとなっている。

自己免疫疾患とは、宿主の体内に正常に存在する抗原に対して、Tリンパ球とBリンパ球の両方が関与する適応免疫反応が起こるプロセスと定義されている。古典的な考え方では、このプロセスは、自己抗原と類似しているが同一ではない外部の非自己抗原（典型的には微生物由来）によって引き起こされるか（抗原模倣）、あるいは宿主細胞の損傷とそれに続く隔離された抗原の曝露によって引き起こされる（バイスタンダー効果）とされている。いずれの場合も、機能不全に陥った免疫系は、自己免疫疾患の原因となる恒久的で非可逆的な免疫攻撃を行うが、この攻撃はもはや最初のトリガーへの曝露には依存しない。

第6章ですでに述べたように、この古典的な考え方は、有害な遺伝的形質を排除する傾向のある進化生物学や、近年の自己免疫疾患の「流行」を遺伝学では説明できないという事実と対立している。自己免疫に関連する遺伝子、特にヒト白血球抗原（HLA）システムに関連する遺伝子は、一般集団に広く存在しているが、自己免疫疾患を発症するのは人口のわずかなサブグループ（約10％）にすぎない。このことは、これらの疾患の発症には環境が重要な役割を果たしていることを示唆しているが、現在のところほとんど解明されていない。

議論の余地がないのは、免疫系が関与しているということである。本書の多くの部分で、我々はすでに、免疫系の成熟と機能の形成にマイクロバイオームが果たす役割を示す証拠が増えていることを紹介した。したがって、マイクロバイオームの潜在的な役割に目を向けることは論理的であり、宿主の遺伝的素因を臨床結果にシフトさせるような、腸内マイクロバイオームの影響と、免疫系の機能を制御する遺伝子へのエピジェネティックな影響に主眼を置いている。

耐性と免疫反応の適切なバランスを長年にわたって追求していく上で、マイクロバイオームが上皮の生物学にも影響を与えることを改めて認識することが重要だ。これには、バリアー機能や、認識と感知、上皮間輸送、GALTの免疫反応の間の連続的なバランスの中で管腔内環境を感知する能力が含まれる。腸内細菌叢、上皮バリアー、免疫系の間のこのダイナミックな三角関係を乱すものは、宿主の免疫恒常性のバランスを崩し、全身の免疫の過剰活性化や疾患の発症につながる可能性がある。

自己免疫疾患では、他の慢性炎症性疾患と同様に、微生物のバランスや生態に影響を与えるあらゆる環境的トリガーによって、この摂動が開始される可能性がある。なぜなら、微生物は多種多様な生化学的活性化合物を産生することができるからである。これらの化合物には、神経伝達物質、ポリアミン、SCFA、トリプトファン由来の代謝物などがあり、特に生後1,000日の間は、免疫系の成熟と活動に影響を与え、遺伝的に感受性の高い人の自己免疫のリスクを高める可能性がある（この概念については他の章で説明する）。さらに、人生の後半にマイクロバイオームの構成と機能が変化すると、代謝ネットワークが変化して、さまざまな局所性または全身性の自己免疫疾患の発症に関連する特定の経路に影響を及ぼす可能性があるという証拠が増えている。

マイクロバイオームと特定の自己免疫疾患との関連性については、すでに議論されている（第7章 IBDとセリアック病を参照）。本章では、マイクロバイオームの構成と他の自己免疫疾患との関連を示す文献上の証拠について、現在入手可能な情報の大部分が状況証拠または間接証拠に基づいていることを念頭に置いて、レビューする。

1型糖尿病

1型糖尿病は、インスリンを分泌する膵臓のβ（ベータ）細胞が破壊されることによって起こる自己免疫疾患である。成人でも発症する可能性があることは広く知られているが、最も発症率が高いのは思春期の若者である。疫学調査によると、T1Dの世界的な有病率は1%未満と推定されている。しかし、最近の研究では、T1Dの発症率は毎年3％の割合で増加していることが示唆されている。若年層における糖尿病の環境的決定要因（The Environmental Determinants of Diabetes in the Young: TEDDY）、若年層における糖尿病自己免疫疾患研究（Diabetes AutoImmunity Study in the Young: DAISY）、およびTrialNetなどの大規模な研究では、T1Dの発症を遅らせたり、予防したりするための介入が可能になるように、環境的な誘因やバイオマーカーを特定することが目的とされている。

T1Dは、インスリンの不足により、細胞の機能に必要なグルコースの取り込みが十分に行われなくなることで発症し、最初の症状が現れる。典型的な症状としては、多尿、多飲、体重減少、疲労、高血糖などがあり、放置すると昏睡状態に陥り、最終的には死に至ることもある。糖尿病の診断には、空腹時血糖値が126mg/dL（ミリグラム毎デシリットル）以上、任意の血糖値が200mg/dL、または経口ブドウ糖負荷試験の異常が含まれる。2009年以降、米国糖尿病協会は、糖尿病診断のガイドラインを変更し、糖化ヘモグロビン値の測定を含めるようにした。これは、ヘモグロビンに付着した血中グルコースの量を反映するもので、2回の測定で6.5％以上であれば陽性と判断される。

T1Dを特徴づけ、T2Dと区別する重要な血清学的要素は、β細胞の自己抗原に対する自己抗体の存在である。膵島細胞抗体（ICA）は、T1Dの発症に関連することが最初に発見された自己抗体であった。ICAに加えて、90％以上のT1D患者がインスリン自己抗体、グルタミン酸脱炭酸酵素抗体、プロテインチロシンホスファターゼ様タンパク質を持っている。これらの自己抗体は、症状が現れる数カ月から数年前から存在し、遺伝的に影響を受けやすい人では、生後6カ月という早い時期に血清中に検出されることがあるため、本疾患の発症リスクが高い被験者を特定するためにも使用される。

T1Dの正確な病因は完全には解明されていないが、遺伝的要因と環境的要因の両方が役割を果たしていることはよく知られている。T1Dとの関連性が最も高い遺伝子座は、セリアック病と同様にHLA遺伝子座であり、遺伝的負荷の約50％を占めている。HLA DQ2遺伝子座とDQ8遺伝子座は、糖尿病に対する感受性を最も強く決定する遺伝子座であり、HLA DR4とDR3はT1Dとの関連性が示されている。DR3/DR4のヘテロ接合型が最も発症リスクが高く、次いでDR3/DR3、DR4/DR4のホモ接合型となっている。

その他、IL-2受容体α、細胞障害性Tリンパ球抗原、プロテインチロシンホスファターゼ非受容体22、細胞間接着分子1、インスリン遺伝子もT1Dとの関連が指摘されている。T1Dの発症には、遺伝的要素に加えて、環境因子が重要な役割を果たしている可能性が示唆されている。糖尿病の発症率は、遺伝だけでは説明できないほどのスピードで増加しており、これは環境の変化によるものと考えられる。

これまでに多くの環境因子の可能性が指摘されてきたが、現在までにT1Dの明確な原因物質として確認されたものはない。最も頻繁に提案されている候補は、エンテロウイルス、ロタウイルス、風疹などのウイルスである。また、ここ数十年の間に、マイクロバイオームの構成の変化が、腸管透過性を変化させ、その後の免疫系制御を変化させることで、T1Dの発症に関与していることが提唱されている。

β細胞に対する自己免疫攻撃は、糖尿病の臨床症状が現れる数年前（5年以上前）に起こる。糖尿病と診断された後でも、β細胞の機能は十分に残っている。しかし、β細胞の機能は徐々に低下し、多くの患者は数ヶ月以内に完全にインスリンを補充しなければならなくなる。糖尿病と診断された後（新規発症T1D）、残存するβ細胞機能の低下を防ぐために、免疫学的な介入が行われている。抗原特異的な治療法（インスリンおよびグルタミン酸脱炭酸酵素）は、現在のところ成功していない。

非抗原特異的治療法としては、シクロスポリン、アザチオプリン、プレドニゾン、抗胸腺細胞グロブリンなどの広範囲な免疫抑制剤があり、これらは病原性T細胞を減少または不活性化させる。しかし、その効果はわずかであり、また、これらの薬剤には短期的および長期的な毒性がある。したがって、研究者たちは、残存するβ細胞の機能を維持するだけでなく、病気の進行を止め、さらには病気を元に戻すような治療法を探し続けている。

バイオブリーディングによる糖尿病性ラットの透過性向上

T1Dの複雑な免疫学的病因の理解が深まったことで、少なくとも自己免疫の初期段階では、非自己抗原の継続的な曝露が炎症プロセスを促進するというパラダイムシフトが起きている。この発見は、T1Dの病因における腸管透過性の増加と抗原の輸送の重要性を示唆している。我々や他の研究者は、ゾヌリンの発現増加がT1Dの発症に関与していることを示した。

我々が自然にT1Dを発症するモデルであるBioBreeding diabetes-prone (BBDP)ラットを用いて行った研究では、小腸（大腸は除く）の透過性が亢進し、糖尿病の発症に少なくとも1ヶ月先行していた1。また、T1D患者の臨床的な糖尿病の発症には、透過性の亢進、免疫活性化、腸上皮の超微細構造異常などの腸管機能不全が先行していることが多い。

また、BBDPラットでは、糖尿病の臨床症状が現れる2～3週間前に起こる腸管透過性の変化が、ゾヌリン依存性であることも明らかにした3。これらの研究により、透過性の亢進は、T1Dの病態の初期段階で、組織学的な症状や明らかな臨床症状が現れる前に起こることが示された。

また、T1Dの特徴である免疫プロセスは、不可逆的な寛容性の破れではなく、継続的な抗原輸送が促進され、ゾヌリン経路を阻害すると炎症プロセスが改善されることを示唆するデータも得られた4。図9.1は、T1Dの発症における腸内細菌異常、腸管透過性、および免疫活性化を結びつける全体的な仮説を示しており、図9.2は、グルテンがT1Dにおけるゾヌリン経路の活性化を引き起こす可能性を示している。

図9.1

腸内細菌異常は、制御された抗原輸送から、タイトジャンクション関連遺伝子の発現変化に伴うゾヌリン依存性の抗原輸送増加への切り替えを引き起こす。これらの変化は、T細胞の活性化、炎症性サイトカインの産生、およびβ細胞の自己免疫の開始につながる。ゾヌリン経路を遮断すると、抗原輸送を阻止することで炎症が改善され、その後、残存するβ細胞が維持される。

図9.2

食事は腸内細菌叢の構成に影響を与える。加水分解カゼイン（グルテンフリー）食は腸内細菌叢のバクテロイデス種の数を減少させるが、糖尿病食（グルテン含有）はバクテロイデス種の数を増加させる [1]。バクテロイデス種がビフィズス菌や乳酸菌などの他の種よりも優先されるような不均衡な微生物叢が腸内に定着すると、ゾヌリン経路が活性化される [2]。これと並行して、穀物タンパク質グルテンの成分であるグリアジンは、ケモカイン受容体CXCR3（腸管上皮細胞に発現）に結合し、MyD88依存的にゾヌリン経路の活性化を誘導する[3]。加水分解カゼイン食は、CXCR3-zonulin経路の活性化を抑制する[4]。ゾヌリン経路が活性化されると、ゾヌリンの放出が増加する[5]。放出されたゾヌリンは、腸上皮表面のゾヌリン受容体に結合し、オクルディンとZO-1のリン酸化、オクルディン-ZO-1およびZO-1-ミオシンIBタンパク質間相互作用の変化、アクチン重合などのタイトジャンクションダイナミクスの変化を引き起こし、タイトジャンクションの崩壊を引き起こす[6]。タイトジャンクションの崩壊は、バリアー機能の障害につながり、内腔抗原の固有層への通過が増大し、粘膜抗原提示細胞に取り込まれて処理され、T細胞に提示される [7]。このような免疫イベントのカスケードが、最終的に自己免疫疾患を引き起こすのである[8]。

T1Dの発症において、腸管透過性の亢進を通じた腸内細菌の異常が原因となっていることは、動物モデルおよびヒトを対象とした多くの研究によって裏付けられている。現在では、T1D発症前に腸内細菌叢の変化があることを示唆する証拠が得られているが、これらの変化がどのようにT1Dにつながるのかは、まだ完全には解明されていない。T1Dの発症につながる透過性の亢進を伴う腸内細菌叢の変化は、非肥満糖尿病（NOD）マウスモデルとBBDPラットの両方で報告されている5。

このパラダイムの最も説得力のある証拠は、Marika Falconeのグループによるもので、NODマウスのT1Dモデルにおける自己免疫の発症が、粘液層構造の変化と腸管バリアの完全性の喪失に関連していることを示している。著者らは、腸管バリアとマイクロバイオームの機能が高度に相互に影響し合っていることを改めて確認し、β細胞の自己抗原に特異的なT細胞受容体を導入したBDC2.5XNODマウスで腸管バリアの完全性が損なわれると、腸管粘膜内の小島反応性T細胞が活性化され、T1Dが発症することを示した6。

腸内での膵臓反応性T細胞の活性化とそれに続く自己免疫の発症は、マウスに抗生物質を投与して内在性の常在微生物を減少させると改善された。Falcone教授のグループは、腸管バリアの連続性が失われると、微生物由来の分子が通過するようになり、その分子が腸管粘膜内の小島特異的T細胞を活性化し、その後、自己免疫性糖尿病が発症することを、エレガントでメカニズム的な方法で示した7。

具体的には、グルテンを含まない加水分解カゼイン（HC）飼料を与えたBBDPラットは、グルテンとカゼインを含む通常の飼料を与えたラットと比較して、自己免疫性糖尿病の発症率が低下することが、我々のグループによって明らかにされている8。BBDPラットでは、糖尿病予備軍の腸管透過性はゾヌリンによって媒介され、自己免疫性糖尿病発症の瞬間と負の相関を示した。BBDPラットのHC食によって誘発された腸管バリアー機能の改善は、血清ゾヌリンレベルの低下および小腸のバリアー機能と関連していた。HC食は、バリア機能に関わる重要なタイトジャンクションタンパクであるミオシン9β、クローディン（Cldn）1、Cldn2の回腸のmRNA発現を変化させた9。

これらの結果は、同じ動物モデルで行われた別の研究でも裏付けられており、自己免疫性T1Dの感受性と相関する末梢の炎症状態が、同じHC食によって抑制されることが示された。具体的には、標準的なシリアル食を与えたBBDPラットでは、炎症性膵島のトランスクリプトームや微生物抗原の曝露に伴う細胞ケモカインの発現など、炎症性の転写発現プロファイルが特徴的であった。この炎症性プロファイルは，これらの動物をHC食に離乳させることで改善されたが，HC食にグルテンを導入することで再燃した。これらの動物のマイクロバイオーム解析では、以前に報告された変化のモチーフが再現されていた。それは、Firmicutes/Bacteroidetes比の変化であり、通常食を与えられたBBDPラットでは減少し、HC食を与えられたラットでは増加し、乳酸菌と酪酸産生菌の相対的な存在量が二次的に増加していた10。

ヒト臨床試験における細菌の多様性の低下

Firmicutes/Bacteroidetes比の変化については、同様の証拠がヒトでも報告されており、Firmicutes/Bacteroidetes比の減少やT1D発症前のマイクロバイオーム機能のシフトは、生活習慣と関連していると考えられている。Marcus de Goffauらの研究では、T1D発症前の段階（膵島自己抗体が陽性であるが、まだグルコース耐性がある）のリスクの高い子どもは、低リスクの自己抗体陰性の子どもと比較して、異なる細菌の多様性を示していた11。

同様の結果は、過去10年間でT1Dの有病率が急速に増加している中国でも報告されている13。同様の結果は、過去10年間でT1Dの有病率が急速に増加している中国でも報告されている13。これらの研究の多くは、腸内細菌叢を門レベルで分析し、主にバクテロイデーテス属の増加に伴うバクテロイデーテス／フォルミキューテスの変化、時にはクロストリディア属の増加に伴う変化を記述するという限界がある。

Bacteroidetes門に属する微生物がT1Dの発症を促進するメカニズムは、いくつかの研究仮説の対象となっている。その中には、腸粘膜のバリア機能を変化させる効果や、自己免疫に「ブレーキをかける」役割を持つサブグループであるTregsへの免疫細胞の分化に影響を与える効果が含まれている。推測の域を出ないが、より機構的な研究としては、メタゲノム解析、さらにはメタプロテオミクス解析を行い、マイクロバイオームの組成と機能を、T1Dの発症に関与する可能性のある経路と関連付ける研究がある。これらの研究の1つは、発症したばかりのT1Dを対象に行われ、宿主由来のタンパク質と微生物由来のタンパク質の結果を、自己抗体陽性の被験者（プレクリニカルT1D）、自己抗体陰性の低リスク被験者、および健常対照者と比較している14。

その結果、膵外分泌機能、炎症、腸管粘膜バリア機能に関連する宿主タンパク質の有病率に有意な変化が見られた。興味深いことに、宿主-マイクロバイオームの統合解析を行ったところ、発症したばかりのT1D患者では、粘膜バリアーや膵外分泌機能の維持に関わる宿主タンパク質に関連する特定のマイクロバイオーム分類群が枯渇していることがわかったという。これらの結果を総合すると、腸管バリア機能、炎症、膵外分泌機能に関連する特定の機能障害は、遺伝的に素因のある宿主とバランスのとれていないマイクロバイオームとの相互作用の結果であり、これらの機能障害は、T1Dに進行する人の前臨床段階で検出可能であることが示唆された。

多発性硬化症

多発性硬化症（MS）は、中枢神経系の自己免疫疾患であり、神経炎症性の脱髄疾患である。全世界で250万人以上の若年成人が罹患しているこの疾患は、CNSを標的とする免疫細胞の不適切な活性化の結果として生じる。臨床的には、ほとんどの場合、急性炎症の再燃とそれに続く寛解期を示し、いわゆる再発寛解型MS（RRMS）と呼ばれている。しかし、時間の経過とともに神経変性が進行し、寛解期が少なくなり、やがて消失する二次性進行性のMSを発症することがある。また、まれに、神経炎症の進行に伴って障害が増加し、寛解期がない一次進行型（PPMS）と呼ばれるMSもある。

これらの異なる臨床症状は、新しい神経画像や神経免疫学、神経病理学の技術とともに、MSが単一の臨床疾患ではなく、むしろ神経変性疾患のスペクトラムであることを示唆している。MSは、その臨床的異質性と、すべての自己免疫疾患の中で遺伝的要素が最も少ない疾患であるという事実から、環境因子がその発症の原動力として浮上している。MSの発症メカニズムがはっきりしない中で、研究者たちは、年齢、性別、家族歴、感染症、人種、気候、環境、喫煙など、さまざまな環境要因がこの疾患に関与していることを示唆している。とはいえ、この神経変性疾患の正確なメカニズムは、まだ十分に解明されていない。

MSの発症に関与する重要なステップを知るための最良の手がかりは、動物モデルから得られる。主に実験的自己免疫性脳脊髄炎（EAE）動物モデルは、MSの臨床モデルとして最も広く使用されている。EAEは確立されたMSのマウスモデルであり、MSの主な免疫反応、すなわちCNSの神経細胞を覆うミエリン保護層に対するCD4+T細胞を介した自己免疫攻撃を再現している。

よく知られているように、腸内細菌叢は、宿主の粘膜免疫の成熟と機能を形成する上で極めて重要な役割を果たしている。実際、無菌状態で飼育されたマウスは、CD4+ Tヘルパー細胞の分化とバランスを含むGALTの成熟を促進するのに必要な微生物の刺激が不足しているため、免疫不全の表現型を示す。その結果、無菌環境で育てたマウスや抗生物質を投与したマウスは、より攻撃性の低い疾患を示した15。

EAEを引き起こす上での特定のマイクロバイオーム成分の機構的役割は、これらの動物を特定の細菌種またはその生物学的産物、あるいはその両方にさらした結果によって裏付けられている。例えば、腸内でIL-17サイトカインの産生を引き起こすことが知られている分節性糸状菌を無菌マウスに移植すると、CNSでもIL-17A産生CD4 + T細胞（Th17）が誘導され、その後EAEが発症することが示されている16。

逆に、腸内常在菌Bacteroides fragilisの莢膜多糖である精製多糖類A（PSA）をマウスに経口投与すると、予防的にも治療的にも脱髄過程から保護された17。ナイーブな樹状細胞をPSAにさらすと、ナイーブなCD4+T細胞がIL-10を産生するFOXP3(+)Treg細胞に変換された。

最後に、神経保護効果を発揮する腸内細菌叢の役割について、CD44ノックアウトマウスモデルが新たな機序を示した。このモデルでは、炎症を起こす病原性のTh17細胞から、抗炎症性で寛容性を誘導するTreg細胞へのシフトが見られ、それによってマウスがEAEから保護された18。このシフトは腸内細菌叢に依存しており、CD44KOマウスから感受性の高いCD44野生型マウスへの糞便移植がEAEに対して保護的な役割を果たしていることからも明らかである。

ヒトにおけるMSの研究

MSの病因における腸内細菌叢の役割については、マウスモデルを用いた研究だけでなく、ヒトにおいても、主に腸内細菌叢の異常に関連した細菌叢の構成に焦点を当てた研究が行われている。MSに罹患した日本人患者を対象とした研究では、対照群と比較して相対量が有意に変化した21種が同定され、そのうち19種はMSサンプルで顕著な減少を示したが、そのうち14種はクロストリディア・クラスターXIVaおよびIVに属していた19。酪酸は、大腸Tregsの誘導に関連した抗炎症作用を示すことが明らかになっているため、クロストリジウムの酪酸生産者の大部分が減少することは、MSの病因の一因となることが考えられる。

16S rRNAシーケンシングを用いた別の研究では、MSにおけるマイクロバイオームの変化が示され、MethanobrevibacterとAkkermansiaの増加とButyricimonasの減少が特徴的であった20。これらの変化は、循環T細胞および単球におけるDC成熟、インターフェロンシグナル、NF-kBシグナル伝達経路に関与する遺伝子の発現の変化と相関していた。2番目のコホートのMS患者では、対照群と比較して呼気メタンの上昇が見られ、1番目のコホートで確認されたMS患者における腸内メタノブレビバクターの増加の観察結果と一致していた。

MS患者におけるAkkermansia muciniphilaの増加は、別の研究でも確認されており、この微生物がヒト末梢血単核細胞および単クローンマウスに炎症反応を誘発することが示されている21。興味深いことに、同じ研究では、MS患者から無菌マウスに微生物叢を移植した場合、健常対照者の微生物叢をヒト化したマウスと比較して、実験的自己免疫性脳脊髄炎の症状が重篤化し、IL-10+ Tregsの割合が減少することが示されている。このような研究は、報告されている腸内細菌叢の異常がMSの病因に関与していることを示す上で重要であり、単なる結果論ではない。

動物モデルとヒト患者の両方で得られた知見の中心テーマを要約すると、MSの病態生理に腸内細菌叢が与える影響には、組成、代謝、腸管透過性、ホメオスタシス、免疫系の調節など、量的・機能的な変化が含まれる。

関節リウマチ

関節リウマチ(RA)は、関節を主な炎症の標的とする自己免疫疾患であり、口腔粘膜、肺、消化管などの他の部位にも全身的に炎症が及ぶことがある。他の多くの自己免疫疾患と同様に、RAの病因は多因子性であり、最近では腸内細菌叢の役割が示唆されている。22 また、多くのRA患者が臨床的または潜在的な胃腸障害を抱えているという臨床観察からも、腸内細菌叢の潜在的な役割が支持されているようである。

他の多くの慢性炎症性疾患と同様に、RAの前臨床段階では、腸内細菌叢、宿主因子、および環境刺激の相互作用により、腸管透過性の増加、抗原輸送の促進、および粘膜免疫寛容の最終的な破壊が起こるという仮説が立てられている。非自己抗原に対する寛容性と免疫力の均衡は、この腸管透過性の亢進によって崩れる可能性があり、多くの場合、抗原の吸収を促進し、RAを含むいくつかの免疫介在性疾患の持続と増悪に寄与すると考えられる。

関節リウマチに影響を与える腸のメカニズム

他の章でも同じように強調されているように、腸管透過性の調節に影響を及ぼすバリアーのタイトネスとバリアーの機能的完全性に影響を及ぼす可能性のある2つの大きな要因は、食事と腸内細菌叢である。RAに限って言えば、腸内細菌叢の異常は、宿主の免疫系とその機能に影響を及ぼす可能性のある以下のような様々なメカニズムと関連している。

樹状細胞を含む抗原提示細胞（APC）の活性化。樹状細胞は、サイトカインの粘膜微小環境と抗原提示の両方に影響を与え、その結果、T細胞の分化と機能に影響を与えることで、宿主の免疫反応に影響を与える。

ペプチジルアルギニンデイミナーゼ（PAD）の酵素作用を介して、ペプチドのシトルリン化を促進する能力がある。腸管上皮は、宿主である腸管および微生物のPAD活性により、人体におけるシトルリンの主要な生産者である。後述するように、Porphyromonas gingivalisが発現する細菌由来のPAD酵素によるペプチドのシトルリン化が、口腔粘膜の炎症性疾患である歯周炎とRA感受性の上昇との密接な関連性に強く寄与していることが示唆されている。

抗原性模倣：外来抗原と自己抗原の類似性により、病原体由来の自己反応性T細胞やB細胞が活性化され、自己免疫が引き起こされること。

ゾヌリンが媒介する透過性の亢進、微生物の異常、およびそれに続く関節炎症への影響23

T細胞の分化に影響を与え、Th17細胞とTreg細胞の間のホメオスタシスを乱すことで、宿主の免疫系を変調させること。RAモデルマウスでは、腸内細菌叢の特定の変化が、Treg細胞の抑制作用を害してTh17細胞の病態生理的作用を促進し、その結果、Th17を介した粘膜炎症を促進することが示されている。

RAにおける口腔内細菌叢の異常

腸内細菌叢の構成要素として知られているものの中で、分節性糸状菌が腸内Th17リンパ球を誘導することで自己免疫性関節炎のプロセスに関与している可能性が示されている。また、RAに罹患した患者においても、消化管内部のマイクロバイオームの乱れが報告されている。最近では、RA患者の間で歯周炎の発生率が高いことが報告されていることや、歯周炎の治療が自己免疫性関節炎の傷害を軽減することが示されていることから、RAの病因における口腔内マイクロバイオームの役割に関心が集まっている24。

この合併症は、Porphyromonas gingivalisなどの歯周病菌の存在を特徴とする口腔内微生物叢の異常に二次的に起因すると考えられている。さらに、RA患者では、細菌量の増加、微生物叢の多様化、歯周病に関連する細菌種の増加、IL-17、IL-2、TNF、IFN-γなどの炎症性メディエーターの産生増加が認められた26。

口腔内細菌叢以外にも、いくつかの研究では、RAにおける腸内細菌叢の乱れが報告されており、特に新規発症のRA患者では、腸内細菌の多様性の低下（罹患期間と自己抗体レベルに関連）と、病原菌であるPrevotella copriを含む希少系統の腸内細菌の拡大が特徴的である。この微生物の潜在的な病原性は、そのエピトープと2つの宿主自己抗原、N-アセチルグルコサミン-6-スルファターゼ（GNS）およびフィラミンA（FLNA）との間の分子模倣の可能性によると思われる。この2つの自己抗原は、RA患者のBおよびTリンパ球によって認識され、炎症を起こした滑膜組織で高発現していることがわかっている。また、これらのT細胞エピトープは、Prevotella、Parabacteroides種、Butyricimonas種などの腸内細菌と相同性がある27。

より具体的には、特定の属・種の存在によって、免疫反応が引き起こされる可能性がある。例えば、B. fragilisは、PSAを産生することで、コロニー形成の初期段階でTh1を介した免疫応答を刺激することができる。Collinsella intestinalisは、腸の透過性を高め、TJタンパク質の発現を低下させ、上皮のIL-17Aの産生に影響を与えることで、RAの病因に寄与していると考えられる。

RAを含むリウマチ性疾患において抗炎症作用を示すことが知られているが、Clostridia、Faecalibacterium、Lachnospiraceaeのいくつかの種のような酪酸を産生する微生物もまた、腸上皮バリアの完全性を維持する上で重要な役割を果たしている可能性がある。最後に、自己免疫の発症には消化管の生態系が関係しているという考えは、RA患者の微生物叢の構成が対照群と異なるという事実だけでなく、疾患修飾性の抗リウマチ薬を処方した後に、変化した微生物叢が部分的に回復するという観察からも裏付けられているという。

特に、特定の食生活がRAの臨床活動に与える影響については、腸粘膜の機能、特に腸管透過性と関連する抗原輸送に影響を与えるマイクロバイオームの変化に二次的に影響を与える可能性があると考えられるため、特筆すべきである。これまで、食生活とRA感受性との間に相関関係を示す証拠はなかったが、食物繊維が豊富な果物、野菜、未精製の穀物、ナッツ類、魚、オリーブオイルなどを多く摂取する地中海食を実践することで、欧米食と比較して、炎症活動や身体機能・活力などのRAの臨床疾患特性に良い影響を与えるという興味深い報告がある28。

食事療法は、マイクロバイオームの構成と機能に強い影響を与える。例えば、バクテロイデテス門では、地中海食に代表される食物繊維が豊富な食事を摂るとプレボテラ属が増加し、一方、欧米食に代表される動物性脂肪やタンパク質が豊富な食事を摂るとバクテロイデテス属が増加することがよく知られている。さらに、食事はSCFAの産生に大きな影響を与える。地中海食の主要な構成要素である果物、野菜、豆類などの食物繊維が豊富な食品は、これらの食品を分解できるファーミキューテス属やバクテロイデーテス属の細菌の増殖を促し、糞便中のSCFA含有量が高くなる。

このようなSCFA、特に酪酸の増加は、腸管バリア機能の向上をはじめとする多くの有益な結果をもたらす。細菌のエンドトキシンや抗原の輸送が減少すると、エフェクターT細胞の活性化を防ぐことができるため、好ましくない局所的な炎症反応だけでなく、全身的な炎症反応も抑制することができる。SCFAによる腸内細菌の生態系の変化とそれに伴う免疫調節は、地中海食を実践している人のRAの臨床的改善のメカニズムを説明することができる。

強直性脊椎炎（Ankylosing Spondylitis

強直性脊椎炎(AS)は、男性に多く、青年期後半に発症し、脊椎に病変があり、特徴的な関節外症状と炎症後の新骨形成を特徴とする炎症性リウマチ疾患の原型である。関節外症状に関しては、AS患者の最大10％がIBDを有し、70％が潜在的な腸炎を示す兆候を示していると報告されている点が興味深い。ゲノムワイド関連研究では、IBDとASの間で10％以上の遺伝子パスウェイが共有されていることが示されている29。

内在性バリアーの機能不全は、非特異的な自然免疫の活性化と細菌性エンドトキシンの全身への移行を可能にすることが長年示唆されてきた。ASにおける遺伝子発現の変化は、腸管上皮細胞間のタイトジャンクションの一部を透過性亢進の状態にする可能性がある（下記参照）。いくつかの研究では、ヒト白血球抗原、すなわちHLA-B27に続発する腸内細菌叢の組成の特異的な変化が報告されている。これは、腸内細菌叢の異常の原因となる遺伝的素因であり、続いてリーキーガットが発生し、微生物抗原やアジュバントが全身に入り込むことで、包皮炎の引き金として作用する可能性がある。これらのアジュバントは、内膜の間質細胞や免疫担当者の細胞集団を活性化し、IL-23/IL-17軸の活性化や炎症性サイトカインの分泌を引き起こし、その結果、滑膜炎、骨膜炎、関節局所の炎症を引き起こすと考えられる。

したがって、ASの発症には、HLA-B27遺伝子が関与する遺伝的素因と、メカニカルストレスや腸内細菌叢などの環境因子が複雑に絡み合っていると考えられる。AS患者の回腸末端部では、腸内細菌の異常が認められるとともに、潜在的な腸内炎症の存在が確認されている。しかし、他の多くの横断的研究と同様に、この腸内細菌叢の異常が炎症の原因なのか結果なのか、また、腸内細菌叢の異常がASの免疫反応を調節しているのかどうかは、まだ明らかになっていない。

この問題を解決するために、AS患者50人と健常対照者20人を対象としたメカニズム研究が行われた。30 AS患者では、細菌は主に上皮内で検出され、まれに粘膜固有層にも検出されたが、ASではない健常対照者の回腸では細菌は観察されなかった。興味深いことに、AS患者では、細菌のスコアは浸潤している炎症細胞の割合と有意に相関していた。回腸サンプルの培養から細菌を同定したところ、微生物はほとんどがグラム陰性菌のE.coliとPrevotella種に属していたが、健常対照者ではE.coliが唯一のグラム陰性種であることがわかった。

また、興味深いことに、ASの腸粘膜マイクロバイオームのこうした変化は、上皮と内皮の両方のバリア機能の障害と関連していた。具体的には、AS患者の腸内では、健常対照者と比較して、腸管タイトジャンクションCLDN1、CLDN4、オクルディン、zonula occludens 1の遺伝子発現が低下していた。また、内皮バリアの障害も同様に検出され、コントロールと比較して、AS患者の炎症を起こした回腸では、VE-カドヘリンとJAM-Aの遺伝子発現が低下していることが特徴的であった31。

これらの変化は、AS患者の回腸サンプルにおけるゾヌリンmRNAの有意な増加と同時に、タイトジャンクションタンパク質であるCldn1、Cldn4、オクルディン、zonula occludens 1の発現レベルと逆相関していた。ゾヌリンの過剰発現は免疫組織化学でも確認され、その発現は上皮細胞と浸潤した単核細胞の両方で確認された32。興味深いことに、ゾヌリン陽性細胞の数はIL-8陽性細胞の数と相関していた。

また、5人のAS患者の回腸生検から分離した細菌とCaco-2腸管上皮細胞を共培養すると、ゾヌリンの発現量が有意に増加するという結果も興味深い。これらのデータを総合すると、粘膜の細菌異常がゾヌリンの発現を増加させ、それが上皮と内皮の両方のバリアー機能を低下させ、その後、エンドトキシンが腸管内腔から全身循環に移行することを示唆している。このことは、AS患者において、LPS、LPS結合タンパク質、腸内脂肪酸結合タンパク質（IFABP）の濃度が対照群と比較して上昇し、その後、慢性炎症が発症することからも明らかである33。

上皮と内皮の両方がゾヌリンによって破壊される同様のメカニズムは、肺マイクロバイオームの異常を伴うウイルス感染によるALIのプロセス中の肺など、他の部位でも説明されている34。このメカニズムは、最近のCOVID-19感染症に特に関連している。

このメカニズムは、今回のCOVID-19感染に特に関連している。最も重篤な症例では、上皮および内皮のバリアーが破壊されることにより、気道内に液体や好中球が浸出す。これに続いて、他の部位の内皮バリアが破壊され、血管炎、「サイトカインストーム」、血栓症が発症し、心血管系、腎系、脳系などの肺外臓器が侵される。興味深いことに、ALIの動物モデルでは、ゾヌリン阻害剤であるAT1001によってこれらの作用が改善された35。そのため、この分子はSARS-CoV-2感染患者への投与が検討されている。

アトピー性皮膚炎

アトピー性皮膚炎（AD）は、臨床的にはかゆみと乾皮症を特徴とする、一般的な皮膚の慢性炎症性疾患である。他の自己免疫疾患と同様に、遺伝的素因と、小家族、都市部、欧米型食生活などの環境要因が発症に関与していると考えられている。最近の研究では、欧米諸国でADの有病率が増加していることが指摘されており、小児の15～30％、成人の2～10％がADに罹患していると言われている36。

ADは幼少期に発症し、通常、アトピー性疾患の最初の症状として現れ、喘息、アレルギー性鼻炎、アレルギー性結膜炎へと進行していく。ADは、Th2免疫への偏った反応や自然免疫系の欠陥など、複雑な病態生理を有している。フィラグリンは、皮膚バリアの重要な構成要素であり、その機能喪失変異は、喘息だけでなく、ADにも関係している。しかし、ADには皮膚バリアーの障害や免疫学的変化の兆候が見られるものの、そのメカニズムはよくわかっておらず、そのために治療が非常に困難な場合が多いのである。

新たなデータでは、AD患者は健常対照者に比べて皮膚や腸内の微生物組成が乱れ、微生物の多様性が不足していることが示唆されており、これが病気の発症やアトピー性行進の一因になっていると考えられている。しかし、他の多くの自己免疫疾患と同様に、ADにおける微生物の変化がバリアー欠損の結果なのか、それともバリアー機能不全や炎症の原因なのかは明らかになっていない。しかし、微生物と免疫系の構成要素との間の継続的なクロストークと、その変化が幼少期の自然免疫および適応免疫の成熟に影響を及ぼすという一般的なテーマは、ADにも当てはまる。

腸と同様に、生理的な環境下では、皮膚にも無数の微生物群集が存在し、組織表面や汗腺、毛包などの付属器官に生息している。皮膚表面には、1平方センチメートルあたり100万個の細菌が存在し、全体で1010個以上の細菌細胞が存在する。皮膚上の細菌数は、気温、年齢、皮脂量、汗などの局所的な微小環境によって、地理的、地形的に違いがある。皮脂の多い場所には親油性のCutibacterium種が多く存在し、湿気の多い場所には湿気を嫌うCorynebacterium種やStaphylococcus種が大量に存在する。体幹や腕には真菌のMalasseziaが多く存在する。

生体防御における皮膚マイクロバイオームの役割

ヒトの皮膚の細菌叢は、適切に多様化し、生理的に確立されていれば、体の中で最も多様性に富んだものであり、宿主の防御に役立っている。皮膚常在菌は、病原体から人間を守り、免疫系の効果的な防御と有害な炎症との微妙なバランスを維持するのに役立っている。Staphylococcus epidermidisなどの常在細菌叢は、病原体を撃退する抗菌物質を産生する一方で、Cuticabacterium acnesは皮膚の脂質を利用してSCFAを作り、他の体の部位と同様に、微生物の脅威に対抗する手助けをしていると考えられる。また、CutibacteriumとCorynebacteriumは、ポルフィリンを形成することで黄色ブドウ球菌を減少させる。

健康な皮膚の微生物叢の多様性は、成人よりも若年層の方が突出して高く、β多様性で示されるように2つの年齢層の間で大きく異なっている38。幼い子供にはStreptococcus、Rothia、Gemella、Granulicatella、Haemophilusが大量に存在するが、成人にはCutibacterium、Lactobacillus、Anaerococcus、Finegoldia、Corynebacteriumが多く存在する。また、健常者には多いが、AD児には存在しない20属を保有するAD児と成人の間でも、皮膚微生物叢に大きな違いがあることが確認されている。このことは、成人に比べて小児のADの有病率が非常に高いことの説明になるかもしれない。微生物のシフトは、S. aureusの増殖を抑制することで、加齢に伴うADの減少に寄与する可能性がある。

成人の皮膚常在菌であるCutibacteriumやCorynebacteriumはポルフィリン代謝に関わる遺伝子を持っており、理論的にはS. aureusの感染を抑えることができる。また、成人の皮膚常在菌は抗菌作用のある代謝物を分泌しており、その代謝物が黄色ブドウ球菌の増殖を阻止することが、試験管内やマウスを用いた研究で明らかになっている。興味深いことに、AD患者は30〜100％の割合で皮膚に黄色ブドウ球菌を保有していることが報告されているが、健康な人では黄色ブドウ球菌は20％しか検出されない39。

また、AD患者では、皮膚バリアー調節因子であるフィラグリン（前述）の欠損が、遺伝的に、あるいはTh2優勢な状態に由来して、角質細胞の欠陥を引き起こすことが示されている。AD患者では、黄色ブドウ球菌がクランピングファクターB依存的にこれらの角質細胞に強く結合することがわかっている。また、AD患者におけるフィラグリンの欠損は、黄色ブドウ球菌の増殖に有利な条件であるpHの上昇と関連している。

さらに、AD患者では、セリンプロテアーゼ（特にカリクレイン）の活性が上昇している。カリクレインの活性亢進は、カテリシジンやフィラグリンのプロセッシングを変化させ、プロテアーゼ活性化受容体2（PAR2）の活性を高めることが知られている。

興味深いことに、AD患者では、皮膚の微生物異常のほかに、腸内細菌の組成にも変化がみられる。具体的には、AD患者のビフィズス菌数は健常者に比べて有意に少なかった。さらに、ビフィズス菌の数や割合は病状によって異なり、重度のAD患者では低い数値が見られたが、軽度のアトピー症状の患者では見られなかったという。

逆に、Staphylococcusは健常者よりもAD患者の方が多く含まれていることが分かった。Faecalibacterium prausnitzii亜種の濃縮は、ADとの関連性が高いことが示された。食物アレルギーのあるAD児の糞便微生物叢は、食物アレルギーのない児に比べて、Bifidobacterium pseudocatenulatumとE.coliが比較的多く、Bifidobacterium adolescentis、Bifidobacterium breve、F. prausnitzii、A. muciniphilaが少ないという特徴を持つ、異なる組成を示していた。

最後に、腸内細菌叢が皮膚の細菌叢を改善することを示唆する証拠も出てきた。先に述べたように、SCFA（プロピオン酸、酢酸、酪酸など）は腸内で食物繊維が発酵した最終生成物であり、皮膚の免疫防御機構と密接な関係を持つ皮膚の微生物組成の決定に重要な役割を果たすことが知られている。Cutibacteriumは、腸内でSCFAである酢酸とプロピオン酸を生成する。プロピオン酸とそのエステル化誘導体は、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌の増殖を抑制する。

一方、S. epidermidisやC. acnesなどの皮膚常在菌は、他の常在菌よりも広いSCFAシフトに耐えられる。これらの知見を総合すると、腸と皮膚の間には相互作用があることが示唆される。このことは、非病原性バイオマスを含む保湿剤を塗布したり、プロバイオティクスを補給したりすることで、皮膚と腸の両方のマイクロバイオームを調整する根拠となりうる。この治療法は、発達の初期段階で予防的に、また高リスクグループでは治療的に適用することができる。

結論と自己免疫疾患から得られる教訓

ここ数十年、欧米では自己免疫疾患の発症率が大幅に増加しており、マイクロバイオームの異常の存在とさまざまな自己免疫疾患の発症との間に相関関係があることを示す証拠が次々と報告されているが、その正確なメカニズムはまだ解明されていない。さらに、これまでに実施された研究の性質とデザインのために、これらのマイクロバイオーム組成の変化が自己免疫疾患の発症と因果関係があるのか、あるいはこれらの変化が異常な免疫反応の結果であるのかについては、限られた証拠しか得られていない。

しかし、現在では、ヒトのマイクロバイオームがメディエーターや栄養分の放出を通じて宿主の免疫反応を形成することができるという強い証拠があり、また、ヒトの特定の細菌種の生育不全がいくつかの異なる自己免疫疾患と関連していることが判明している。これらの証拠から、マイクロバイオームを操作することは、さまざまな自己免疫疾患における免疫反応を改善し、完全に回復させるための潜在的な治療戦略であると考えられる。

10 マイクロバイオームと神経疾患・行動障害

腸-脳軸を追う

第4章で述べたように、ヒトゲノムプロジェクトの予想外の成果は、「1遺伝子、1タンパク質、1疾患」というパラダイムを覆し、多くの疾患に新たな研究の道を拓きた。同様に、人間の体内に存在する何兆もの微生物が、人間の健康や病気にどのような影響を与えているのかを研究する際に、最も興味をそそられる分野の一つが、神経疾患や行動障害における微生物の役割である。慢性脳疾患の発症に果たす役割は限られているという従来の見方は、ヒトのマイクロバイオーム全般、特に腸内マイクロバイオームが媒介する腸と脳の相互コミュニケーションについての理解が深まるにつれ、大きく変わってきた。

一見、構造や機能が異なるように見えても、発生学的に言えば、脳と消化器系は相互に関連している。外胚葉は、初期胚発生における3つの主要胚葉のうちの1つで、脳と消化管の一部の構成要素の両方を形成することになる。この共通の起源に加えて、神経ネットワーク、内分泌シグナル、ホルモンの相互作用などの多くの相互関連性は、これらの2つの器官の間に密接で機能的なネットワークがあることを証明している。

したがって、この密接な相互作用が腸脳軸のパラダイムで概念化されていることは驚くべきことではない。また、腸内細菌叢が発達期の脳や成熟期の脳とその機能の一部に影響を与えている可能性があることも予想外ではない。マイクロバイオームの研究は、病気の発症メカニズムに関する知識を深める多くの分野の中でも、腸脳軸の制御におけるマイクロバイオームの役割と、さまざまな複雑で多因子性の疾患への影響は、研究者にとって、これらの疾患の治療と予防のための挑戦的な機会となっている。

脳が腸の運動、腸管分泌、ホルモンや神経伝達物質の分泌など、腸の機能に影響を与えることは、古くから知られていた。しかし、腸が脳の機能に影響を与えるという考え方は、ずっと最近になって登場したものである。

この「神経科学のパラダイムシフト」について議論するために、マイクロバイオーム研究の第一人者たちが、拡大する腸脳軸の研究をめぐる挑発的で新しいトピックを取り上げた。2014年、Emeran Mayer氏、Rob Knight氏、Sarkis Mazmanian氏、John Cryan氏、Kirsten Tillisch氏は、腸と脳の相互作用に関する研究は何十年も前から行われているにもかかわらず、腸に関連する免疫系、腸神経系、腸を基盤とする内分泌系の関連性に関する知見は、「精神医学および神経学の研究コミュニティではほとんど無視されてきた」と主張した1。

マイクロバイオーム研究のパイオニアであるこのグループは、細菌と神経疾患との関連性を明らかにするために、ヒトのマイクロバイオームの大規模な研究を行うことの革新性を我々に問いかけている。「このパラダイムシフトの大きさを理解するためには、ルネ・デカルトが100年もの間、西洋の科学と医学を支配してきた、一方では心と脳（宗教、精神医学）、他方では身体（医学）という分離の強力な力を思い起こさなければならない」2。

5年前にさかのぼってみると、パラダイムは確かに変化したと言えるだろう。この記事がJournal of Neuroscience誌に掲載されてから短期間のうちに、腸内細菌叢と神経学的・行動学的症状に関する発表された研究は、急激な勢いで増加している。初期の齧歯類実験で確立された概念に続いて、ヒトの臨床試験でも、腸脳軸、腸内細菌叢、神経発達疾患や神経変性疾患の発症との複雑な相互作用に光が当てられている。

自閉症スペクトラム障害（ASD）、不安障害、てんかん、うつ病、パーキンソン病などは、ヒトにおける腸内細菌叢の構成変化と関連する脳疾患の一例である3。これらの相互作用に対するメカニズム的な答えはまだ得られていないが、このダイナミックな神経学的宇宙についての推測は長く続いている。その中には、「精神生物学的」または「メランコリック」な微生物や、人間は人間が宿している100兆個もの微生物の単なる輸送手段であるという興味深い概念も含まれている4。

人間の脳の形成

第3章で述べたように、出生前、周産期、出生後の影響を受けてヒトのマイクロバイオームが早期に形成されることで、成人してからの健康と病気のバランスが決定される。健康で機能的な脳の発達には、腸と脳の軸に沿ったコミュニケーションがうまく機能していることが不可欠である5。不安、うつ病、ASDの発症において、この軸に沿ったコミュニケーションが損なわれている可能性を示唆するデータが出てきているため、人間の初期の脳の発達における腸内細菌叢の機能について、より広範で深い研究が必要とされている6。

神経発達は非常に複雑なプロセスであり、さまざまな環境シグナルに大きく依存しているが、そのほとんどが腸からもたらされている。その典型的な例が、CNSの成熟における腸からの葉酸吸収の役割である。外胚葉は平らなシートから始まり、それが折り重なってチューブを形成し、その上部が脳に、下部が脊髄に発達する。この管の融合は、このプロセスを推進する葉酸の利用可能性に依存している。

セリアック病に伴う慢性炎症などの腸の機能不全により葉酸が欠乏すると、血清中の葉酸濃度が最適でなくなる。これにより、神経管の融合が不完全になり、ステージや重力に応じて、胎児の生存に支障をきたす奇形から、神経管の融合が不完全な典型的な例である二分脊椎まで、様々な症状が発生する。

神経管の融合に加えて、神経細胞の発達のもう一つの重要なステップは、血液脳関門（BBB）の成熟、神経細胞間のシナプスの形成、ミクログリアの成熟であり、最終的には正常な脳の発達に必要なすべての適切な回路が形成されることである。この非常に複雑でいまだによくわかっていないプロセスは、腸内細菌叢からのシグナルを含む環境刺激によって形成されている部分もある。

腸内細菌叢とその代謝物は、出生前から老年期まで、BBBの形成、髄鞘形成、神経新生、ミクログリアの成熟に関与していることを示唆する証拠が増えてきている。マイクロバイオータは、ミクログリアやアストロサイトを調節することで、神経炎症に影響を与えることができる。動物モデルによると、「脳の免疫系」と定義されるミクログリアは、無菌状態で発育した場合、未熟な状態のままであるが、SCFAを投与することで回復することが示唆されている7。

BBBは子宮内初期に発達し、ミクログリア、アストロサイトエンドフィート、ペリサイト、毛細血管内皮細胞という4つの重要な要素で構成されている。4つの異なる細胞構成要素があっても、BBBの選択性は、溶質の通過を制限するCNS血管内皮細胞間の細胞間タイトジャンクションに依存している。血液と脳の境界部では、内皮細胞がこのタイトジャンクションを介して相互に結合している。腸管のタイトジャンクションと同様、BBBのタイトジャンクションもかつては静的なものと考えられていた。しかし現在では、BBBは非常にダイナミックな構造であり、ゾヌリンを含むいくつかの刺激によって透過性が調節されることがわかっている8。

BBBは、全身循環と脳の間の分子や栄養素の交換を調整する門番である。腸内細菌叢は、妊娠中のBBBの透過性に影響を与えていると考えられている。この調節機能は、生涯を通じて有効であり、おそらくゾヌリン経路が介在していると考えられる。無菌マウスは、正常な腸内細菌叢を持つ病原体を持たないマウスに比べてBBBの透過性が高く、神経炎症のリスクが高まる9。

さらに、細菌の細胞壁成分が前頭葉皮質の神経細胞の増殖を誘導するなど、マイクロバイオームのシグナルは、人生の非常に早い時期に大脳皮質の発達における神経新生の速度に影響を与えることが示されている10。

腸内細菌叢が神経発達に及ぼす影響の具体的なメカニズムは完全には解明されていないが、微生物由来の代謝物がその役割を果たしている可能性が示唆されている。例えば、哺乳類の中枢神経系で最も重要な抑制性神経伝達物質であるγ-アミノ酪酸（GABA）は、乳酸菌やビフィズス菌によって産生される。GABAは、シナプス後のコミュニケーションを促進し、神経前駆細胞の増殖と発達を促すことで、脳の発達に重要な役割を果たしている。

腸内細菌叢は、神経発達に関与するだけでなく、セロトニンなどの特定の神経シグナリング分子の哺乳類宿主による産生を促進することで、成熟した脳の主要な神経機能に影響を与えているようだ。セロトニンは、消化管および中枢神経系の腸管神経系で産生され、腸管運動、気分、記憶、学習、食欲、睡眠などを調節する。

腸内細菌は、セロトニンの産生や、ノルエピネフリンやドーパミンを直接合成するよう、宿主の腸クロム細胞を刺激することで、神経伝達物質の産生を制御していることが、Escherichia属、Bacillus属、Saccharomyces属で明らかになっている11。SCFAsのうち、主にButyricoccusやClostridiumによって生成される酪酸は、樹状突起の発芽を誘導し、シナプスの数を増加させ、学習行動や長期記憶へのアクセスを回復させることが示されている12。

微生物相と複雑なシグナル伝達経路

さらに複雑なことに、腸内細菌は、神経系、内分泌系、免疫系を含む複数の双方向のシグナル伝達経路を介して、CNSとつながっていることを示唆する証拠が増えてきている。Laura Cox氏とHoward Weiner氏は、腸内細菌叢が果たす役割を明らかにしている。先に述べたように、脳や行動に影響を与える神経伝達物質や消化ホルモンを消化管内の細胞から分泌させる以外にも、腸内細菌叢はCNSに移動する免疫細胞を調節し、迷走神経を刺激して行動に影響を与えることができる。CoxとWeinerによると、「CNSは、主に腸の運動に影響を与えるアドレナリン作動性神経シグナルを介して、また、微生物叢の組成と機能を形成する免疫メディエーターに対する神経伝達物質の影響によって、腸内細菌叢を制御することができる」13。

Gil Sharon、Sarkis Mazmanianらは、健康で機能的な脳の発達は、主にマウスモデルを用いた研究により、「腸からの分子シグナルなどの環境的な手掛かりを統合する、出生前および出生後の重要な出来事」に依存すると述べている。さらに、”ここ数年の研究により、腸内細菌叢が、血液脳関門の形成、髄鞘形成、神経発生、ミクログリアの成熟など、基本的な神経再生プロセスに役割を果たしていることが明らかになり、また、動物の行動の多くの側面を調節していることもわかってきた。” と付け加えている。Cell誌のレビューで著者らは、「腸内細菌叢が神経発達や神経変性に寄与する可能性がある」経路を提案している14。

著者らは、初期の脳発達におけるいくつかの段階について説明しているが、その中には、胎児期に起こる長距離移動が含まれている。これは、細胞が特定の領域に移動し、行動を促進する特定の回路が構築される際に、長距離（時には細胞体の直径の数百倍）を移動するというものである。このような複雑な生理学的地理を、長い時間をかけて分子レベルでナビゲートすることにより、腸内細菌叢であれ脳であれ、人間の成長は無数の環境要因の影響を受けることになる。

食物繊維から腸内細菌によって合成されるSCFAとは異なり、人間の脳の正常な発達と最適な機能に不可欠な必須脂肪酸（EFA）は体内で作ることができない。15 ドコサヘキサエン酸は、網膜と視覚野の機能的成熟に不可欠なEFAである。

Chia-Yu Changらは、脳内の神経伝達物質の合成と機能、および免疫系の分子にEFAが重要な役割を果たしていることを論じている。「神経細胞のメンバーは、リン脂質プールを持っており、神経細胞への刺激や損傷があると、特定の脂質メッセンジャーを合成するための貯蔵庫となる。これらのメッセンジャーは、神経細胞の損傷を促進したり、神経細胞を保護したりするシグナルカスケードに関与している」16。特定のシグナル伝達経路における微生物のメカニズム的な進行を追跡することで、これらの病態を新たに理解し、新しい治療法や予防的な介入が可能になるかもしれない。

動物モデルやヒトを対象とした研究から、腸内細菌叢の構成と免疫系の発達・機能との関連性を示す証拠が増えてきている。特に無菌マウスモデルを用いた研究では、特定の微生物やその生物学的産物、あるいはその両方が、T1D、喘息、IBDなどのさまざまな慢性炎症性疾患を誘発したり予防したりすることで、免疫機能の変化につながっていることが明らかになっている17。

カリフォルニア工科大学（Caltech）の医療微生物学者であるSarkis Mazmanianは、神経炎症に関する数十年に及ぶマウス研究により、神経疾患や行動障害における腸内細菌叢の構成要素のメカニズム的役割を探求してきた先駆者である。ASDとパーキンソン病という特殊な病態における腸-脳-マイクロバイオーム軸のパラダイムの変化について、マウスとヒトでの研究の役割や考えを伺った。

ASDと腸内マイクロバイオーム

CDCによると、ASDは米国で最も急速に増加している発達障害である。1970年代半ばには5,000人に1人だった有病率は、現在では59人に1人と推定されており、増加の一途をたどっている。男児の場合は、25人に1人の割合で発生している。

有病率は民族や人種によっても異なり、非ヒスパニック系の白人は黒人やヒスパニック系の子供よりもASDと診断された子供が多い。自閉症スペクトラムの子どもたちは、より若い年齢で診断されるようになっており、ASDの治療を受ける幼児期の子どもたちの数は大幅に増加している18。

Mayer氏らは、ASDは、微生物が中枢神経系の発達と機能に限定的な役割を果たしているという、従来の、そして次第に時代遅れになりつつある見解の例外であると主張している。彼らは、この「脳の病気」について、「腸内細菌叢の変化との関連が長い間疑われてきた」と述べているが、この概念は、最近、ネズミのモデルとヒトの被験者の両方で見直されている20。マイクロバイオームの研究を通じて、これらの症状を引き起こすメカニズム上の要因を明らかにすれば、新たな治療法や予防法につながる可能性がある。

Mazmanianらは、「マイクロバイオームと動物との間の相互依存的で複雑な相互作用を媒介するメカニズム、およびそれらが人間の健康に及ぼす影響」21の解明を進めている。最近の研究成果は、西海岸の主要機関のRob Knightら22人の科学者と共同でCell誌に発表したもので、ASD患者から採取した腸内細菌叢を移植した無菌マウスに自閉症の特徴的な行動を引き起こすことができた。この表現型は、微生物によって誘発されるエピジェネティックな変化の二次的なものであり、行動を制御する重要な遺伝子が関与していると考えられる。著者らによると

ASD微生物群をコロニー化したマウスの脳では、ASD関連遺伝子の代替スプライシングが見られた。ヒトのマイクロバイオータを保有するマウスのマイクロバイオームとメタボロームのプロファイルから、特定の細菌分類群とその代謝物がASDの行動を調節することが予測される。候補となる微生物の代謝物をASDマウスモデルに投与すると、行動異常が改善され、脳内の神経細胞の興奮性が調整される。我々は、腸内細菌叢が神経活性代謝物の産生を介してマウスの行動を制御していることを提案し、腸と脳のつながりがASDの病態生理に寄与していることを示唆している22。

このCell論文は、腸内細菌が神経疾患や行動障害にどのような影響を与えるかをマウスモデルを用いて数十年にわたって研究してきた成果の集大成である（図10.1）。

図10.1

腸内細菌叢の神経機能への影響。パーキンソン病モデルでは、腸内細菌からのシグナルが、神経炎症反応に加えて、特徴的な胃腸障害やαシヌクレイン依存性の運動障害に必要である。T. R. Sampson, J. W. Debelius, T. Thron, S. Janssen, G. G. Shastri, Z. E. Ilhan, C. Challis, et al., “Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a Model of Parkinson’s Disease,” Cell 167, no. 6 (December 1, 2016): 1469-1480, doi.org/10.1016/j.cell.2016.11.018 から引用している。

驚くべきことに、Mazmanianは研究室から出てきたデータではなく、直感で始めたという。”我々と他の研究者は、腸内細菌叢とIBDの関係について研究していた。ジェフ・ゴードンをはじめとする他の多くの研究者は、代謝システムとの相互作用について研究していた。カリフォルニア工科大学では神経科学の研究が盛んであるが、私は神経系の研究をしてはどうかと考えた。なぜ、神経系がマイクロバイオームによる教育や制御から『免れる』のか」23。

マズマニアンのように想像力と好奇心が旺盛な科学者にはよくあることだが、彼は古い研究文献を調べることで、将来の研究につながる興味深い手がかりを見つけた。彼は、電子顕微鏡写真の研究から、マウスとヒトが強固な腸内神経ネットワークを共有しており、神経系と、免疫細胞や上皮細胞を含む腸粘膜の他の重要な構成要素との間に無数のつながりがあることを示す証拠を見つけた。1967年に撮影された、白血球とシナプスを形成する神経細胞の画像を見たとき、Mazmanian氏は「ハッ」とした。マズマニアンは、後生動物の進化の過程で、動物が微生物の世界で進化していったことを考えた。微生物は真核生物より20億年も前から存在しており、陸地、水域、生物のあらゆる生態系に生息している。そこで彼は、「なぜ彼ら（微生物）が神経系の形成に関与していないのだろうか」という疑問を抱いた24。

Mazmanianは、腸内細菌叢が脳の重要な機能に影響を与えるかどうかの研究を始めた当初は、腸と脳のつながりを行動に結びつける生物学的メカニズムに関する厳密な再現性のある証拠はほとんどなかったと述べているが、その後、彼をはじめとする研究者たちは、”微生物叢と神経系の間には、似て非なるつながりがある “ことを発見した。共著者のアレッシオ・ファザーノがV.コレラの研究から始まり、自己免疫の研究に行き着いたように、Mazmanianは微生物が腸管感染症にどのような影響を与えるかを調べ始めた。”私の当初の目的は、腸内細菌が腸内感染の経過にどのように影響するのか、その生物学的基盤を理解することであった” と彼は言う。「しかし、そのような論文は1本も出していない」25。

その代わり、無菌マウスの免疫プロファイルを研究しているときに、脾臓のCD4陽性免疫細胞が比例して減少していることを発見し、腸管感染症という観点から微生物と免疫の相互作用を考えるだけではなく、「微生物がどのように腸管感染症を引き起こすのか」ということを考えるようになった。”微生物がどのように免疫系を教育し、免疫学的発達に関与しているか “を考え始めたのである。我々は、免疫系の発達という表現型を再現する生物や分子を特定できないかと考え始め、そこから話が進んでいきた」26。

バクテロイデス・フラジリスに学ぶ

ハーバード大学での研修期間中、マズマニアンはデニス・カスパーの研究室である種のマイクロバイオームを研究していた。カスパーとマズマニアンは、B. fragilisとその糖成分PSA（polysaccharide A）による免疫系への影響について研究していた。これは、B. fragilisが宿主の行動機能にどのような影響を与えるかという、Mazmanianの今後の研究の基礎となった。

研究チームは、ウイルス模倣物質であるポリイノシン-ポリシチジル酸（polyI:C）にさらされた母親の子供であるマウスに、B. fragilisを発達段階の重要な時期に経口投与すると、ASDの表現型が生じることを発見した。マズマニアンは、このASDモデルを用いて、B. fragilisが炎症を改善する役割を探った。

具体的には、神経発達の鍵となる時期にポリI:Cを投与した妊娠マウスから生まれた子孫は、腸管透過性の増加、マイクロバイオームの組成と機能の変化、メタボロームプロファイルの変化を示し、最終的には、コミュニケーションの障害、ASDのステレオタイプな行動、不安の兆候、感覚運動の変化などを特徴とするASD様の行動をとることがわかったという。興味深いことに、これらのマウスにB. fragilisを経口投与したところ、腸管障害と行動障害の両方が改善された。さらに、B. fragilisは、ASD型マウスで増加していたいくつかの代謝物のレベルを低下させることもできた。

「B. fragilisから得られた教訓は、深海の通気孔やサバンナの生態系など、他の環境の進化を促す微生物のそれと似ている」とMazmanianは言う。映画『オズの魔法使い』に出てくる、カーテンの後ろですべてのツマミを回す小さな男のように、微生物がすべてをコントロールしているのである。微生物がすべてをコントロールしているのである。微生物は我々を作る手助けをし、我々がどのように働くかを知っている。我々が知りたいのは、微生物がすでに知っていることである。そうすることで、人間の生物学的な知見を得ることができ、マイクロバイオームが関与している可能性のあるさまざまな疾患に苦しむ人々の助けになると思う」27と述べている。

何が微生物を動かしているのか？

共著者のAlessio Fasanoは、小児消化器病専門医として、研究および臨床の観点から微生物に多大な敬意を払っている。Mazmanianもこの深い尊敬の念を共有しているが、微生物は自分の繁殖に最適な環境を形成しようとするため、利己的であることを忘れてはならない。「微生物は、人体の長寿と頑丈さを確保するための方法を進化させてきた可能性がある」と彼は言う。「28 こうした相互作用のいくつかはすでに明らかになっているが、Mazmanian氏が指摘するように、腸内細菌叢と人間の神経系の間には、まだ発見できていない相互作用が数多く存在している。

「ある微生物が代謝物を生成し、別の微生物がその代謝物を栄養源として利用できることを発見し、微生物が自分たちの小さな生態系を構築するというシナリオを想像してみてほしい」とマズマニアンは言う。「腸内にはさまざまな化学物質が漂っているが、おそらく我々もそれらのプロセスに便乗して、エネルギー源であったり、生物学的、免疫学的、神経学的な機能であったりと、自分たちの利益のためにそれらの分子を利用できるように適応したのだろう」29。

この議論に従うと、種の繁殖という全体的な目標を達成するために、微生物は宿主との間に敵対関係ではなく、共生関係を築くことを目指しているのは明らかだと思われる。マズマニアンは、病原性微生物の進化について興味深い視点を提供している。彼は病原菌の発生を「行き止まりのイベント」と呼んでいる。「誰かが傷つくことになり、誰にとっても長期的には良い戦略ではない。病原体と呼ばれる生物は、人間との共進化の初期段階にあり、共生関係を理解していないだけで、人間との共存方法を理解していないのだと思う」。マズマニアンは、「最も長く共進化してきたものは、有害ではなく、最終的には人間の健康に役立つ方法を見つけ出している」と付け加えている30。

病原性のある形質は必ずしも微生物の進化計画の一部ではないという考えを裏付けるいくつかの例があるので、我々は彼のビジョンを完全に共有している。共著者のFasano氏は、ボルチモアのCenter for Vaccine Developmentに勤務していた際、腸管病原体の研究を通じて、この概念を身をもって体験することができた。古典的な例である大腸菌を見てみよう。大腸菌の大部分は、人間の宿主と共生関係にあり、腸内細菌叢の中で最も豊富な種の一つとなっている。しかし、腸内毒素原性大腸菌、腸管凝集性大腸菌、腸管出血性大腸菌、腸管侵襲性大腸菌、腸管病原性大腸菌などの数種の大腸菌は、重篤な胃腸障害や全身障害、あるいはその両方を引き起こす病原体である。

これらの病原性大腸菌と共生性大腸菌の違いは何だろうか？病原性大腸菌は、進化の過程で、病原遺伝子を持つファージが細菌の染色体やプラスミド、あるいはその両方に組み込まれた「病原アイランド」と呼ばれる場所に感染することで、病原遺伝子を獲得する。極端な例を挙げれば、特に子供に深刻な罹患率と死亡率をもたらす致命的な病原体である赤痢菌は、ゲノムの95％以上を大腸菌と共有しているにもかかわらず、大腸菌が特定の病原性形質を獲得して全く別の微生物になったに過ぎないのである。

これらの病原形質を獲得したことで、これらの病原体は、栄養分の調達、宿主内での特権的な栄養ニッチの発見、あるいは宿主の免疫防御から一時的に逃れるなど、他のマイクロバイオーム種との競争において優位に立つことができたのである。これは、短期的には良い戦略に見えるかもしれないが、Mazmanian氏が指摘したように、長期的には自分の宿主に害を与えることは不利になる。ウイルス性のアプローチは、最終的には、種の保存と繁殖という微生物の全体的な目標に影響を与えることになる。宿主との共生関係を築く方法を学ぶことのほうが、長期的な生存のためにははるかに効率的な戦略である。

アルツハイマー型認知症

アルツハイマー病は、人類が直面する最も一般的な神経変性疾患である。アルツハイマー病は、大脳皮質が萎縮し、神経細胞やシナプスが失われることが特徴である31。臨床的には、短期記憶の喪失、気分の落ち込み、言語記憶の低下、意欲・計画性・知的調整能力の低下などが見られる。

他の慢性炎症性疾患と同様に、アルツハイマー病にも遺伝的要素があり、ゲノムワイド関連研究により20の遺伝的リスク遺伝子座が同定されている。この発見で興味深いのは、これら20の遺伝子座のどれもがコード領域内に位置していないことである。これは、環境因子によるエピジェネティックな調節が強く働いていることを示唆しており、腸内細菌叢が引き金になっている可能性を示している。

アルツハイマー病患者の腸内細菌の異常を示す研究は、これまでにいくつか発表されている。これらの研究では、健常者と比較して、門レベルではFirmicutesとActinobacteriaが減少し、Bacteroidetesが増加していることが示されている。これらの知見は、アルツハイマー病の動物モデルでも再現され、マイクロバイオームの組成に同様の変化が見られた。アルツハイマー型認知症では、アルツハイマー型認知症の原因となる微生物が減少すると、炎症性サイトカインが増加し、BBBの透過性が高まり、免疫細胞が活性化され、反応性神経膠症（グリアの炎症）を引き起こし、最終的には神経変性を引き起こすと考えられている。Bacteroidetesはグラム陰性菌に属するため、LPSのようなエンドトキシンを産生し、炎症性サイトカインを放出して炎症を誘発する。

さらに、脳の発達期にLPSを注射すると、マウスモデルではミクログリアの活動が活発になり、炎症性サイトカインのレベルが上昇する。また、動物実験では、Akkermansiaが神経変性や老人斑のバイオマーカーである脳のアミロイドβ（Aβ）42ペプチドのレベルに影響を与える可能性が示されている32。前述のように、Akkermansiaは胃腸の生物学にいくつかの有益な効果を持つ。Akkermansiaは、先に述べたように、消化管生物学にいくつかの有益な効果があり、腸管バリアーの完全性、腸管リモデリング、および腸管吸収能力の制御を向上させる。したがって、腸内細菌叢におけるAkkermansiaの豊富さと、脳内の病原性Aβ42の量との間に逆相関があるという知見は興味深い。

これらを総合すると、腸内細菌の減少（腸管バリア機能の低下）とバクテロイデテスの増加が相まって、LPSの腸管内腔から全身循環への移行が促進され、最終的には脳に到達し、遺伝的に素因のある人ではアルツハイマー病の病態に至るのではないかという仮説が成り立つ。アルツハイマー病の危険因子としては、加齢、全身感染、炎症、肥満、脳外傷などが挙げられるが、いずれも自然免疫系の活性化が関与しており、LPSへの曝露の結果として自然免疫系が活性化されれば、この変性は緩和されると考えられる。

パーキンソン病

Mazmanian氏は、ASDと神経変性アミロイド疾患であるパーキンソン病の研究において、マウスを用いたヒト化モデルを使用している。ASDの発症率が急速に増加していることは、人生の終盤において、高齢者に見られる神経変性疾患が増加していることと平行している。米国では、アルツハイマー病は約500万人、パーキンソン病は約50万人が罹患しており、毎年5万人が新たに診断されている33。

アルツハイマー病は、特定の神経細胞のタンパク質が異常に凝集し、多くの細胞機能に支障をきたす疾患である。この疾患では、特定の神経細胞のタンパク質が異常に凝集し、多くの細胞機能が障害される。障害を受けた神経細胞は最終的に死滅し、徐脈性運動、安静時振戦、硬直などの古典的な運動症状が現れる。非運動症状としては、嗅覚、消化器、循環器、泌尿器などがある。一部の症状は治療可能であるが、病気の進行を遅らせる方法はない。

米国では、急速に増加する高齢者人口が2050年までに倍増すると予想されており、これらの疾患に直面している家族の経済的・社会的負担が増大することになる。正確な原因はわかっていないが、中脳に存在する神経細胞が死滅することでドーパミンが減少し、パーキンソン病特有の震えや、平衡感覚、言語能力、協調性の低下などが起こるという説が有力である。パーキンソン病はASDと同様に多因子疾患であり、研究者たちは、遺伝的および食事、運動、農薬などの環境的なリスク要因を調査している。

パーキンソン病の病態に腸内細菌叢と腸脳軸を加えることで、この壊滅的な疾患の発症についてより詳細な情報を得ることができる。34 便秘、嚥下障害、唾液分泌過多などの胃腸症状は、パーキンソン病の発症に数年、あるいは10年先行することがあり、ヒポクラテスの言葉を借りれば「パーキンソン病は腸から始まる」という仮説を裏付けるものである。

ここで再び、腸管透過性、炎症、サイトカインによる毒性が、これらの複雑な病態、特にパーキンソン病に伴う神経細胞の損傷に果たす主要な役割に注目することになる。パーキンソン病患者の脳実質では、炎症性サイトカインとT細胞の浸潤が認められており、腸管神経系、迷走神経とその枝、グリア細胞でも炎症性変化の証拠が報告されている。

パーキンソン病における炎症の役割は、パーキンソン病患者の剖検で得られた脳生検にα-シヌクレインの沈着が見られるという知見によって強化されている。パーキンソン病患者のα-シヌクレインのミスフォールドが、この病気における炎症の役割をさらに立証しているという研究結果がある。α-シヌクレインのミスフォールドは腸で始まり、「迷走神経を介して “プリオン様 “に下脳幹、最終的には中脳にまで広がる」可能性が示唆されている。この概念は、「ブラーク仮説」として知られている35。

ASDと同様に、パーキンソン病も、腸-脳-マイクロバイオーム軸の役割について、切実な研究課題を提示している。Mazmanian氏のグループは、腸内細菌が運動障害やパーキンソン病の発症を制御しているという仮説を検証した。2016年の論文が『Cell』誌に掲載された後、Mazmanianは「腸内細菌叢とパーキンソン病の間に生物学的なつながりがあることを初めて発見した。より一般的に言えば、この研究は、神経変性疾患が、これまで考えられていたような脳だけではなく、腸にその起源を持つ可能性があることを明らかにしている」36。

2016年の関連研究では、Timo Myöhänen氏が率いるフィンランドのグループが、マウスのパーキンソン病に伴う運動症状を改善した。先行研究で、PREP酵素が脳内のαシヌクレイン凝集体の形成を増加させる役割を確立した後、研究者たちはPREPをブロックすることで、PREPとαシヌクレインのつながりの重要性を明らかにしようとしていた。このモデルマウスでは、大量のαシヌクレインが産生され、折りたたまれていないタンパク質が生じ、パーキンソン病に伴う運動症状が現れた。Myöhänenのグループは、PREPを阻害することで、運動領域への付加的なダメージがなくなり、「治療後わずか2週間で、α-シヌクレインのほぼすべての蓄積が脳から取り除かれた」と報告した37。

マイクロバイオームの可能性を実現するために

これまで述べてきたように、マイクロバイオームの特定の構成要素が特定の臨床症状と関連していることを示す有望な研究が存在する。しかし、微生物の違いが疾患の原因となるのか、それとも臨床症状の結果であるのか、あるいは両者は無関係なのか、微生物の異常と疾患のどちらが先なのかはまだわかっていない。我々は、Mazmanianらが言うように、細菌集団のカタログ化を続けるのではなく、「この基礎的な研究手法を拡張して、特定の微生物集団が果たす機能的・生態的な役割を検証し、個々の細菌や細菌のコンソーシアムが動物の宿主に及ぼす生理学的な影響を解読しなければならない」38。

これらの研究は、費用と時間がかかるが、神経変性疾患や精神疾患、その他の多くの疾患の治療と予防におけるヒトのマイクロバイオームの可能性と将来性を最大限に引き出すためには不可欠である。マウスモデル、ヒト化マウスモデル、ヒト臨床試験を用いた腸・脳・マイクロバイオーム研究から、Mazmanian氏が「基本的なルール」と呼ぶものが見えてきた。一つの仮説は、特定の神経経路は特定の微生物集団に対応して進化してきたが、他の経路はマイクロバイオームからのこのトレーニングの影響を受けずに、ゲノムや環境の手がかりだけを受けているというもので、神経系は微生物の代謝物を通じて直接、あるいは免疫系、代謝系、内分泌系の1つ以上を介して情報を得ているというものである。

このような複雑な問題に答えを出すには、基礎科学と応用医学の両方の分野にまたがる幅広い協力が必要である。マウスモデルには多くの期待が寄せられているが、第13章で説明したマウスモデルの限界を考慮すると、我々はMazmanianが言った「臨床での成功と人間での成功が必要である。マイクロバイオームが病状や状態を調整し、影響を与え、さらには改善するという臨床からの証拠がなければ、研究は知的好奇心に還元されてしまうのである」39。

もちろん、彼の発言は的を射ている。これまでのマイクロバイオーム研究は、我々の体内に生息する微生物群集がどのように宿主と相互作用し、共生関係を築いているかを詳細に研究するための基盤を整えることに重点が置かれてきた。そして今、次の段階に進む時が来た。この共生関係の中で何が問題になるのかを理解し、炎症を改善して病気を治療するための可能な治療ターゲットを見つけることである。腸内細菌叢を利用して神経炎症性疾患を治療する戦略を開発することは、驚異的な成果となるだろう」。

11 マイクロバイオームと環境性腸症

発展途上国におけるディスバイオシス

本書では、主に欧米先進国の人々が罹患している、マイクロバイオームが病態に関与している可能性のあるさまざまな疾患を取り上げてきた。また、発展途上国の典型的なライフスタイルから離れると、微生物の異常が起こりやすくなり、その結果、非感染性の慢性炎症性疾患を発症するリスクが高まることを指摘した。このような前提に立つと、微生物関連の疾患は、ほとんどが欧米の恵まれた生活を送っている人たちにしか発症しないのではないかと推測される。

しかし、発展途上国の子どもたちに最も深刻な影響を与えている環境性腸症に目を向けないわけにはいかない。この疾患では、大腸内の生態系の不均衡というよりも、消化管内の微生物の不適切な分布と豊富さが原因となっており、この不均衡な分布が病原体として重要な役割を果たしていると考えられている。

環境性腸症/環境性腸機能障害（EE/EED）は、主に近位腸に影響を及ぼす慢性疾患である。バリア機能の低下、小腸内での細菌の過剰増殖、小腸絨毛の萎縮につながる低度の腸炎を特徴とし、セリアック病の腸症に似ている面もある。また、下痢を伴わない吸収不良と全身性の炎症を特徴としている。EE/EEDの原因はいまだに議論の対象となっているが、低所得国の子供たちが糞便で汚染された食物や水を摂取することが一因であるという意見にはある程度の同意が得られている。

EE/EEDの臨床的結果は、腸脳軸のバランスが崩れた結果として、身体的発育不全と、おそらく神経認知機能の低下をもたらす。EE/EEDは明らかな症状を伴わないため、患児の罹患率や死亡率が高く、表面的な臨床評価では健常者と考えられるため、これらの臨床的特徴は一般的に優先すべき健康問題として認識されてかなかった。この疾患が国民全体の健康に与える影響を正しく理解するためには、発展途上国の3人に1人の子供が、重要な形成過程である生後2年間に発育不良を起こすことを指摘しておく必要がある。これは、水や衛生環境が不十分な場所で離乳することが多いため、環境中の病原体にさらされる機会が増えることと、少なくとも部分的には関係している。

EE/EEDがもたらす潜在的な発達上の影響は、貧困地域で育つ世界の子どもたちの3分の1の身体的および神経認知的な発達に壊滅的な影響を与える可能性がある。さらに、個人だけでなく、独立と繁栄を目指す国家全体に影響を及ぼす可能性のある長期的な影響についての理解が深まった今、EE/EEDを健康問題としてだけでなく、社会的・政治的な問題として考えることが不可欠であり、いくつかの可能な治療ターゲットを提供する病因に関する新しい情報を活用して、適切に対処する必要がある。

歴史的展望

EE/EEDが発見されたのは1960年代初頭のことである。熱帯地域における症候性下痢や吸収不良の原因を調査するための一連の研究では、一様に腸管透過性の異常や腸管組織学的な異常が高い頻度で認められていた。その中には、対照群として用いられた、一見無症状で栄養状態の良い健康な成人や小児における、絨毛の鈍化や粘膜の炎症などが含まれていた。また、タイやバングラデシュに派遣された平和部隊のボランティアを対象とした研究では、これらの特徴は後天的なものであり、先住民で観察されたものと類似していた。

さらに、新生児の腸の死後組織検査でも、これらの異常は出生時には見られず、生後6カ月以降に発生することがわかった。興味深いことに、これらの変化は可逆的で、インドやパキスタンに住んでいた平和部隊のボランティアがアメリカに帰国すると、熱帯地域を離れてから通常2年以内に組織学的な損傷や吸収障害が解消されていた。熱帯地域でのみ行われた初期の研究に基づき、この症状は「熱帯性腸症」と呼ばれた1。

前述のように、環境中の腸内細菌が腸の機能障害を引き起こすという問題は、発展途上国では以前から認識されていた。共著者のAlessio Fasano氏は、20年以上前に、当時は意識していなかったものの、この現象を身をもって体験している。メリーランド大学ワクチン開発センター（CVD）のメンバーだった彼は、弱毒性の経口コレラ生ワクチン候補に関する明らかな二律背反を解決しようとするグループと協力していた。このワクチンは、北米のボランティアでは非常に有効であったが、発展途上国の子どもたちを守るには効果が不十分であった。この問題は、このワクチン候補に限ったことではなく、ポリオや牛ロタウイルスなど、他の経口ワクチンでも同じような違いが報告されていた。

CVDのディレクターであるMike Levineは、Fasanoをオフィスに呼び、CVD 103-HgRと名付けられた弱毒化経口コレラワクチンについて、小児消化器専門医としての意見を求めた。CVD 103-HgRは、メリーランド州ボルチモアの都市住民を対象にした試験では、忍容性と防御性の点で非常に優れていたが、開発途上国の貧困地域の子供たちを対象にした試験では、コレラに対する防御性はほとんどなかった。ファザーノは、いくつかの可能性が考えられるが、最も妥当な説明は、発展途上国の子供たちは、おそらく汚染された食物や水を摂取したために、小腸内の生態系が異なっており、経口ワクチンとして摂取した場合にビブリオのコロニー形成と競合する可能性のある多数の細菌がコロニーを形成しているのではないか、というものであった。

Levine氏は、しばらく間を置いてから、このような腸内生態系の変化がこれまでに説明されたことがあるかどうか、もしあるとすれば、どのように診断するかを尋ねた。ファザーノは、小腸内に細菌が過剰に存在することを特徴とする小腸内細菌過繁殖（SIBO）という明確な臨床症状があり、水素呼気試験で診断できると説明した。このテストでは、被験者が糖分プローブ（グルコースまたはラクツロース）を経口摂取し、小腸内の細菌が糖分を発酵させることで発生する水素の呼気がSIBOのサインとなる。

レヴィンは、ファザーノに、水素を吸う検査機を購入して、CVDチリのあるサンチアゴで、すでにワクチンを接種する予定の学童にSIBOの可能性がないかどうかを検査する体制を整えてほしいと頼んだ。サンティアゴに飛んだファザーノは、同僚であるCVDチリのディレクター、ロザンナ・ラゴスの協力を得た。数週間後、彼らは研究室を立ち上げ、学年末までにコレラワクチンの接種を受ける予定の200人以上の子供たちに呼気水素検査を実施した。

案の定、SIBOと診断された子供たちのサブグループでは、ビブリオサイドのセロコンバージョンが低下し、その結果、V. choleraeに対する防御抗体が少なくなることが判明した2。これにより、ポリオ、ロタウイルス、そしてFasano氏らが開発したCVD 103-HgRを含むいくつかの経口生ワクチンが、先進国に比べて発展途上国では免疫原性が低く、その結果、防御力が低いことが説明できた。

SIBOと、現在EE/EEDとして公式に認められているものとの間に、劣悪な衛生環境と発育阻害を結びつける直接的な因果関係がある可能性が認められるまでには、さらに20年を要した。WHOによると、2016年には世界で約1億5,500万人の5歳未満児が発育不全に陥ったとされている3。多くの地域で発育不全の解消が進まない中、発育不全の大部分が単に不十分な食事や下痢だけが原因ではないことがわかってきており、その病態にバランスの悪いマイクロバイオームが関与している可能性が注目されている。

最近では、EE/EEDは、腸管バリア機能の崩壊、微生物やその副産物の腸管内腔から粘膜固有層への移行（またはその両方）、粘膜の炎症といった概念と関連している。この一連の出来事は、どこかで聞いたことがあるような気がする。これが最終的には、絨毛構造の損傷、消化吸収機能のさらなる低下、バリアーの破壊につながり、腸の機能低下の悪循環を引き起こす。多くのデザインされた研究では、腸管バリアーの障害が局所的・全身的な炎症反応と相まって成長障害につながることが示唆されている。また、劣悪な家庭環境は、被験者が腸管感染症やEE/EEDになりやすい可能性が高いとも言われている。

しかし、これらのメカニズムを改善し、臨床結果を向上させるために、EE/EEDを診断したり、さらにはリスクのある子どもの発生を予測したりするための特定のバイオマーカーは、まだ特定されておらず、検証もされていない。Fasano研究室では、EE/EED研究の先駆者であるRichard Guerrant氏が率いるバージニア大学の研究者と共同で、ブラジル北東部セアラ州フォルタレザ近郊の貧困地域を対象とした栄養クリニックで行われた栄養失調調査に登録された小児を対象に、機能的・構造的な「腸症」と栄養失調やその後の成長障害との関連を示すバイオマーカーの可能性を検討した4。

これらの研究により、腸管バリアーの破壊（LPSトランスロケーション）と腸管および全身の炎症の主要な非侵襲的バイオマーカーが、発育不全のリスクがある子どもを早期に発見するための潜在的なバイオマーカーとして同定された。その後の進展により、貧困環境にある子どもたちの腸管障害とその成長・発達への影響に対する早期介入の可能性が開けてきた。

カロリー摂取量だけではない

初期のワクチン研究と同時期に、いくつかの官民機関が、飢餓をなくし、小児の栄養不良に対処するための継続的かつ積極的なキャンペーンを実施していた。興味深いことに、このキャンペーンは栄養不良による死亡率の低下には効果があったが、これらの子供たちの発育不良の改善にはほとんど効果がなかった。

カロリー不足だけではなく、食物を消化吸収する腸の機能が低下していることが原因と考えられたのである。現在、EE/EEDの特徴である腸管障害が成長不良の原因であることがわかっているが、貧しい国に住む子どもたちは、食べるものが十分にないだけでなく、腸管障害による吸収不良のためにわずかな栄養も最適に利用できないというハンディを負っているのである。

したがって、社会経済的にも衛生的にも劣悪な環境で生活している子どもたちにSIBOが観察されたことと、標的給餌を行っても成長が完全に回復しなかったことが相まって、熱帯性腸症とその臨床転帰のメカニズムがある程度理解できた。前述のように、「熱帯性腸症」という言葉は、罹患者の多くが熱帯地域に住んでおり、その気候が発症の環境条件を整えていたことから採用された。

しかし、1999年に発表された14カ国の無症状のボランティアを対象に腸管透過性を比較した疫学データによると、熱帯性腸症は熱帯地方のすべての地域ではなく、多くの地域に存在することがわかった。また、シンガポールやカタールなどの社会経済水準の高い国では見られなかったことから、これらの異常な変化は熱帯の気候ではなく、社会経済的地位に依存しているという考えが支持されている5。したがって、「熱帯性腸症」は「環境性腸症（EE）」または「環境性腸機能障害（EED）」と改称されている。

EE/EEDの病因

EE/EEDの病態は、以下のように考えられている。離乳後間もない時期から、劣悪な衛生環境下にある子供たちは、腸内細菌やウイルス、寄生虫を含む便に汚染された食物や水に継続的にさらされる。このように摂取した微生物の負荷が増大すると、小腸の生態系が変化し、局所的なコロニー形成が起こり、SIBO（上部消化管の細菌の量的異常（105 CFU/mL以上）が不顕性と定義される）を引き起こす。また、SIBOの存在は、出生から2歳までの成長率と負の相関があることから、SIBOは成長障害の高い相対的リスクと関連することが示された6。

興味深いことに、本研究では、EE/EED患者で通常上昇する腸管透過性と全身性炎症がSIBOの存在と関連していなかったことから、SIBOがその後のEE/EEDの発症につながる初期段階であることが示唆された。この仮説は、すでに述べたように、バージニア大学のGuerrant教授のグループとの共同研究で得られた結果と一致している。

EE/EEDの発症を予測する非侵襲的なバイオマーカーを特定することを目的として、ブラジル北東部で栄養不良（発育阻害または消耗）の程度が異なる生後6カ月から26カ月の小児375人を対象に、機能的・構造的腸症の糞便、尿、全身性バイオマーカーと成長予測因子を評価した。発育不良と相関するバイオマーカーとしては、血漿中のIgA抗LPSおよび抗FliC、ゾヌリン、腸内脂肪酸結合蛋白（I-FABP）が挙げられ、初期の機能的な腸管バリアー障害を示唆していた。また、シトルリン、トリプトファン、血清アミロイドA（SAA）の低下は、防御機能の障害を示唆していた7。

一方、その後の成長は、糞便中のミエロペルオキシダーゼやα1アンチトリプシン（A1AT）、ラクチュロース/マンニトール（L/M）の値が高く、血漿中のLPS、I-FABP、SAAが腸管バリアーの破壊や炎症を示している子どもで予測された。興味深いことに、バイオマーカーは、(1)機能的な腸管バリアの破綻と転位（IgA抗LPSおよび抗FliC、ゾヌリン、I-FABP）、(2)構造的な腸管バリアの破綻と炎症（A1AT、L/M、Reg1、MPO）、(3)全身性の炎症（キヌレニン、cSD14、SAA、LBP）、(4)成長障害（トリプトファン、シトルリン）のマーカーにクラスター化していた8。

クラスターデンドログラム解析の結果、バイオマーカー自体が3つの主要なグループに分類される傾向があることがわかった。これらのグループは、腸管転位、腸管粘膜バリアの破壊と炎症、全身性の炎症反応を反映しており、これらの反応は、幼少期の繰り返しの腸管感染や「環境性腸症」に起因する長期的な成長、発達、代謝の影響に寄与している可能性が高いと考えられる。早期のタイトジャンクション効果を示す反応（zonulin）は、最近のLPSトランスロケーションの指標と一緒になっており、腸細胞および構造的バリアーの崩壊を示す反応（I-FABP、L/M、%L、A1AT、Reg1）は、腸の炎症の指標であるMPOと一緒になっている。

最後に、全身性の急性期または炎症反応のマーカー（SAA、キヌレニン、K/T、sCD14、LBP）は、腸管バリアーの崩壊や炎症に対する全身性の反応を示すクラスターであり、それが厄介な持続的成長や、発育および代謝への影響につながる。さらに、多変量解析によるパスウェイ分析では、バリア機能、腸内炎症、全身性マーカーが相互に線形的に関連するとともに、以前の発育不全やその後の成長とも関連することが示されている9。

これらのデータを総合すると、腸内細菌に汚染された水や食品の摂取から、ゾヌリン経路の活性化を伴うSIBOの発症まで、時間的にEE/EEDの「行進」が行われていることが示唆される。ゾヌリンによる腸管バリアーの機能低下は、豊富な微生物叢に由来するLPSやその他のエンドトキシンを腸管内腔から固有膜へと通過させ、低悪性度の局所炎症を引き起こす。腸内炎症は、バリア機能の機能的な破壊から構造的な破壊へと移行し、EE/EEDに特徴的な腸症と全身性の炎症を引き起こす悪循環に陥る。その結果、患児は、成長障害、経口ワクチンの効果低下、神経認知機能の低下などの症状を呈することになる。

EE/EEDに関連した微生物の異常

先に述べたように、腸管バリア機能とマイクロバイオームの構成および機能との間には相互に影響しあう関係がある。EE/EEDもその例外ではなく、この相互作用に影響を及ぼす栄養や炎症などの重要な要素がこの疾患には存在するからである。また、消化管内の微生物叢の不適切な分布（SIBO）や、糞便中のマイクロバイオームの組成の変化により、二次的に微生物叢が変化することがあることも、繰り返し述べておくる。

小腸内細菌の過剰増殖

SIBOの理想的な検査は、十二指腸吸引液の分析であるが、その侵襲性と技術的な複雑さから、この検査は現実的ではない。先に述べた呼気水素検査は、はるかに侵襲性が低く、安価であるため、EE/EED研究では、SIBOの診断に広く用いられている。ブラジルでは、3つの異なる研究が、呼気水素検査を用いて、ブラジルのサンパウロ州またはサンパウロ市の田舎にあるスラム街に住む学童の細菌の過剰増殖を調査した10。

ラクチュロースを基質とした呼気試験では、対照群（2.1～2.4％）に比べて、スラム街に住む子どもたちにSIBOが多く見られた（30.9～61％）11。2つの研究では差がなかったが、3つ目の研究では、SIBOのある子どもはない子どもに比べて発育が悪いことがわかった。しかし、3つの研究では、スラム街に住むSIBOの子どもたちの平均身長とZスコアは、より裕福な地域に住むマッチした対照群と比較して、有意に低いことが示された。

糞便中の微生物組成の変化

別の研究では、EE/EEDが多発している貧しい都市環境に住むバングラデシュの子どもと大人は、米国の健康で豊かな子どもと比べて、マイクロバイオームの組成が異なることが報告されている。具体的には、バングラデシュの子どもたちは、米国の子どもたちに比べて、Prevotella、Butyrivibrio、Oscillospiraのレベルが高まり、Bacteroidesのレベルが低下していた。また、バングラデシュの子どもたちは、マイクロバイオームの構成がより不安定で、最大6か月間、月ごとに評価した場合、大きく変動していた12。

さらに、バングラデシュの子どもたちは、米国の子どもたちに比べてバクテロイデーテス／フォルミキューテスの系統比が低く、便には腸内病原菌が存在せず、主に常在菌が生息していた。EE/EED児の腸内細菌叢の異常を説明する要素としては、糞便で汚染された食物や水に継続的にさらされることと、栄養失調が腸内細菌叢の変化に大きな影響を与えている可能性があると考えられる。

バングラデシュの研究では、毎月の評価において、糞便微生物叢と重度の急性栄養失調との間に興味深い関連性があることが示された。この研究では、腸内細菌叢の成熟度を「相対的細菌叢成熟度指数」と「年齢別細菌叢Zスコア」で測定した。この指数は、子どもの糞便中の細菌叢を、同年代の健康な子どもと比較して算出したものである。腸内細菌叢の未熟さは、栄養失調だけでなく、成長阻害とも相関していた13。

サンパウロ都市圏で行われた研究では、スラム街に住む学齢期の子ども100人と、私立学校から募集した社会経済的に恵まれた環境に住む子ども30人の腸内細菌叢を比較した。スラムに住む子どもたちは、細菌の数が多く、Firmicutes属とBacteroidetes属の生物、Escherichia属とLactobacillus属の生物が多く、Salmonellaの数は少なかった。また、C. difficileの有病率と数も低いことが確認された14。

興味深いことに、スラム街に住む子どもでは、古細菌のMethanobrevibacter smithiiが多く観察され、呼気中のメタン生成量も多かったことから、細菌の代謝パターンが異なっていることがわかった。SIBOと診断された子どもたちが貧しい都市部で生活していた場合、糞便中の微生物叢は、バクテロイデテス属とファーミキューテス属の細菌数が少なく、サルモネラ属の細菌数が多かった。

これらの研究を総合すると、SIBOは、微生物の局所的な存在感の異常にとどまらず、小腸内の微生物叢の質的（組成的）変化もEE/EEDの発症に重要な役割を果たしていることが示唆される。とはいえ、SIBOがEE/EEDを引き起こすメカニズムの説明はあっても、本章で概説した知見から、この症状がマイクロバイオーム組成の変化によっても引き起こされる可能性があると結論づけるのは、解釈上の無理がある。

実際、EE/EEDが蔓延している集団では、動物性脂肪やタンパク質が少なく、デンプンや繊維、植物性多糖類が多い食生活を送っている傾向がある。そのため、欧米型の食生活を送っている人とは、マイクロバイオームの構成が大きく異なる。このような食生活の違いは、マイクロバイオームに大きな違いをもたらす。先に述べた記述的なデータから、腸内細菌叢の異常（SIBOや便中のマイクロバイオームの組成や機能の変化）をEE/EEDに関連付けることができるような、よりメカニズムに基づいた研究に移行するためには、よりメカニズムに基づいた、より良いデザインの前向き研究が必要である。

この目標を達成しようとする優れたデザインの研究の例として、パキスタンのStudy of Environmental Enteropathy and Malnutrition（SEEM）がある。この研究では、パキスタンのマティアリにおいて、栄養不良の子ども350人と栄養状態の良い子ども50人のコホートを、生後6カ月から構築することを目標としている。SEEMの他の目標は、EE/EEDのバイオマーカーとして評価するために、血清、糞便、尿のサンプルを集めること、子どもの栄養不良のレベルに応じて教育的・栄養的介入を行うこと、教育的・栄養的介入に反応しない栄養不良の子どものサブセットを上部消化管内視鏡で評価し、栄養不良の治療可能な原因を特定することである。上部消化管内視鏡検査の生検標本を用いて、病理組織学、遺伝子発現、免疫プロファイリングを詳細に評価し、EE/EEDの病態生理をより明確にし、現在のバイオマーカー候補を検証し、新規のバイオマーカー候補を発見すること。 15

重要なことは、本研究は、組織学的に診断されたEE/EEDと、近位小腸および糞便中の微生物叢の構成との間に、識別可能な関係があるかどうかを検討するユニークな機会を提供することである。そのため、SEEMは2つの主要な副研究を含むように設計されている。すなわち、1）出生コホートメンバーの成長の縦断的分析、2）腸内細菌群集の特徴と十二指腸粘膜の遺伝子発現プロファイルおよび免疫表現型の特徴との相関を含む、マルチミック表現型と生検分析との相関であり、最終的には疾患の病因をより深く理解し、メカニズムに基づくバイオマーカーを同定することを目的としている16。

結論として、最近の研究は、EE/EEDの複雑な病因を解明し、この疾患をコントロールするための可能な戦略を示唆する重要な手がかりを提供しているが、効果的な診断方法や、したがって、潜在的な治療ターゲットはまだ見つかっていない。SEEM研究や同様の研究の成果は、成長障害、経口ワクチンの効果低下、神経認知機能の発達不良など、長期的な公衆衛生上の問題に影響を与えるEE/EEDに対する懸念を軽減することができる。

12 マイクロバイオームとがん

がん治療の新たな原理

慢性炎症性疾患の病態におけるマイクロバイオームの役割の関連性が考えられる中で、共著者のAlessio Fasanoがこの分野の研究に力を入れ始めたときに、絶対にレーダースクリーンに映らなかったのが、腫瘍性疾患との関連性であった。がんは米国における死因の第2位であり、2017年には約170万人が新たに診断されている1。健康な人では、がんではない細胞が細胞の再生をしっかりとコントロールしている。がん細胞が発生すると、このメカニズムが破壊され、細胞はエネルギーを生成するために異常な代謝経路を標的とするようになる2。

今から約20年前、Douglas HanahanとRobert Weinbergは、腫瘍性疾患の多様性を示す組織原理として、6つの「がんの特徴」を提唱した。これらの生物学的特徴とは、持続的な増殖シグナル、成長抑制因子の回避、細胞死への抵抗、複製可能な不死身、血管新生の誘導、侵襲と転移の活性化である3。この枠組みの中で、彼らは、ゲノムの不安定性と炎症が、がん細胞の「生存、増殖、拡散」を可能にするこれらの機能を助長すると主張した。2011年には、エネルギー代謝の再プログラム化と免疫破壊の回避が追加された4。

それ以来、がん生物学の分野では、最も目覚ましい知識の進歩が見られ、最近まで想像もできなかったような革新的な治療法が成功している。数十年前には末期症状であったがんの多くが、現在では完全寛解が可能な治療法となっている。また、治療不可能ながんと診断された場合でも、治療法の進歩により平均寿命が延び続けている。

このような進歩の多くは、細胞の生殖制御の喪失を、多くの腫瘍性疾患の進行を遅らせるために標的とすることができる特定の経路に機械的に結びつけるという、画期的な発見によるものである。しかし、がん生物学において最も注目すべき発見は、腫瘍性疾患の病因において免疫系が果たす役割が認識されたことであると言っても過言ではない。こうした発見の影響力の大きさを示すように、2018年には、体内の免疫系を利用してがん細胞を攻撃できることを発見した本庶佑とジェームズ・アリソンにノーベル医学・生理学賞が授与された5。

免疫系を標的とする

アリソンが受賞したのは、CTLA-4と呼ばれる、免疫システムのブレーキとなるタンパク質の研究が評価されたものである。アリソンの研究チームは、このブレーキを解除することで、免疫システムが腫瘍を攻撃するようになると、治療につながる可能性があることを発見した。この仮説をさらに発展させ、現在の治療のパラダイムを変える新たな原理に基づいた、がん患者のための治療法を開発した。

アリソンがこのタンパク質を標的にした直感は、自己免疫疾患の治療に関心を持つ同僚たちが利用しようとしたように、免疫システムにブレーキをかけることではなかった。つまり、CTLA-4タンパク質に対する抗体を用いることで、免疫系のブレーキを解除し、増殖性の高いがん細胞を攻撃できるようにするという、180度異なるアプローチを考え出したのだ。

アリソンらは1996年にこの方法を初めて試み、見事な結果を得た6。CTLA-4タンパク質を阻害する抗体でがんを誘発したマウスを治療すると、T細胞のブレーキが解除され、免疫システムががん細胞を攻撃するようになり、がんが完全に治癒することが確認されたのだ。アリソンのグループは、この技術に関心を示さなかった製薬業界の支援を受けずに、ヒトのがんに適用できる戦略を開発するために研究を続けた。2011年には、5回目となるヒトでの臨床試験が行われ、皮膚がんであるメラノーマの患者に画期的な結果が示された。アリソンのチームは、この患者グループを対象とした他の治療法では見られなかった方法で、がんが消滅したことを確認したのである7。

アリソンが研究を進めている間に、1992年、本城はPD1を発見した。PD1は、CTLA-4とは異なる作用機序で、同じく免疫系のブレーキとして働くタンパク質である。動物実験では、PD1を阻害することで強力な抗がん作用を示した。アリソンの研究と同様に、これらの前臨床研究は2012年に最初のヒト臨床試験で検証され、PD1阻害剤がさまざまながん患者の治療に有効であることが示された。

この臨床試験で最も注目すべき点は、治療不可能な転移性がんであっても、長期的な寛解と治癒の可能性が認められたことである。チェックポイント阻害剤を用いてがんに対する免疫反応を活性化するという2つの研究が発表されて以来、多くの研究や治療が行われるようになった。これにより、以前は治療不可能とされていた進行性のがんに苦しむ多くの患者の運命が根本的に変わった。

パラダイムを覆す

先に説明した、がんの生物学や治療における免疫細胞の重要性を考えれば、マイクロバイオームとその免疫系との相互影響関係が、がんにも関係している可能性があることは驚くことではない。一部の微生物ががんを誘発するという事実は、2000年代初頭から科学文献で認められている概念であり、最初の証拠は、潰瘍を引き起こす胃がんに関連する微生物であるヘリコバクター・ピロリによってもたらされた8。その発見は、2005年にバリー・マーシャルとJ.ロビン・ウォーレンが受賞したもう一つのノーベル医学生理学賞と関連している。

マーシャルは、オーストラリアのパースにあるロイヤル・パース病院の医師兼臨床微生物学者としてのキャリアの初期に、病理学者のウォーレンと協力して、スパイラル菌と胃炎の関連性を研究した。2005年のノーベル賞のプレスリリースによると、彼らは「胃の炎症（胃炎）や胃や十二指腸の潰瘍（消化性潰瘍疾患）は、ヘリコバクター・ピロリ菌による胃の感染症の結果であるという、驚くべき予想外の発見をした」という。この2人のオーストラリア人は、委員会から「粘り強さと、既成概念に挑戦する用意周到さ」があると称賛された9。

ウォーレンとマーシャルがピロリ菌を発見した1982年当時、消化性潰瘍はストレスなどの生活習慣が原因だと考えられていた。しかし、20年にわたる研究の結果、現在では十二指腸潰瘍や胃潰瘍の大部分はピロリ菌が原因であることが判明している。H.ピロリ菌の発見は、慢性感染症、炎症、微生物、がんの相互作用の研究を加速させた。

このように、特定の微生物とがんとの関係を示す初期の証拠が得られた後、さまざまな微生物を用いた多くの事例が続いた。例えば、毒素を持つグラム陰性菌のB. fragilisやFusobacterium、持続的な増殖シグナルを引き起こすCutibacterium acnes、ゲノムの不安定性や突然変異を引き起こす一部の大腸菌などである。また、腸内細菌叢を調整することで、さまざまながん治療に対する反応に影響を与える可能性を示唆する証拠も増えている。この概念は、個別化医療という新しい概念と密接に関係しており、本書でも紹介されているように、マイクロバイオームが極めて重要な役割を果たすことになるだろう。

チェックポイント阻害剤のマウスへの投与

Science誌に掲載された3つの重要な研究は、マイクロバイオームの構成と前述のチェックポイント阻害剤の有効性を関連付けるもので、マイクロバイオーム、免疫系、がんの関連性がさらに強調されている。これら3つの研究のうち、最初の研究では、広域抗生物質によって引き起こされた微生物の異常が、患者およびマウスの両方において、PD1阻害剤によるがん治療の失敗と関連していた。さらに、これらの3つの研究では、独立した患者集団を対象とした糞便マイクロバイオーム解析により、臨床反応と正の相関を示す特定の細菌が同定された。

さらに、反応した人と反応しなかった人の糞便サンプルを無菌マウスに移植したところ、さらに驚くべき結果が得られた。このマウスには、がんの移植とチェックポイント阻害剤が投与され、糞便移植を受けたときのレスポンダーとノンレスポンダーの表現型が再現されたのである。つまり、ノンレスポンダーの患者の微生物群を移植したマウスはチェックポイント阻害剤に反応せず、レスポンダーの患者の微生物群を移植したマウスは反応したのである。

これら3つの独立した研究には多くの共通点があるが、3つの研究のうち2つの研究では、Akkermansia muciniphilaという特定の菌株がレスポンダー患者に過剰に存在していたことを報告することが重要である。また、Akkermansiaが属するVerrucomicrobiaceae familyの細菌属も、3つの研究すべてにおいて、レスポンダー患者に多く見られた。これらの知見は心強いものであるが、それにもかかわらず、患者の腸内細菌叢に基づいて効果的な個別化抗がん剤治療を行うために必要な深い知識はまだ不足している。

乳がんの医師・研究者であるLaurence Zitvogel氏が率いるフランスのグループのビジョンが実現すれば、これは彼女の現在の研究の成功例となるだろう。ジトボーゲルは、パリ・サクレー大学医学部の免疫学・生物学の教授であり、フランスのヴィルジュイフにあるギュスターヴ・ルーシー研究所の免疫腫瘍学部門の科学的ディレクターでもある。

また、がん免疫学と免疫療法の発展に貢献してきた彼女は、さまざまながんにおける常在微生物の新たな役割についての研究に力を注いできた。本誌では、腸内細菌叢ががんの免疫セットポイントを決定する重要な要素であるという仮説を裏付ける最近の知見と、これが将来の治療法にとってどのような意味を持つのかについて、Zitvogel氏に見解を求めた10。Zitvogel氏は、マイクロバイオームとがんの関連性をより深く理解するための研究を通じて、彼女が「成文化された」と呼ぶ治療法への進展を加速するために、さまざまなグループ間でより深い協力関係を築くことを呼びかけている11。

がん免疫学の先駆者

「Zitvogelは、同僚のGuido Kroemerとともに、新たながん治療法の開発に向けて、複雑で困難な問題に取り組むために必要な全体像を見事に表現している12。Zitvogel研究室の最大の目標は、体のさまざまな場所に存在する特定のがんが腸内細菌叢とどのように関連しているのか、また、腸内細菌叢の組成と機能ががんの発症とどのように関連しているのかを示す新しいツールを開発することである。

マイクロバイオームに関連した現在の問題のすべて、あるいはほとんどの問題、特にがんに関する問題の「核心」は、腸内細菌の異常とがん、あるいは自己免疫、アレルギーなど、その人の健康に影響を与える慢性的な炎症状態との関係にある。ジトボーゲルの研究は、この重要な前提に基づいて、次のような具体的な疑問に取り組んでいる。がんは腸内細菌叢の構成を変化させるのか、また、最終的にがんを引き起こすメカニズムを活性化させる単一のコアストレッサーは存在するのか？がんは腸内細菌叢の構成を変化させるのか？最後に、特定の治療法は、がん患者の腸内細菌叢の構成と機能にどのような影響を与えるのだろうか13。

Zitvogel氏の組織は、欧州委員会の「Horizon 2020」イニシアティブの一環として欧州委員会から資金提供を受けたプロジェクトを通じて、ヨーロッパと北米の19のパートナーグループをコーディネートし、これらの疑問に答える正確な方法を開発している（以下参照）。非免疫学研究のこの時点で、彼女は「すべてが可能である。そして、食事と微生物の間に関連性があることを知り、それを少しずつ解明していけば、がんを発症する過程でどのメカニズムが活性化されるのかを知ることができる」14。この献身的な科学者は、広い視野を持ち、腸内細菌叢がどのようにがんを発症させる「楽譜」の「指揮者」として機能するのかという疑問に対する複雑な答えを求めている。

ここでは、この複雑な会話の2つの側面、すなわち、腸内細菌叢とがんの関連性と、正統派の抗がん剤治療に対する患者の反応の有効性において細菌叢が果たす役割に焦点を当てる。根本的な疑問は、「抗がん剤に対する一部の患者の反応が、なぜ腸内細菌叢に依存しているように見えるのか」、「がん治療、特に免疫療法において、腸内細菌叢はどのような役割を果たしているのか」ということである。

全体像

がん免疫療法の複雑な問題を掘り下げる前に、今日の先進国のがん罹患率の全体像と、その要因について考えてみよう。驚くべき統計によると、ヨーロッパの人口は世界人口の9％であるにもかかわらず、その人口は世界のがん罹患率の25％を占めている。Jacques Ferlay氏らによると、2018年の欧州におけるがん（非黒色腫皮膚がんを除く）の新規罹患者数は約400万人、がんによる死亡者数は約200万人であった15。

がんは世界の死因の第2位であり、最も多いがんは女性の乳がん、大腸がん、肺がん、前立腺がんであるとされている。米国では、皮膚がんの症例数が他のがんの症例数を合わせた数を上回っている16。ブラジルの研究者によると、上皮性の原発皮膚腫瘍の75％を占める基底細胞がんは、過去30年間で20％から80％に急増している17。

Zitvogel氏によると、先進国におけるこのような有病率の増加は、いくつかの要因が重なっている可能性が高いとのことである。そのうちの2つは、診断能力の向上によるがんの診断数の増加と、環境による悪影響の増加で、西欧諸国ではがんの発生率が加速している。環境要因には、微小環境汚染、すなわち「エクスポソーム」と呼ばれるものがある。この言葉は、2005年にクリストファー・ワイルドがヒトゲノムと並行して環境リスク要因の役割を探求した画期的な論文の中で生まれたものである18。CDCは、エクスポソームを「出生前から生涯にわたって個人が環境や職業から受けるすべての曝露を測定し、それらの曝露が健康とどのように関連しているかを示すもの」と定義している19。

CDCによると、「環境、食生活、ライフスタイルなどからの曝露が、遺伝学、生理学、エピジェネティクスなどの独自の特性とどのように相互作用して健康に影響を与えるかを理解することが、『エクスポソーム』を明確にする方法である」20とされている。これには、有害物質や有毒物質への曝露、栄養不足、欧米型の食生活における悪い習慣などが含まれる。ジトボーゲルの見解によれば、エクスポソームを構成する要因が、特に欧米諸国で目の当たりにしているがんの流行に関連する重要な原因要素である可能性が高いことは確かである。例えば、タバコの煙やアスベストへの曝露が、肺がんの増加や先端基底がんの増加と関係していることなどである。

暴走する細胞

がんは、細胞が成長を止める抑制機能を失った異常な状態である。我々の健康な細胞は、最終的に成熟するまで成長するようにプログラムされている。傷を負って組織の一部が失われると（傷やセリアック病の絨毛の減少などが典型的な例）、細胞は失われた組織を再生しようとプログラムを起動する。新しい組織を作るために、この機械のスイッチを入れるシグナル伝達についてはほとんど分かっていない。

がんとは、この機械が必要ないときに不適切にオンになることである。適切でないときに繁殖するようにプログラムされた細胞があり、それが「おかしくなった」と言えるのである。細胞に繁殖を促す配線は何なのだろうか？我々は、がんに関連する特定のシグナルがあることを知っている。つまり、特定の遺伝子、エピジェネティック、および代謝経路が、細胞増殖を狂わせるこの反応に関連しているのである。

我々が理解しているのは、これらの細胞の再生産は、生理学のバランスをとる行為だということである。一方では、常に「オン」になっている特定の伝達経路が活性化されている場合もある（典型的な例は腸の幹細胞で、毎週のように自己再生している）。多能性幹細胞は、特定の微小環境や免疫調節を必要とせず、生涯にわたってオンの状態を保つようにプログラムされている。

また、セリアック病の場合のように、上皮細胞が炎症により急速に破壊された場合には、これらの同じ幹細胞は繁殖ペースを速める能力を持っている。セリアック病の場合、食事からグルテンを除去することで、このような刺激が取り除かれると、幹細胞コンパートメントは、上皮層を毎週更新するという日常業務に戻る。幹細胞の再生能力は、Wntシグナル伝達経路やヘッジホッグ（Hh）シグナル伝達経路など、細胞周期に関わる特定の経路と関連している。

MIBRCの研究者らは、これらの経路を研究した結果、活動性セリアック病の患者（成熟した上皮細胞の破壊が加速され、それを補うために幹細胞が増加している状態）では、幹細胞の数が増加し、Wntに応答するコンパートメントが拡大していることを発見した。さらに、腸の幹細胞ニッチの一部であると予測される間葉系細胞の数と分布にも変化が見られた。分子レベルでは、Indian HhおよびHh経路の他の構成要素の発現低下が認められた。これらの変化を合わせて考えると、セリアック病に典型的な炎症性の侮辱に対する幹細胞による適切な補償の兆候である21。

一方で、これらの組織では、微小環境の変化により、これらの経路が不必要にオンになってしまうことがある。その結果、最終的には腫瘍の形質転換につながる可能性がある。がんとの戦いは、我々の免疫系にとって日常的な作業である可能性が高い。Cancer Treatment Centers of AmericaのAlan Tan氏によると、免疫系は、”目に見えるがんが体内に発生しないように、少量のがん細胞をフィルタリングして排除する “というメカニズムで、定期的にがんや前がんを撃退している可能性が高いという。彼は、時間の経過とともに老化が進み、バランスが崩れて、前がんやがんにつながる可能性があると指摘している22。

がんの発生は、細胞の内在的な経路の制御異常と免疫監視からの逃避が共存することで生じる。一方では、細胞は増殖すべきでないときに増殖し、他方では、内在的な合図と外在的な合図が相互に関連しながら、免疫系がそれらを排除することができない。これが発がんを引き起こすパーフェクトストームなのである。

がん患者の層別化

がんと腸内細菌叢のさまざまな構成要素を解明する上で考慮すべき他の要因として、がんの段階や治療の種類（化学療法とチェックポイント阻害剤）によって細菌叢が異なるという事実が挙げられる。Zitvogel氏は、肺がん患者に使用されるチェックポイント阻害剤は、非小細胞肺がん患者におけるチェックポイント阻害剤肺炎など、より重篤な副作用を引き起こす可能性があることを指摘している23。逆に、例えば乳がん治療に伴う化学療法の副作用は、毒性はあるものの、それほど重篤ではない。

Zitvogel氏は、効果的な治療のためには、がんの種類、がんのステージ、がんの部位、そしてこの種のがんに典型的に見られる症状によって、これらの人々をサブセットに分類する必要があると述べている。前立腺がんのように、高齢者に発生しやすいがんがある。乳がんは28歳から45歳の女性に多く発生するが、これは別の課題を示している。ヒトのマイクロバイオームとがんの関連性に影響を与えるような、特定のがんを特定の年齢や体内の特定の場所と結びつける性的ホルモンの役割とは？

この分野の研究では、今後数年間で研究すべきことが非常に多く、主な疑問点は以下の通りである。腸内細菌叢が癌を「引き起こす」のか、それとも癌が腸内細菌叢の異常を「引き起こす」のか。この「鶏か卵か」の問題は、肥満、がん、あるいは本書の第2部で検討してきた他の疾患に関わる問題であっても、議論の中心となる。

この問題をより深く掘り下げると、ある患者は腸内細菌の構成によって治療への反応が異なるようである。弾力性のあるマイクロバイオームがあれば、がんと戦い、治療効果を最大限に高めることができるのは当然のことであるが、これはまだ証明されていない。この疑問が解ければ、腸内細菌叢をがんの治療や予防に活用することが可能になる」と述べている。

Zitvogel教授のグループは、Horizon 2020のOncobiomeプロジェクトの調整機関として、この難問に取り組んでいる。欧州連合（EU）の「Horizon 2020」プログラムの一環として、欧州10カ国から約9,000人のがん患者を募り、4種類のがんのマイクロバイオームシグネチャーと治療反応を研究することを目指している。欧州委員会のウェブサイトには、このプロジェクトの狙いが書かれている。

ONCOBIOMEは、以下の目的を追求する。癌の発生、予後、治療（ポリケモセラピー、免疫チェックポイント阻害剤、樹状細胞ワクチン）への反応、進行、副作用に関連するコアまたは癌に特異的なGut OncoMicrobiome Signatures（GOMS）を同定し、検証する。2/ 癌に関連した腸内環境の生態系が、宿主の代謝、免疫、発癌を制御する上で、どのような機能的関連性があるのかを解読し、3/ これらのGOMSを他の癌の特徴（クリニック、ゲノミクス、免疫学、メタボロミクス）と統合し、4/ これらの統合されたシグネチャーに基づいて、癌の発生と進行を予測するための最適なコンパニオンテストをデザインする。オ ンコバイオーム社は、学際的な専門家を擁し、乳がん、大腸がん、メラノーマ、肺がんなどのがんや治療に特化したGut OncoMicrobiome Signatures（GOMS）を共変量を調整して検証し、革新的なプラットフォームにおけるGOMSの作用機序を解明することで、特性の優れたプレバイオティクスやプロバイオティクスを用いたがん予防キャンペーンの設計を支援することを期待している24。

免疫コミュニケーションの解明

Zitvogel氏は、患者のマイクロバイオームの中には、化学療法の効率を高める種と、効率を低下させる種があると指摘する。このような結果を受けて、個別化医療の実現に向けて動き出したのだろうか？ジトボーゲルは、特定の生物種に合わせて治療をカスタマイズしたり、バクテリア、ウイルス、寄生虫、古細菌、遺伝的背景などの生態系全体を利用して、がん治療に有利な人、不利な人を予測したりすることを「コーディファイド」と呼んでいる。ジトボーゲルは、このような微生物生態系のプロファイリングに基づいて、最終的に人が分類されるようになると考えている25。

そのためには、腸管免疫系と全身の免疫系をつなぐメカニズムを明らかにすることが重要であり、Zitvogel氏の研究室ではそれを目指している。研究者たちは、免疫細胞がどのように腸からがんの部位に移動するのか、それががんの免疫学にどのような影響を与えるのかを解明したいと考えている。内分泌活性、サイトカイン、ニューロカイン、神経全体のシグナル、脂肪組織の関与、細菌、腸管透過性の亢進などの要因が、どのような「言語」によって免疫細胞を変化させ、がんの発生や行動に関与しているのだろうか。

マイクロバイオーム研究の進展は、文字通り、未踏の領域、つまりジットボーゲル氏が “ダークマター “と呼ぶ領域へと我々を導いている。それは、新しい細菌株を同定し、研究者がアクセスできるようにレポジトリに保管すること、これらの新しい株が局所的だけでなく、骨髄、脂肪組織、胸腺、腫瘍病変などの体内の他の部位でどの程度機能しているかをマッピングすること、そして、これらの新しい株が他の微生物との関係を最適化するために適切な成長条件を決定することである。最後に、マイクロバイオームと臓器や組織との対話を理解するために、彼女が「幸せ」と呼ぶ株や、その株が同居できる相手（「共起ネットワーク」）を見つけることも重要な課題である。

化学療法であれ、免疫抑制剤であれ、がん治療に用いられる薬剤が腸内の常在菌にどのような影響を与えているかを理解しようとすることも重要な課題である。また、がんの部位の生態系（例えば、大腸と回腸では免疫システムが異なる）も重要だ。小腸と大腸では、がんの進行が異なる軌跡を描くる。「回腸と大腸の違いを理解する必要があり、私の研究室ではこれらの免疫システムに注目している」とZitvogel氏は述べている26。

腸管がんの軌跡を明らかにするためには、動物モデルでは、ヒトの体内に存在するがんの特徴をすべて再現することはできない。そのため、臓器や組織とマイクロバイオームとの対話を理解するための新たなモデルを開発し、その上で、がんに対する潜在的な薬剤などの治療法を検証する必要がある。

MGHのMIBRCでは、小腸を再現した「ミニガット」や腸管オルガノイドを開発している。セリアック病や壊死性腸炎（第9章参照）は、この新しいモデルを使って研究している疾患である。Zitvogel氏は、腸管オルガノイドを、微生物が腸内を通って固有膜を経由してがん部位に到達する様子を研究するための有望なモデルと考えている。

第6章で説明した自己免疫の「5つの柱」は、遺伝、環境因子、腸管透過性の亢進、免疫系の調節障害、バランスの悪いマイクロバイオームという、がんの病態にも適用できる。Zitvogelは、がん研究におけるヒトのマイクロバイオームの役割を研究するためには、マルチオミックモデリング、数理モデル、粘膜免疫と宿主のゲノミクス、メタボロームとプロテオミクスのプロファイリング、そして環境因子に目を向けることが必要であると同意している27。それには、これまで研究で孤立していた科学者が集まり、アイデアを相互に受精させ、その後の知見を共有することが必要である。医学でも生物医学研究でも、2世紀近くもの間、我々は病気に焦点を絞ってきた。

がんのディスバイオシス

ジトボーゲル氏が指摘するように、がん患者が腸内細菌叢の異常を抱えているという、かなり説得力のある研究結果が出始めている。腸内の生態系が機能不全に陥っているために免疫系が誤った状態になっていると、がんやセリアック病、HIV、肥満などに対抗する効果が低くなる。このように相互に関連するシステムは、制御されていない抗原の売買を復活させ、敵が殺到し、再び免疫システムに影響を与える。要するに、がんと腸内細菌の異常という2つの状態が相互に関連しているということである。人が不適切な免疫反応を起こしてがんと闘えなくなった場合、その免疫反応は腸の機能に依存している。

しかし、個別化された、あるいは「成文化された」治療という概念に戻ると、Zitvogel氏は、がん治療を受けている人の中には、マイクロバイオームのバランスが崩れていても問題がない人もいると言う。この関連性を調べることで、がんの病因における腸内細菌の異常とバリア機能の低下との関連性の可能性についての洞察が得られる。

木の後ろに森」があるのだろうか？つまり、腸のバリアーを損なっているがんによる代謝異常があるのだろうか？この生物学的現象を引き起こしているプライミング因子を特定することは、個々の介入を目標とする上で非常に重要だ。しかし、Zitvogel氏の言葉を借りれば、「マイクロバイオームをビジネスチャンスだと思って飛びつくのではなく、走ろうとする前にまず歩くことを学ばなければならない。我々は、発言や結論を出す際には非常に慎重でなければならない。我々は、この責任を非常に重く受け止めている」29。

患者革命

マイクロバイオームの研究や、がんの予防と治療のための潜在的な介入方法が進化するにつれ、ジトボーゲルが強調したもう一つの重要な要素がある。最新の科学研究にほぼ誰もがアクセスできるようになったことに加え、強力なソーシャルメディアのプラットフォームができたことで、1980年代にはプライマリ・ケア・プロバイダーと腫瘍医ががん患者の意思決定のほとんどを行っていた状況が一変した。

現在、多くの患者は、化学療法、手術、放射線、免疫療法などの標準的な治療を超えて、治療に積極的に関わりたいと考えている。食生活の改善、プレバイオティクスやプロバイオティクスの摂取、ハーブサプリメントの摂取、鍼灸治療への参加、エクササイズやヨガクラスの受講、その他の補助的な治療法の追求など、ライフスタイルを変えようとしている。Zitvogel氏は、新しい治療法を開発し、”オンコバイオーム “を理解するためには、この患者の要素が不可欠であると考えている。

「我々は、患者とその一般開業医が参加することで、今後のがん治療の方向性を変える社会的な動きを目の当たりにすることができると信じている。「彼らの協力がなければ、我々は何もできない」30。

我々は、ヒトのマイクロバイオームとその宿主との相互作用の複雑さと、この相互作用による非常に異なる臨床結果を理解した上で、この科学的革命を受動的に支援するのではなく、マイクロバイオームの発見を治療に結実させるために、患者がより積極的な役割を果たすべきであるという彼女の評価を完全に共有している。この目標を達成するためには、マイクロバイオーム科学を、主に記述的な性質のものから、マイクロバイオームの構成と機能を、さまざまな慢性炎症性疾患の病因に関与していることが証明されている特定の経路に結びつける、より機械的な研究へと移行させる必要がある。本書の第3部では、マイクロバイオームの役割が仮定されているさまざまな疾患に対する個別化された介入や一次予防を実施するために、ヒトのマイクロバイオームに関する膨大な情報をいかに活用するかについて考察している。

III マイクロバイオームを操作して健康を維持する

13 関連性から因果関係へ。疾患発症におけるマイクロバイオームの構成と機能に関する新しいアプローチ

健康」なマイクロバイオームを求めて

本書の第1部と第2部を根気よく読んでくれた方は、これまでに発表されたヒトのマイクロバイオームに関する豊富な研究によって、人類に影響を及ぼすほとんどすべての疾患にマイクロバイオームの異常が関連づけられ、これまでにない治療的介入が可能になり、実質的に無限の応用ができるようになったと思われるかもしれない。従来の薬物療法と比較して、ヒトのマイクロバイオームを操作することは、慢性炎症性疾患に対してより自然で、したがってより受け入れられやすい治療法を提供するなど、数え切れないほどの利点がある。また、病気の結果ではなく原因に取り組むことができ、微生物の異常によって引き起こされる複数の問題を一度の介入で解決できる可能性もある。

しかし、健康や病気におけるヒトのマイクロバイオームの役割に焦点を当てた研究は驚異的なスピードで成長しているが、このテーマに関する研究文献のほとんどが記述的な性質を持っているため、これらの知見の臨床適用性は吟味されている。現在行われている研究では、異なる分類レベル、異なる時点、異なる場所、異なるプラットフォームでの異なる収集・保存方法、異なる計算戦略を用いて、マイクロバイオータを評価している。この分野の急激な成長は、個々の研究の焦点が狭いこと、サンプルサイズが小さいこと、標準化されていないこと、そして最も重要なことは、任意の疾患に罹患した患者とマッチさせた健常対照者を比較するクロスセクション研究デザインであることに起因している。この方法では、健康な被験者は、健康を維持するための理想的な目標である「正常なマイクロバイオーム」を保持していると考えられる。しかし、「正常な」マイクロバイオームについては、明確な理解はない。

この問題に具体的に取り組むために、学界、政府、産業界の専門家のグループは、ヒトの病気との関連で最も研究されている腸内細菌叢に注目した。International Life Sciences Instituteの北米支部は、2018年12月にワシントンD.C.で、ワークショップ「Can We Begin to Define a Healthy Gut Microbiome through Quantifiable Characteristics」を開催した。彼らの目的は、（1）ヒトの腸内マイクロバイオームとそれに関連するヒトの健康上の利益に関するエビデンスの状態について、専門家による集団的な評価を行うこと、（2）健康の指標となり得る測定可能な腸内マイクロバイオームの特性を確立するのに十分なエビデンスがあるかどうかを確認すること、（3）健康な腸内マイクロバイオームと宿主の関係を完全に特徴づけるための短期および長期の研究ニーズを特定すること、（4）調査結果を発表することであった。

興味深いことに、彼らは以下のような結論に達した。

1) 腸内細菌叢の構造における特定の変化と、人間の健康に関する機能やマーカーとの間のメカニズム的な関連性はまだ確立されていない。2) 腸内細菌叢の異常が、人間の腸上皮機能の変化や病気の原因、結果、あるいはその両方であるかどうかは確立されていない。3) マイクロバイオーム群集は個人差が大きく、摂動に対する個人間の変動が大きく、長年にわたって安定している傾向がある。 4) マイクロバイオームと宿主の相互作用は複雑であるため、腸内マイクロバイオームと宿主の健康との関係を解明するためには、包括的で学際的な研究課題が必要である。5) 宿主の代謝表現型に基づくバイオマーカーや代替指標を確立するのと同様のアプローチを用いて、マイクロバイオームに基づく宿主の機能や発病プロセスのバイオマーカーや代替指標を決定し、正常範囲とともに検証する必要がある。曝露や介入に対する反応を測定する将来の研究では、検証された微生物関連のバイオマーカーや代替指標と、マルチオミクスによるマイクロバイオームの特性解析を組み合わせる必要がある。 1

腸内細菌叢の動的変化を測定する試みについての最後の指摘は、特に重要だ。ここに挙げたすべての結論に反対することは難しいであるが、「正常なマイクロバイオーム」を見つけることは、論理的で達成可能な目標なのだろうか？腸内マイクロバイオームの構成と機能の移植、発達、そしてダイナミックな性質は非常に個人的なものであり、「正常な」マイクロバイオームを定義することは、誰かの髪の毛の長さや色を「正常な」と定義するようなものである。

例えば、全体的な目標が、特定の環境で特定のライフスタイルを送る、遺伝的に異なる個体である人間の宿主と理想的な共生関係を築くことができる腸内細菌叢を「選択」することだとしよう。最終的な目標が、健康と病気のバランスを決定する代謝プロセスの生理学的プロファイルを維持することであるならば、我々はそれぞれが「健康な」マイクロバイオームを持っているという概念を受け入れる必要がある。このマイクロバイオームは、人によっては必ずしも健康的ではないかもしれない。この概念は、様々な慢性炎症性疾患に罹患している患者のマイクロバイオームを操作するための特定のターゲットを見つけ、健康を取り戻すことを究極の目的とする上で、真の課題を提起している。

理想的な」マイクロバイオームを見つけるためのこれらの課題を、過去10年間にマイクロバイオーム研究に関して発表された指数関数的に増加した文献（主にマウスモデルに基づく）に加えると、これまでの時間とお金を無駄にしたと結論づけるべきだろうか？なぜなら、現在のアプローチを超えて、最終的にこの基礎的な知識を活用するためには、ヒトのマイクロバイオームに関するこの10年間の深い科学的調査が不可欠だからである。では、ヒトのマイクロバイオームを治療や予防に応用するためには、どのようなロードマップに従えばよいのだろうか。ここでは、我々がこれまで歩んできた道のりを振り返り、すでに蓄積された経験から学んでみよう。

動物実験

マイクロバイオームとヒト疾患との関連をメカニズム的に示す動物モデルの長所と短所

マウスモデルは、ヒトの解剖学、生理学、遺伝学との類似点が多く、機能研究を行うための遺伝子改変マウスモデルを作製できることから、生物医学研究に広く用いられてきた。管理コストが低く、繁殖率が高く、ライフサイクルが短いこともマウスモデルの利点であり、腸内細菌叢の役割や機能、疾患との関連性を研究するためにますます利用されるようになっている。

マウスヒト化モデル（糞便中のヒトマイクロバイオームをマウス宿主に移植する）のような特殊な実験的アプローチは、宿主と微生物の相互作用に関する機能的・機構的研究を可能にし、疾患に伴う腸内細菌叢組成の変化の因果関係の評価に役立つ。腸内細菌叢研究のメカニズム解明に役立つ操作としては、宿主の遺伝的背景の変更（遺伝子ノックアウト）、腸内細菌叢の組成の変更（無菌マウスまたは無生物マウスへのマイクロバイオーム接種）、食事介入、抗生物質治療、糞便移植などの環境の変更が挙げられる。

これらのアプローチにより、IBDの発症における腸内細菌叢の役割、肥満における宿主のエネルギーバランスの制御、神経炎症性疾患に関連する腸と脳のクロストークなど、いくつかの疾患の病理学的メカニズムに関する重要な情報が得られている。このような実験結果は、腸内細菌叢とその宿主との間のダイナミックで複雑な関係を理解する上で重要な突破口となっているが、ヒトとマウスの宿主の間には重要な違いがあるため、マウスモデルからヒトにこのような結果を翻訳することは困難である。

マウスとヒトの腸の解剖学的違い

マウスとヒトは、生理機能や解剖学的構造が類似しているため、生物医学研究においてマウスモデルが頻繁に使用される理由となっている。しかし、宿主のマイクロバイオームの大部分が存在する消化管を詳細に観察すると、ヒトとマウスでは、食生活、摂食パターン、体格、代謝要件が異なるため、解剖学的機能に大きな違いがある。具体的には、ヒトの小腸と大腸の長さの比はマウスに比べて約3倍、さらに小腸と大腸の表面積の比はマウスに比べて20倍以上も大きい。

さらに、マウスには大きな盲腸があり、植物を発酵させてビタミンKやBを生成しているが、これらは自分の糞を食べる「コプロファイジー」によって再吸収される。一方、人間の盲腸は、塩分や電解質を吸収したり、植物性物質からセルロースを分解したりする機能を持っているが、非常に小さい。これらの構造的な違いは、マウスが大腸で難消化性成分から栄養分やエネルギーを取り出すのに対し、ヒトはほとんど小腸で消化吸収するという食性の違いを反映している。

このようなヒトとマウスの消化管における解剖学的・機能的な違いは、マウスの発酵能力の高さと関連しており、大腸における腸内細菌群集の多様性と構成に大きな違いをもたらしている。マウスの宿主では、これらの微生物群集は、難消化性食品成分の発酵だけでなく、必須ビタミンやSCFAの産生も担っている。

ヒトとマウスでは腸内細菌叢の組成と機能が異なる

ヒトとマウスの宿主では、BacteroidetesとFirmicutesという2つの主要な系統が同じように優勢であるとしても、より深い分類学的分析により、マウスの腸内細菌叢で見つかった細菌属の85％がヒトの腸内では検出されないことが明らかになっている2。ヒトとマウスの間でマイクロバイオームの組成と機能の両方を比較分析することは、いくつかの研究技術の違いによって妨げられることがわかった。

これには、解析に使用するサンプルの選択部位（ヒトの腸内細菌研究では便サンプルが使用され、マウスの腸内細菌研究では通常、糞便内容物が使用される）と、シーケンス解析自体が含まれる。ヒトでは、特に最近の研究では、16S rRNAとメタゲノムシーケンスの両方が使用されているが、マウスでは、ほとんどが16S rRNAのアプローチである。さらに、マウスとヒトの間で報告されているマイクロバイオーム組成の違いには、食事、ライフスタイル、病原体への曝露など、その他の変数が影響している可能性もある。

以上の議論から、宿主のマイクロバイオームを臨床結果に結びつける上で、マウスモデルの役割は限られているという誤った結論に達する可能性がある。しかし、いくつかの限界はあるものの、疾患の発症におけるマイクロバイオームの組成と機能についての洞察を得るために、マウスモデルを使用することには議論の余地のない利点がある。

マウスモデルの限界を克服し、マイクロバイオーム研究を関連性から原因究明へと導く

微生物-表現型の三角測量

マウスモデルを賢く使うことで、健康や病気におけるヒトとマイクロバイオームの相互作用を解明することができるという典型的な例が、ハーバード大学医学部のNeeraj Surana氏とDennis Kasper氏の研究にある。この分野の大きな難問の1つは、関連性から機械的な因果関係への移行である。ヒトを対象としたマイクロバイオームワイド関連研究では、健康や病気に関与する可能性のある微生物のリストが多数作成されるが、これらの相関関係を超えて因果関係にまで踏み込むことは、依然として困難な課題である。しかし、同定されたすべての微生物、あるいは上位候補の微生物をマウスモデルで研究することは、非常に困難な作業である。

SuranaとKasperは、この問題を解決するために、マイクロバイオームの因果関係を調べる新しい方法を採用した。その結果、マウスのマイクロバイオームをコロニー化したマウスは、ヒトのマイクロバイオームをコロニー化したマウスに比べて、黄砂による大腸炎に対する感受性が高いことがわかった。そこで、2つのグループ間で異なる微生物だけに注目するのではなく、マウスをコホート化して、中間的な表現型をもつハイブリッド・マイクロバイオータ動物を作成した。重症度の低いマウスと高いマウスの間で4つのペアワイズ比較を行った結果、すべての比較対象に存在する分類群はLachnospiraceaeの1つだけであることが判明した3。

研究者らは、ヒトのマイクロバイオームから、Clostridium immunis（この科の細菌でこれまで知られていなかった種）という培養可能なLachnospiraceaeを1つ分離することに成功し、これを大腸炎を起こしやすいマウスに接種すると、大腸炎に伴う死からマウスを守ることができた4。このように、微生物-表現型の三角測量を用いることで、典型的な相関的マイクロバイオーム研究を超えて、異なる表現型を決定する原因微生物を特定することができた。このように、微生物-表現型トライアングル法を用いて、病気を改善する常在菌、特に単一の生物を同定することは、宿主と細菌の両方の観点から作用機序に関連する新たなパラダイムを開く可能性がある。

疾患の発症や予防に関連する宿主の経路や細胞の種類を解明することは、患者の層別化やマイクロバイオームの操作を伴う標的治療に不可欠である。また、表現型が明確に定義された単一の生物があれば、治療に利用できる生物活性ポストバイオティクスの同定と特性評価が可能になる。しかし、我々は、細菌の遺伝的可塑性や、ウイルス、寄生虫、真菌などを含むより複雑な微生物生態系を、我々の体内や体の中に生息する共進化する巨大な生態系の重要なメンバーとして心に留めておく必要がある。このようなヒトと微生物の相互作用を理解するためには、さらなるメカニズムの研究が必要である。

モノコロニー化

無菌マウスに単一の株を移植する方法（モノコロナイゼーション）は、近年、単一のヒトマイクロバイオーム種が免疫系の発達に与える影響を明らかにするために用いられている。これは、Tregの分化を促進することができるクロストリジウムやバクテロイデスの特定の菌株で示されており5、B. fragilis由来のPSAのように、その生物学的産物では、toll-like receptor 2経路を利用して腸内のコロニー形成を促進することができることが示されている6。

しかし、複数の有用な側面があるにもかかわらず、モノコロニー化のアプローチには多くの限界がある。単一の微生物の存在は、消化管内の複雑な生態系を反映せず、特定の種が通常はコロニー化していない腸内ニッチへの菌株の拡大を許し、宿主の免疫反応に異常な影響を与える可能性がある。さらに、天然の微生物群集は、他の細菌、真菌、ウイルス種との重要な相互作用によって特徴づけられており、特定の菌株と宿主との動的な相互作用に影響を与える。

最後に、無菌マウスでは免疫系の発達が不適切であることが明らかになっており、1つの菌株が免疫系に与える影響を解釈するために必要なベースラインの読み取りが非常に困難になっている。結局のところ、モノコロニー化のアプローチでは、複雑な微生物群集が宿主の免疫系に及ぼすエピジェネティックな影響を総合的に把握することはできない。

ヒトの微生物群集を用いたマウス

前述のモノコロニー化実験の限界を克服するために、ヒト微生物群集関連（HMA）マウス（1人の被験者から分離した完全なヒト微生物群集をコロニー化した無菌マウス）を用いて、完全で複雑なヒト微生物群集の疾患における病原性の役割をモデル化した。HMAマウスの最初の応用例の1つは、肥満の不一致を示す双子ペアの腸内マイクロバイオームを2群の無菌マウスに移植することで、肥満における腸内マイクロバイオームの役割を確立することを目的としていた7。

この研究では、「痩せ型」のマイクロバイオータを移植したマウスは痩せたままであるのに対し、「肥満型」のマイクロバイオータを移植したマウスは肥満になることが示された。この最初の概念実証研究に続いて、多くのHMAモデルが、アレルギー疾患（喘息）、機能性疾患（IBD）、慢性炎症性疾患、神経炎症（パーキンソン病、多発性硬化症など）を含むさまざまな疾患におけるマイクロバイオータの病因的役割を確立するために使用されている。このような研究が増えてきたことで、このヒトとウシを組み合わせたアプローチを用いて、特定のマイクロバイオーム群集を疾患の発症に結びつけることに対する科学的な自信が高まっている。

しかし、これらの研究の多くは再現されておらず、その妥当性が疑われている。また、HMAモデルには他の限界もある。先に述べたマウスとヒトの腸の解剖学、生理学、腸内生態系の本質的な違いに加えて、HMAモデルでは、マイクロバイオームと関連した宿主が疾患の発症に与える影響が考慮されていない。環境因子、行動因子、栄養因子、遺伝因子は、HMAマウスとそのドナーであるヒトでは本質的に異なる。

これらの宿主因子は、健康や疾病における微生物群集に影響を与えるため、マウスモデルで再現することは不可能である。したがって、HMAマウスの微生物群集が、ヒトのドナーに存在する宿主-微生物群集の相互作用を完全には反映していないことは驚くべきことではない。さらに、HMAマウスの腸内細菌叢に含まれる様々な種や株の相対的な存在量は、移植後のヒトドナーの腸内細菌叢と比較すると大幅に変化している。最後に、ヒトの腸内に存在する種特異的なマイクロバイオーム株の中には、移植されないものや、別の宿主（例えばマウス）の免疫系に影響を及ぼさないもの、あるいはその両方が存在する。

マウスモデルについての最終的な考え

マウスモデルの利点は、(1)健康や病気における腸内細菌叢の因果関係を研究するために、ヒトでは不可能な操作が可能であること、(2)マウスのゲノムに関する深い知識と操作能力があり、遺伝子ノックアウトやノックインの操作を用いて、特定の遺伝子や経路を分離して、複雑な腸内細菌叢と宿主の相互作用を研究することができること、(3)維持費が比較的少なく、繁殖率が高く、ライフサイクルが短いこと、などである。(4）ヒトとマウスはともに雑食性の哺乳類であるため、ヒトと同等の腸内生理機能と解剖学的構造を有していること、（5）腸内細菌と宿主の相互作用に関連する代謝経路に影響を与える「ノイズ」変数を最小限に抑えることができる均質な遺伝的背景を有していること、（6）マイクロバイオームの組成や機能に影響を与える他の変数（食餌や飼育条件など）を良好に制御できること。

これらのモデルの限界は、解剖学的、遺伝学的、生理学的に大きく異なるため、ヒトの宿主とマイクロバイオームの相互作用を完全に再現することができないことである。腸内細菌と宿主の相互作用は宿主に強く依存するため、このクロストークに関するマウスのデータはヒトの宿主には当てはまらない可能性がある。遺伝的背景、出産方法（帝王切開か経膣か）、摂食方法（母乳か哺乳瓶か）、感染症、抗生物質への曝露、食事、社会活動など、ヒトの宿主で行われている腸内細菌叢の組成や機能に影響を与える主要な環境因子は、マウスには存在しないため、マウスの細菌叢は「現実の」ヒトの腸内細菌叢を反映することはできない。

宿主とマイクロバイオームの相互作用を研究するためにマウスモデルを使用することは有用であるが、得られた結果を過大に解釈せず、知見をヒトの臨床応用に外挿することに慎重である場合に限られる。このような観点から、特定のマイクロバイオームの組成や機能を疾患の発症に結びつけるために、マウスモデルに代わる方法を模索することに関心が寄せられている。

ヒト疾患における宿主とマイクロバイオータの相互作用を研究するためのマウスに依存しないアプローチ

免疫系を利用して疾患の発症に関わるマイクロバイオーム成分を特定する

マウスモデルには大きな限界があることから、ヒトの疾患におけるマイクロバイオームの因果関係をより効率的に立証するためには、新しいアプローチが必要である。マイクロバイオームコミュニティと宿主の免疫系が密接な関係にあることから、ヒトの疾患の発症におそらくより直接的な役割を果たしているであろう、免疫学的に重要な腸内細菌種に関心が集まっている。免疫応答の中でも、分泌型免疫グロブリンA（SIgA）抗体を腸管内腔に展開することは、腸内細菌群の多くの構成要素を被覆することになり、病原体から粘膜表面を守り、常在微生物群の恒常性を維持する上で重要な役割を果たすことが明らかになっている。

この理論に基づき、病気の原因となる可能性のある免疫学的に関連した微生物を同定するために、粘膜の抗体反応が標的とするマイクロバイオーム成分に焦点を当てるSIgAシーケンス（SIgA-seq）と呼ばれるアプローチが用いられている。IgA-seq法では、IgAでコートされた細菌とコートされていない細菌をセルソーティングで分離した後、コートされた細菌を16S rRNA遺伝子シークエンスにかけ、IgAでコートされた特定の生物を決定する。この手法を用いて、IBDの疾患を引き起こすと思われる細菌が特定され、動物モデルを用いて腸の炎症における病的役割が示された9。

しかし、微生物-SIgA相互作用の「コインの裏表」は、遊離のSIgAがSIgA-マイクロバイオーム複合体と比較して、粘膜のホメオスタシスに異なる影響を及ぼす可能性を示唆している。この考察に沿って、我々は、微生物-SIgA複合体と宿主の炎症性上皮細胞反応との関係を調べた。本研究では、腸上皮細胞株と初代ヒトリンパ球・単球、内皮細胞、線維芽細胞からなるヒト腸粘膜の多細胞3次元（3D）オルガノタイプモデルを用いた。また、ヒト初乳から採取したヒトSIgAを使用し、最初のコロニー形成者の主要な細菌である大腸菌を代理の常在菌として使用した10。

その結果、遊離型SIgAと微生物群が複合化したSIgAでは、上皮の反応が異なることがわかった。遊離型SIgAは、粘液産生、高分子免疫グロブリン受容体（pIgR）の発現、IL-8および腫瘍壊死因子αの分泌を亢進したが、微生物群が複合化したSIgAは、これらの反応を緩和した。これらの結果から、遊離型SIgAと複合型SIgAは腸内での免疫調節物質として異なる機能を持ち、両者のバランスが崩れると腸のホメオスタシスに影響を及ぼす可能性が示唆された。

培養法による腸内細菌叢の研究

マイクロバイオーム研究の分野における最も重要な進歩は、培養法を用いてその複雑さと構成を研究できるようになったことである。以前は、好気性条件下の標準的な培地では、主に偏性嫌気性菌であるごく少数の腸内細菌種しか増殖しないため、腸内細菌の大部分は培養できないと考えられていた。しかし、次世代シーケンサーを用いて大量の細菌株を分類する、近年のハイスループットな嫌気性微生物培養アプローチにより、ヒトの腸内細菌叢のうち、従来予想されていたよりもはるかに多くの割合を単離培養で捉えることができることが明らかになった。

これらの新しいアプローチにより、これまでの想定に反して、大多数の腸内細菌叢の種が、多くの場合、比較的標準的な嫌気性培養条件で培養可能であることが明らかになった。具体的には，腸内細菌の多様性を高めるための広範な取り組みと，過去に分離された種のメタ分析（キュルチュロミクス）を組み合わせた結果，ヒトの腸内に生息する既知の種の75％以上が，ある時点で単離培養されていることが判明した11。

これらの研究では、培養法に基づく研究で同定された特定の菌株が見つからないことや、最も重要な点として、配列の深さに基づく検出限界が比較的浅いことなど、培養法に依存しない配列決定法の大きな欠点も明らかになった。多くの研究で、宿主に異なる、時には正反対の影響を与える同一種の異なる菌株は、16S rRNAの培養法に依存しないシーケンスでは区別できないことが示されているため、この限界は特に憂慮すべきものである13。そのため、種レベルでの微生物叢の分類では、細菌株間の重要な機能的差異を捉えることができない場合が多い。このように、培養に依存しない方法は微生物叢の研究に革命をもたらしたが、微生物叢の培養に基づく研究の復活は、ヒトの疾病に対する微生物の貢献の全体像を明らかにする上で重要である。

マルチミックプロファイリング

ショットガンメタゲノミクス、プロテオミクス、エピゲノミクス、グライコミクス、メタボロミクスなど、近年開発された「オミックス」ベースのプロファイリング技術や、IgA-seqなどの新たな機能的プロファイリング手法を応用することで、さまざまな慢性炎症性疾患の発症とメカニズム的に関連する原因微生物種を同定できる可能性がある。例えば、機能プロファイリングに基づくアプローチは、理論的には、上皮透過性の制御や免疫応答を制御する遺伝子のエピジェネティックなスイッチングなど、マイクロバイオータによって制御されているさまざまな宿主の生理学的経路に影響を与える特定の微生物を、直接または特定の生理活性代謝物の産生を通じて同定するために使用することができる。

このような研究は、疾患の発症における特定の微生物叢の構成要素の潜在的な役割について、多くの新しい仮説をもたらすだろう。しかし、膨大な数の仮説が生まれると、現在利用可能な実験モデルを使ってそれらを一つずつ検証する能力を超えてしまうのは避けられない。

この問題に対する新たな解決策として、機械学習などの高度な計算手法を用いてオミックスデータと実験データを統合し、堅牢で予測可能なモデルを構築するために必要な実験回数を減らすことが挙げられる。様々なデータセットを統合してより洗練されたアルゴリズムモデルを構築すれば、最終的には多くの新しい仮説をin vivoやin vitroではなくin silicoで検証できるようになるかもしれない。このように、実験データとオミックスデータの間に相乗的かつ自己強化的な相互作用を生み出すことは、人間の健康や病気における微生物叢の因果関係の全体像を明らかにする上で非常に重要である。第17章では、これらの計算機的アプローチについて詳しく説明する。

ヒト腸管オルガノイドモデル

腸内の微小環境は、消化管を覆う上皮細胞との複雑な双方向の相互作用を通じて、粘膜のホメオスタシスを制御するのに重要な役割を果たしている。腸管微小環境には、3次元組織構造、複数の種類の細胞、細胞外マトリックス、自然免疫メディエーター、そして最も重要なのは、常在するコロニー形成微生物群が含まれる。

腸管粘膜上皮には、多数の特殊な上皮細胞と免疫細胞が存在する。これらの細胞は、腸内毒素、常在菌、病原体に対するバリアーとしての役割を果たすことで、感染やその他の有害な環境要素への曝露から保護するために機能を調整している。また、微生物の抗原を採取し、自然免疫と適応免疫のエフェクターを募集する14。

これらの細胞の構成と機能は、消化管の部位によって異なり、病原体からの保護に重要な異なる種類の細胞とエフェクターの統合された相互コミュニケーションネットワークを構成している。上皮細胞の極性は、バリア機能の確立、栄養素の取り込み・輸送の制御、上皮構造の維持など、いずれも内腔微生物叢との接点において重要な機能を担っている。

すでに述べたように、腸管には原核生物、ウイルス、古細菌、真核生物が生息しており、それらの一部は、上皮細胞のターンオーバー、ムチンの合成、宿主細胞上の細菌センサーの誘発など、さまざまなメカニズムによって病原体のコロニー化から宿主を守っている。特定の宿主とその共生するマイクロバイオータの相互作用は、組織の機能とホメオスタシスに寄与し、それがマイクロバイオータの組成と機能を決定し、さらにそれが宿主の上皮機能に影響を与える可能性があるという。

このように、膨大で複雑な微生物叢に常にさらされていることは、この単細胞層が宿主と環境の間に形成する重要なインターフェースであることを強調している。ヒトの腸上皮の機能的発達に環境因子が寄与していることはよく知られているが、これはこの複雑な相互作用を指揮するエピジェネティックなメカニズムを示唆している。これらのメカニズムは、様々な慢性炎症性疾患に関連する遺伝的素因から臨床結果への切り替えにつながる可能性がある。ヒト組織から作製した腸管上皮オルガノイド培養系の開発は、宿主とマイクロバイオームの相互作用を忠実に再現することで、その機能的側面を研究するという、これまでにない機会を研究者に提供するものである。

我々はすでに、この強力なツールをいくつかの場面で活用している。(15 (2) 壊死性腸症の発症における微生物と腸粘膜の相互作用の進化的変化の可能性の研究16 (3) セリアック病におけるグルテンのように、環境が炎症の引き金となった場合の反応の研究17などである。疾患の発症に関与する腸内細菌叢の特定の構成要素に関する知識が増え、免疫細胞との共培養が可能になれば、腸管オルガノイド技術は、健康と疾患のバランスに関わる複雑な宿主-微生物叢の相互作用を解明する上で重要な役割を果たすことになるだろう」と述べている。

ヒト試験

マイクロバイオームと疾患の病因を関連付けるためのヒトでの横断的な研究デザインの限界

ヒトの様々な疾患の発症にマイクロバイオームが果たす役割に関する報告の大半は、疾患が明らかになった後に宿主のマイクロバイオータの組成が変化したことを記述する横断的研究に基づいている。このため、マイクロバイオームの組成や、より重要な機能を研究するための技術的アプローチは、これらのマイクロバイオームの変化を疾患の発症と力学的に結びつける因果関係を議論の余地なく裏付けるには限界がある。

この限界を克服するためには、病気や症状の発症に先立つ、あるいは発症と同時に起こる変化を捉えるための前向きなコホート研究が必要である。また、このような前向き研究では、マイクロバイオーム、メタゲノム、メタトランスクリプトーム、メタボロームの各データを、臨床および環境に関する包括的なメタデータと統合し、宿主と疾患の発症との相互作用をシステムレベルでモデル化する必要がある。慢性炎症性疾患の発症を探るためのメカニズム的なアプローチを提供するには、新たな生物学的計算モデルの構築と、関連性から因果関係に至るまでの道筋が不可欠である。そのためには、これらの疾患を複雑な生物学的ネットワークとして研究することが必要である。

耐性が失われ、慢性炎症性疾患が発症するまでの道筋について、証明された前提と確立されたメカニズムの理解に基づいて研究デザインを行うことで、臨床的に意味のある成功した治療法を発見できる可能性が高くなる。したがって、有望なトランスレーショナルメディシン（研究成果を実験台から患者のための臨床応用に移すこと）を実現するためには、マイクロバイオームの記述的研究からメカニズム的研究へと移行する必要がある。生後1,000日の間のマイクロバイオームの発達が、個人の将来の健康状態や病気のリスクに永続的な影響を与えるという仮説を考えると、小児科の研究者はこの移行をリードする立場にある。ターゲットを絞った個別化された介入や一次予防戦略を構築するためには、大規模、共同、プロスペクティブ、縦断的、そしてマルチゲノム研究が必要である。

疾患の発症に対するマルチゲノム共変量の寄与を理解するためには、疾患の発症前に縦断的なデータ収集を開始する必要がある。現在では、慢性炎症性疾患の発症におけるマイクロバイオータのメカニズム的役割を理解するためには、マイクロバイオータの機能性を知ることが中心となることが明らかになっている。遺伝子の発現がDNAの存在量と一致するのは、マイクロバイオームに含まれる遺伝子の50％以下であるため、メタトランスクリプトミクス、メタプロテオミクス、メタボローム解析のすべてが必要である。

縦断的なマルチオミクス共変量を解析するための最適な計算モデルは現在研究中であるが、その評価には大規模なデータセットが必要である（まだ少ない）。このような小児を対象とした縦断的なマルチオミクス研究は、適切にデザインされれば、これらの複雑な慢性炎症性疾患に対する理解やアプローチに劇的な影響を与える可能性がある。そうして初めて、画期的な治療法や予防法が生まれる可能性がある。

COVID-19の短期研究では、Wanglong Gou氏、Ju-Sheng Zheng氏らが、マルチオミクスデータと機械学習モデルを用いて、感染者の重症化を予測する一連のプロテオミクスバイオマーカーを同定した。彼らは、病気の進行を予測するために、コア腸内細菌叢の特徴を特定し、血液プロテオミクスのリスクスコアを作成した。腸内細菌叢の中核的な特徴と関連する代謝物は、感染しやすい人々への介入目標となる可能性がある18。

第14章では、肥満、食物アレルギー、自己免疫疾患（セリアック病）、ASDという4つの重要な小児の例に焦点を当て、小児の慢性炎症性疾患に対するマイクロバイオームの貢献に関する現在の知識を詳しく説明する。そして、これらの分野の研究を、説明的なアプローチからメカニズム的なアプローチへと移行させ、最終的には疾患の予測や予防を可能にする方法について議論する。

14 予防医学。マイクロバイオームをモニタリングして病気の予知と迎撃に役立てる

マイクロバイオーム研究の方法

第13章の最後で述べたように、我々はヒトのマイクロバイオーム研究の分野で重要な岐路に立っている。マイクロバイオームの組成や機能の変化を疾患の発症とメカニズム的に結びつけるためには、横断的な症例対照研究から、疾患や症状の発症に先立つ、あるいは発症と同時に起こる変化を捉えるための縦断的なコホート研究に移行しなければならない。また、これらの前向き研究では、マイクロバイオーム、メタゲノム、メタトランスクリプトーム、メタボロームのデータを、包括的な臨床データや環境データと統合し、宿主と疾患の発症との相互作用をシステムレベルでモデル化する必要がある。

慢性炎症性疾患の発症メカニズムを解明するためには、新たな生物学的計算モデルの構築と、関連性から因果関係に至るまでの道筋を示すことが不可欠である。慢性炎症性疾患は、情報を集めて恣意的につなぎ合わせるパズルのようなものではなく、複雑で高度に統合された生物学的ネットワークとして研究されなければならない。マイクロバイオームを、その共生する宿主の遺伝子構造、代謝やプロテオミクスのプロファイル、周囲の環境、ライフスタイル、食習慣、ストレス要因への曝露などの文脈を無視して「単独」で研究することは、車のタイヤだけを見て車のメカニズムを理解しようとするようなものである。

さらに複雑なのは、ヒトのマイクロバイオームの研究を多様な変数を考慮して統合的に行ったとしても、ダイナミックで不安定な「インタラクトーム」に対処しなければならないことである。マイクロバイオームと一緒に、その他の変数も相互に影響し合いながら常に変化している。それは万華鏡のようなものである。万華鏡を見るようなもので、チューブを少し回転させると、ガラスのすべてのピースが動き出し、それらが異なる位置に再配置され、相互に影響し合うことで、常に変化する景色を見ることができるのである。

これらの変数を動的かつ統合的に捉えるためには、幼児期の病気の発生率を調査する縦断的な出生コホート研究を設計することが最も論理的なアプローチであると考えられる。この方法では、マイクロバイオームの変化が宿主のゲノムに与えるエピジェネティックな圧力が、遺伝的素因から臨床結果への転換を引き起こすことをメカニズム的に解明することができる。そこで、現在進行中の出生コホート研究について、MGHfCの小児消化器・栄養学部門の3人の同僚に意見を求めた。

肥満とマイクロバイオーム

第8章で述べたように、マイクロバイオームの組成の変化とその結果としてのバイオシスが、近年の肥満の増加に寄与しているかどうかを理解することに大きな関心が寄せられている。MGHfCの摂食・栄養センター長のLauren Fiechtnerと、MGHfCの一般学術小児科部長のElsie Taverasは、小児肥満の複雑な病因について研究している。彼らは、社会的、経済的、マクロ環境的など、さまざまな観点からこの問題を検討している。Fiechtnerは最近、マイクロバイオームに注目しているが、これはこのような幅広い視点から出発して、生後1,000日目の肥満に関連するマイクロバイオームの役割を研究するものである。

「Fiechtner博士らは、幼児期の肥満発症にどのようなメカニズムが関与しているのかを理解するために、マイクロバイオームの縦断的な研究を計画した。子どもたちの前向きなコホートからサンプルを採取し、最終的に肥満になる人とならない人の腸内細菌の違いを調べた。これらの証拠から、マイクロバイオームの構成と機能を操作することは、公衆衛生上の重要な介入目標となり、肥満の流行の状況を根本的に変える可能性がある。

Fiechtner氏やTaveras氏のような研究者は、栄養、マイクロバイオーム、肥満の3つの要素が交差する領域で、公衆衛生を向上させるためのマイクロバイオーム領域における新たな介入ターゲットを発見するかもしれない。この公衆衛生のパズルにおける重要な問題の1つは、次のとおりである。肥満の子供たちのカロリー摂取量やマイクロバイオームの構成に対する栄養学的影響において、食品の質と量はどのような役割を果たしているのか？加工度の高い食品や「ファストフード」、「ジャンクフード」は、高カロリーの摂取を助長し、心血管疾患、肥満、がんのリスクを高める。また、MGHの肝臓学者Lee Kaplanが第8章で教えてくれたように、肥満は炎症性疾患である。

栄養学と肥満に関連する社会的要因の専門家であるFiechtner氏は、栄養学的介入についての知見を提供してくれる。例えば、食物の質を改善して代謝を向上させたり、マイクロバイオームの組成や機能を操作して、肥満の流行を止められないまでも、効果的に遅らせることができるかもしれない。しかし、その前に、栄養学的介入がマイクロバイオームとその代謝プロファイルに与える影響を、カロリーバランスの観点から理解する必要がある。Fiechtner氏とTaveras氏が行っているような縦断的な研究の結果が出れば、肥満を治療するためにマイクロバイオームを操作するために栄養をより適切に調整することができるようになる。

Fiechtner氏は、早期に体重が急激に増加し、その後の小児肥満の発症に関係する乳児の肥満の微生物的要因を調べている。20年後には、肥満の子どもたちへの個別介入や、さらにはリスクのある子どもたちの一次予防が可能になっているのではないかと思い、彼女に尋ねてみた。彼女のビジョンは、便の分析結果やその他の代謝データから得られた包括的な個人情報をもとに、小児科医が家族に特別な食事を提供し、プロバイオティクスやプレバイオティクスを併用することで、マイクロバイオームの機能を変化させて、肥満を改善できるような代謝の良い状態にするというものである2。

マイクロバイオームの栄養学的役割

Fiechtner氏は、Lee Kaplan氏から学んだように、肥満を単独で治療することはできないと強調した。しかし、Fiechtner氏は、マイクロバイオームの操作を「素晴らしいツール」と呼んでいる。マイクロバイオームの操作は、成長が遅れている子どもたちにも有効である可能性がある3。このような子どもたちには、高カロリーの食品が中心となり、長期的には悪影響を及ぼす可能性がある。育ちが悪いと診断された子どもたちにおけるマイクロバイオームの役割を理解することで、この問題に取り組むための新たな手段が得られる。

Fiechtner氏の研究や同様の研究によって、質の高い食事とプロバイオティクス、プレバイオティクス、シンバイオティクスの組み合わせが、食生活の乱れによって失われたものを補い、肥満につながる炎症を緩和するという理解が得られたとしよう。マイクロバイオームの栄養学的役割を理解するためのこのような研究は、バランスのとれたマイクロバイオームに適した製品を開発するために、食品業界のパートナーとの共同研究につながる可能性がある。しかし、このシナリオは、人間の行動という複雑な問題を提起している。もし誰かが不健康な食べ物を食べ、マイクロバイオームのバランスをとるために薬を飲むことができるとしたら、科学的なレベルだけでなく、社会的なレベルでどのような問題が生じるのだろうか？

Fiechtnerのような科学者は、立法機関から、栄養や肥満に関する政策決定者の判断材料として求められる可能性があり、難しい問題を提起している。一方で科学者は、マイクロバイオームの操作によって科学的知識を深め、肥満の蔓延を改善したいと考えている。一方で、政策立案者は、この知識を「安易な逃げ道」として利用し、健康格差への対応や健康的なライフスタイルの提唱など、肥満問題への包括的なアプローチを避けようとする可能性がある。社会のすべての人々が、新鮮な野菜、全粒穀物、低脂肪タンパク質など、安価で健康的な食品を入手できるようにすることが、最善の政策であり、今後の意思決定の基盤となるだろう。

しかし、このような変化が実現したとしても、プロバイオティクスによるマイクロバイオームの操作も行わなければ、効果的な治療ができない人が一定数いるかもしれない。同じアメリカという「屋根」の下には、十分な食事をする手段を持たない人と、十分な食事をする余裕があるにもかかわらず、減量用のサプリメントやダイエットプランに何十億ドルも費やす人がいる。このような「食の富」を質・量ともに再分配することができれば、人々はより健康になるだろう。また、この再分配によって、生産された食料の平均約30％を無駄にすることがなくなり、増え続ける世界人口のための食料調達の持続可能性に貢献することができる4。

現時点では、これは望ましいが達成できない目標だろう。一方で、肥満の蔓延が小児人口にもたらす前例のない課題を軽減するために、他の可能な戦略も出てきている。例えば、共著者のAlessio Fasano氏は、小児科医として、現在、小児科診療で頻度が高まっている心筋梗塞、脂肪肝、過体重や骨への負担による関節痛などに対処する訓練を受けていなかった。

このような状況をさらに憂慮して、Fiechtner氏は、肥満の流行に関しては、人種や所得に関連して大きな格差があると述べている。Fiechtner氏は、少数民族や低所得者層の肥満率が上昇している一方で、白人や高所得者層の小児肥満の有病率は横ばいであると述べている5 。恵まれない家族が健康的な食品を入手できるようにするためには、システムの変革が必要であると確信している。Fiechtnerは、栄養カウンセリングや、現在の社会的制約の中でより健康的な生活を送るための創造的なアイデアを提唱している6。

すべてのコミュニティに健康的な食品を

フードジャスティスやフードアクセスは、口で言うのは簡単であるが、実行するのはとても難しいことである。しかし、砂糖入り飲料への課税やその他の食品政策の変更など、一歩一歩前進することで、栄養状態や食品へのアクセスは改善されると、フィクトナーは確信している。シャー・ファミリー財団がボストンの公立学校のキッチンで健康的で栄養価の高い食事を作るために始めたパイロットプログラム「My Way Café」のような介入を積み重ねることで、より共生的なマイクロバイオームを自然に再形成し、肥満のリスクを軽減することができるかもしれない。ミシェル・オバマは、連邦政府の学校給食プログラムにおいて、地元の食材を調達することで、子どもたちの運動と栄養改善を支持してきた（トランプ政権によって一部が覆された7）が、フィクトナーが全米で期待している進歩の助けとなるだろう。しかし、このような変化は、学校の給食室やその他の消費者の場が、大企業や食品ロビーの利益のための政治的な駒として利用されるのをやめることで初めて可能になり、継続することができる。

しかし、状況は単に学校給食の方針を変えるだけではなく、もっと複雑である。アメリカの都市部や町など、十分な食料源に恵まれていない「フードデザート」は、もうひとつの課題である。フィクトナーはミシシッピ州の田舎に住んでいたとき、地域に食料品店が1軒しかないことに気づいた。正確に言うと、それは食料品店ではなく、ウォルマートのようなもので、よく食料が不足していたそうである。一番近い食料品店は10マイルも離れており、低所得者の多くは車を持っていなかった8。

家族を養うための唯一の選択肢は、ファストフード店やコンビニエンスストアであり、「それらは大量にあった」とフィクトナーは言う。「スリム・ジムは食べさせることができても、新鮮な野菜や果物は食べさせることができなかった」。学校には新鮮な野菜や果物があったので、多くの家族は子どもたちが健康的な食品を手に入れるために、学校給食プログラムに頼っていたのだと彼女は指摘する9。

しかし、十分なサービスを受けていないコミュニティでは、少しずつ前向きな変化が見られる。テキサス州の「United Supermarkets」では、拡大する傾向の一環として、毎週末に無料の健康診断を実施し、血圧や血糖値のチェックなどを行っている10。慢性疾患のある人でも栄養価の高いものを選びやすいように、色分けされた栄養表示を追加したスーパーや、栄養士による栄養相談を行っている店舗もある。カリフォルニア州では、ラテン系のファミリースーパーマーケットチェーン「Northgate González Market」が、「Viva la Salud Program」を通じて地域社会の健康と生活の質の向上に取り組んでおり、健康に配慮した食品のラベルを二ヶ国語で表示し、顧客が健康的な食品を選択できるようにするプログラムを実施している11。

マイクロバイオームの研究によって、マイクロバイオームの機能を調整して代謝プロファイリングを変化させ、肥満とその合併症を改善するために必要な食事の種類に関する確かな証拠が得られた後に、このモデルを実施することを想像してみてほしい。今のところ、テキサス州のUnited Supermarketsのモデルは、人々をファーストフードや加工食品から遠ざけ、健康的な選択肢へと導く多くの優れたコミュニティ活動によって、米国の他の地域にも徐々に拡大しているとフィクトナーは言う。また、全米のフードバンクでは、家族が健康的な食生活を送れるように、このアプローチを採用しているそうである12。

このような戦略は、肥満のリスクを抱える子どもたちだけでなく、将来の世代にも良い結果をもたらす。第3章で述べたように、妊娠中の母体の体重増加は、子孫の肥満発症リスクに強く影響するため、健康的な栄養摂取は、妊婦とその乳児にとって重要な問題である。Fiechtnerらは、妊娠中の体重増加がマイクロバイオームの違いと関連していることを示す研究を発表している13。また、Fiechtnerらのグループによる妊娠中の女性を対象とした研究では、魚の摂取が子孫のマイクロバイオームに有益な影響を与えることが示されている14。

これらの例は、母親のライフスタイルや栄養習慣が乳児のマイクロバイオームに影響を与え、それが肥満をはじめとする臨床上の悪影響につながることを示すもので、多くの文献で取り上げられている。肥満の複雑な病因と母子のマイクロバイオームの役割についての理解が深まるにつれ、これらの情報を共有することが、将来の世代における肥満の合併症を軽減するためのもう一つの戦略となるかもしれない。Fiechtner氏とTaveras氏が進めているプロジェクトは、将来の世代の健康を改善するための効果的な栄養戦略やその他のアプローチの実施に貢献するものである。

食物アレルギーとマイクロバイオーム

食物アレルギーは、子どもの約8％、大人の約5％が罹患する一般的な疾患である。西洋的な生活様式を取り入れている社会では、過去20年間に食物アレルギーの有病率が増加しており、感受性には環境が大きく影響していることが示唆されている。いくつかの研究では、食物アレルギーの発症において、出産方法、ペットとの接触、年の離れた兄弟姉妹が重要なリスク修飾因子であるとされている。これらの側面やその他の要因は、腸内細菌叢の構成や免疫系の形成における役割に大きく影響するため、腸内細菌叢と食物アレルギー症状に関する研究が進められている。

ヒトの横断的コホートにおける研究では、食物アレルギーの発症に腸内細菌叢の異常が関与していることが示唆されており、この腸内細菌叢の異常は、感作の発症に先立って人生の早い時期に起こることが限られたデータで示されている。動物モデルを用いた研究では、腸内細菌叢の構成が食物アレルギーの感受性を左右することが示されている。しかし、食物アレルギーの微生物による制御についての理解はまだ始まったばかりであるが、この分野の現状は、これらの疾患の感受性に腸内細菌が重要な貢献をしていることを裏付けている。

研究の課題は、食物アレルギーの予防や治療のために、常在菌由来の微生物を特定することである。この目標を達成し、まだ多くの疑問に答えるためには、マイクロバイオームの構成と機能を食物アレルギーの発症に結びつけるための新しいアプローチが必要である。とりわけ、微生物組成の変化がアレルギー発症に先行しているかどうかを明確にするためには、食物アレルギーを持つ人々の明確な臨床結果を用いたヒトコホートを対象とした前向き研究が必要である。

生後間もない時期の腸内細菌叢の動的な構成は、感受性の窓における役割を評価するために複数のサンプリングが必要である。食物アレルギーの予防や治療のために腸内細菌叢を操作するという目標を実現するためには、保護的な細菌叢の一般的な特徴と、その保護的な発達を制御しうる食事などの環境因子をよりよく理解する必要がある」と述べている。そこで、MGHfCの小児消化器科医であるVictoria Martin氏に話を聞いた。マーティンは、MGHfCの小児消化器科医であるQian Yuanとともに、「Gastrointestinal, Microbiome and Allergic Proctocolitis (GMAP)Study」と呼ばれる出生コホートの前向き研究を行っている。袁さんは、食物アレルギー症状の発症メカニズムと、この新しい研究分野で克服しなければならない科学的な障害について、自身の考えを語った。

研究の焦点を変える

マーティンは、多様な集団を対象とした広範かつ大規模な研究の必要性を強調する。現在では、さまざまな疾患には個別化された要素が強いことが明らかになっており、そのためには、世界のさまざまな地域のさまざまな人々に適用できるメカニズムの理解が必要である。Martinは、最初のハードルの一つとして、食物アレルギーの原因となる免疫寛容の破綻における腸内細菌叢の役割を明らかにするために、どのようにデータを適切に分析するかを決定するための研究を行っていると述べている15。これらの情報があれば、得られた結果に基づいて層別された特定の集団に合わせた治療ターゲットを特定することができる。

これは、個別化医療の概念と一致しており、1つのサイズがすべての人に合うことはないということを意味している。そのため、研究デザインを慎重に構築し、個別化された介入を目指す必要があると考えている」と述べている。個人が同じ症状に苦しんでいても、マイクロバイオームの組成を操作するある種の介入は、あるサブグループの患者には効果があっても、別の患者には効果がないかもしれない。このような意味のある結果が得られるのは、研究が慎重に計画され、集団が慎重に選択された場合のみであり、病気の発症に関連するとされる特定のマイクロバイオーム種の役割を解釈するために現在適用されている「教育的推測」から脱却することができる。

マイクロバイオームを操作することを目的とした介入研究が、これまでのクロスセクション研究で明らかになったことを踏まえれば、満足のいく結果が得られないのは当然のことだろう」。Martinは、マイクロバイオームの操作を目的としたこれらの残念な結果の多くは、「馬の前に馬車を置く」、つまり、何らかのメカニズムを理解する前に人々に介入を行うことで行われていると指摘している16。

このままでは、マイクロバイオームを操作するための個別のターゲットがないため、悪い結果が出るだけでなく、最悪の場合、有害な結果を引き起こす可能性もあり、こうしたアイデアやアプローチに対する患者の不信感につながるかもしれない、とMartinは述べている。このリスクを軽減するために、マーティンは2015年に始まったGMAP研究に関わることになった17。この研究の主な対象は、牛乳タンパク質アレルギーとも呼ばれる食物タンパク質誘発性アレルギー性直腸炎である。これは、小児科医が一般小児科、消化器科、アレルギー科の臨床現場でよく目にする症状である。

しかし、その診断方法や管理方法については、あまりコンセンサスが得られておらず、また、疫学や病態生理についても理解されていない。一般に、小児の食物アレルギーは劇的に増加しており、食物タンパク質誘発性アレルギー性直腸炎は、小児期における最も初期の食物アレルギー症状の一つである。Martin教授らは、この疾患がどのようにして発症するのかを、出生時から乳児を前向きに追跡して研究している。マサチューセッツ州の郊外にある小児科医院から健康な新生児を募集し、6年間にわたって追跡調査を行っている。GMAPの目的は、これらの子どもたちが成長していく過程を調査し、腸内細菌叢の構成が、臨床結果、すなわち健康な状態を維持するか、早期に食物アレルギー症状を発症するかに関係することに着目することである。

「この研究の真の強みは、小児科を受診するたびにマイクロバイオームのサンプルを収集することである。この研究では、マイクロバイオームを頻繁に監視し、特定の危険因子を持たない乳児を偏りなく採用しているため、食物アレルギーを中心に、関心のある疾患の発症前、発症中、発症後のマイクロバイオームの変化を観察することができる。一方、研究者は、健康な乳児のマイクロバイオームのダイナミックな発達を大規模に研究し、比較することもできる。

高い診断率

現在進行中の研究ではあるが、マーティンは、一般的な健康な小児集団において、17％の子どもが食物タンパク質誘発性アレルギー性肛門炎と診断されたという驚くべき予備的な結果を発表した。これは、これまで報告されてきた割合よりも劇的に高い割合である。これは、Martinらが採用した寛容な診断対象基準によるものでもある。診断に有効なバイオマーカーがないため、研究者たちは、小児科医や消化器科医が臨床現場で使用している診断基準に頼ったのである19。

この方法では、かなりの過剰診断につながる可能性があるが、研究者が食物抗原に対する実際の耐性低下と客観的に関連づけられるマイクロバイオームのシグネチャを探している間に、臨床医は実際の臨床現場でこの診断を下した場合の結果を理解することができます、とMartinは述べている。GMAPの予備的な結果によると、多くの子どもたちが生後数カ月で食物タンパク質誘発性アレルギー性直腸炎と診断され、除去食を与えられていると考えられる。Martin氏は、このような厳しい食事療法を必要とするのは一部のグループだけであり、残りの健康な子どもたちにとっては、このような大幅な食事制限は有害である可能性があると指摘している20。

現在、IgEを介した食物アレルギーを予防するには、ピーナッツなどですでに報告されているように、生後早期に抗原に触れることが最良の戦略であるという、かなり説得力のある証拠がある21。Martin教授らの研究チームが懸念しているのは、もし人口の20％近くが赤ちゃんのときに食事制限を受けるとしたら、そのことが彼らのマイクロバイオームや、免疫系が経口耐性を身につける能力にどのような影響を及ぼすのかということである22。

Martin教授のグループは、次のステップとして、この集団におけるIgEを介した食物アレルギーの割合を調べ、食事制限とマイクロバイオームがこの疾患プロセスにどのような役割を果たしているかを理解しようとしている。このコホートにおける食物タンパク質誘発性アレルギー性直腸炎の高い割合は、（a）この前向きコホートのユニークな研究デザインによるものなのか、（b）20年前と比較して発症率が増加した結果なのか、あるいは（c）おそらく両方の組み合わせによるものなのか。

マーティンは、おそらく真の意味での発症率の上昇の結果だと考えている。彼女は、生検を伴うS状結腸鏡検査やオープンミルクチャレンジを行わずに、経験的治療法として除去食を実施してもさほど害はないという、以前の考え方の結果ではないかと考えている23。 米国では、過去10年間でIgE介在性食物アレルギーが倍増していることからもわかるように、他の食物アレルギー疾患が明らかに増加している。そのため、食物アレルギーの最も初期の症状の1つが増加していることは驚くべきことではない。

食物アレルギーを予防するためのプロバイオティクスの活用

マーティンは、GMAPやこのような研究の成果として、個別化された治療と一次予防の両方のためのマイクロバイオームのターゲットが特定されることを期待している。予防の面では、理想的かつ実現可能な結果として、この種の研究でリスクのある集団を特定できることを示したいと考えている。例えば、GMAP研究の成果により、将来的には、乳児期早期に食物アレルギー症状を発症するリスクが高いことを示す特徴を持つ妊婦を特定することができるかもしれない。そうすれば、胎児や母親にターゲットを絞ったプロバイオティクスを投与することで、一次予防や疾患の阻止を行うことができる。プロバイオティクスの設計は、GMAPで得られた疾患関連の生物学的異常の知見に基づいて行われる。

あるいは、この研究は、食物アレルギー症状を発症した小児のマイクロバイオームを操作する個別の介入につながる可能性もある。Martinは、疾患発症の病態生理を活性化する鍵となるマイクロバイオームのシフトを特定できれば、疾患の発症に関連する特定の炎症誘発株を標的にしたり、それに対抗する保護株を供給したりすることができると述べている24。このような個別化された高度なマイクロバイオーム解析を非侵襲的に行い（そして患者のマイクロバイオームがどのように機能しているかを真に理解し）、予防・治療戦略を開発することは、現在、食物アレルギーの治療に利用できる唯一の手段である除去食に代わる顕著な手段となるだろう。

この目標までの道のりはどのくらいなのだろうか。また、そこに到達するためにはどのような障害を取り除く必要があるのだろうか。マーティンは、いくつかの大きくて複雑なハードルがあると考えている。まず第一に、すでに述べたように、慢性炎症性疾患の発症におけるマイクロバイオームの役割について、真の意味でのメカニズムを理解することが必要である。そして、この目標は、1つの研究や1つの集団だけから得られるものではないだろう。むしろ、前向きにデザインされた多様な研究から得られる多くの統合的な分析から発展していくだろう。本章で述べたようないくつかの前向きな研究の間で調和がとれていれば、非常に有利である。食物アレルギーの改善や予防のためにマイクロバイオームを操作するターゲットを特定するためには、特定の菌株を炎症の予防や誘発に結びつけるメカニズムを解明することがもう一つの必要なステップである25。

これらのターゲットが特定されたら、知見を検証するために、ヒトに関連する新しいモデルが必要となる。典型的なマウスモデルは、マイクロバイオーム研究に最適な手段ではないかもしれない。ヒト腸管オルガノイドのような生体外モデルを含む、治療的介入を検証するための革新的なツールを追求すべきである。そうして初めて、最後のハードルである、前臨床試験で安全性と有効性が確認された治療法を、適切にデザインされた臨床試験で試すことができるのである。近い将来、マーティンの世代の臨床研究者たちが、これらの研究結果を日常の臨床診療に活用できるようになると、我々は楽観的に考えている」。

セリアック病とマイクロバイオーム

セリアック病は、遺伝的に影響を受けやすい人が、小麦、大麦、ライ麦などのグルテンを含む穀物を摂取することで発症する自己免疫性腸症である。グルテンが環境的な引き金となることがわかっているため、自己免疫疾患のユニークなモデルとなっている。また、HLA遺伝子（DQ2またはDQ8）との密接な遺伝的関連性や、組織トランスグルタミナーゼに対する自己抗体を生じる極めて特異的な体液性自己免疫反応も発症の要因となる。しかし、腸管粘膜がグルテンにさらされた後、耐性が失われ、自己免疫プロセスが発症するまでの初期段階は、まだほとんど分かっていない。

現在の研究では、グルテン耐性の喪失は、遺伝的に影響を受けやすい人の食生活にグルテンが導入された時に起こるとは限らず、むしろ、未知の環境刺激の結果として人生のどの時点でも起こりうることが示唆されている。我々のグループが発表した概念実証研究によると、特定のマイクロバイオームと宿主の間のユニークな相互作用が、代謝経路の変化をもたらし、その結果、自己免疫疾患の発症前に特定の代謝物が産生される可能性がある26。これらの要因には、出産時の分娩様式、乳児の授乳形態、感染症の既往歴、抗生物質の使用などが含まれる。

我々は以前、セリアック病のリスクがある乳児は、非選択的な遺伝背景を持つ対照乳児と比較して、Bacteriodetesが減少し、Firmicutesが増加していることを報告した。27 同じ研究で、自己免疫疾患を発症した乳児は、便中の乳酸シグナルが減少していた。これは、乳酸菌種の減少と一致しており、この変化は、セリアック病の自己免疫のバイオマーカーである抗体の陽性化が初めて検出される前に起こってた。

我々の結果は、セリアック病に関連するDQ2ハプロタイプを持つ乳児と、互換性のあるハプロタイプを持たない乳児の微生物群集を比較した同僚によって確認された。DQ2を持つ乳児は、遺伝的素因を持たない乳児と比較して、ファーミキューテスとプロテオバクテリアの割合が高いという、生後1か月の時点でのマイクロバイオーム組成の明確な違いが観察された28。

セリアック病のリスクがある乳幼児を対象とした2つの大規模な前向きコホート研究によると、このグループでは、セリアック病が人生のかなり早い段階で発症することがわかっており、早期の環境要因がセリアック病の発症に極めて重要であるという考えがさらに支持されている。これらの研究では、セリアック病の第一度近親者を持ち、HLA DQ2またはDQ8、あるいはその両方を持つ乳児の16％が、5歳までにセリアック病を発症し、ほとんどは3歳までに診断されることが示された。これらの研究では、セリアック病患者の第一度近親者で、DQ2を2コピー持っている乳児の38％が、5歳までにセリアック病を発症することも示されている29。

第13章で述べたように、ヒトの消化管炎症性疾患の前臨床研究を行う上での大きな限界は、動物モデルでは、宿主とマイクロバイオームの複雑な相互作用を完全には再現できないことである。これらの相互作用は、ヒトにおける寛容と免疫反応のバランスを決定する特定の代謝経路の活性化に影響を与える。現在までに、遺伝的に影響を受けやすい被験者のグルテン耐性の喪失やセリアック病の発症に、腸内細菌の組成やメタボロームプロファイルがどのように影響するかを明らかにした大規模な縦断的研究はない。

この問題を解決するために、MGHfCのセリアック研究・治療センターの臨床責任者であるMaureen Leonard氏は、MGHfCの同僚やイタリアの研究機関からなる学際的なチームとともに、10年間の出生コホート研究に着手した。この研究では、セリアック病の自己免疫疾患の発症や素因に重要な役割を果たす可能性のある追加要因として、発達中の腸内細菌叢とその結果としてのメタボロームの役割を調査している。CDGEMM（Celiac Disease Genomic, Environmental, Microbiome, and Metabolomic）研究では、セリアック病やその他の自己免疫疾患の自然史を調べている。

Leonard氏らは、遺伝的にセリアック病のリスクがある乳幼児が、グルテンを食生活に取り入れると、特定の代謝経路が活性化されるという仮説を立てている。これらの代謝経路は、グルテン耐性の喪失や自己免疫の発症に関与し、メタボロームの表現型に反映される。研究チームは、遺伝的に自己免疫疾患のリスクがある子どもたちの耐性低下を予測するために、特定のマイクロバイオームとメタボロームのシグネチャーを特定し、検証したいと考えている。「我々の最終的な目標は、グルテンに対する耐性が失われ、セリアック病が発症するのを防ぐための早期介入を行うための知識を得ることである」とLeonard氏は述べている。

小児のセリアック病については、10歳まで血清学的スクリーニングを繰り返すほか、詳細な環境情報を頻繁に入手し、生後3年間は3カ月ごと、それ以降は6カ月ごとに便を採取する。乳児のマイクロバイオームとメタボロームを縦断的に比較し、グルテン導入前後の違い、セリアック病が発症した場合の発症前後の違い、セリアック病の発症に関与している可能性のある他の環境因子にも注目する。

Leonard氏は、縦断的研究の中で、研究者たちは入れ子式の症例対照分析を行うと説明している。セリアック病を発症した乳児と、セリアック病を発症していない遺伝的素因を持つ対照群の乳児を比較する。もう一つの解析では、セリアック病を発症した乳児と、HLA素因遺伝子を持たない対照群の乳児を比較する。これらの分析は、マイクロバイオームの変化に寄与し、乳児がセリアック病を発症しやすくなる可能性のある環境要因を研究するのに役立つ31。

CDGEMMの長期的かつ野心的な目標は、出産方法、抗生物質の使用、ウイルス性疾患、食生活における特定の食品の導入など、これらの環境因子や環境因子の組み合わせが、小児期のマイクロバイオームの変化や生物学的機能の変化を引き起こし、セリアック病の発症に寄与するメカニズムを解明することである。このような知識があれば、レオナルド氏は、グルテンに対する耐性が失われて病気が発症する前に、食事療法や個人に合わせたプレバイオティクスやプロバイオティクスを用いて介入することができると考えている32。

未来の臨床現場では、小児科医や家庭医が早期に遺伝子検査を行い、頻繁に便の分析を行う。将来の臨床現場では、小児科医や家庭医が、早期に遺伝子検査を行い、便の分析を頻繁に行い、これらのデータを家族歴や既知の環境暴露と組み合わせることで、セリアック病発症の潜在的なリスクを監視し、発症を予防するための介入を行うことができるようになる。

治療ではなく予防を

最後に、レオナルドに、もし資金が無限にあるとしたら、これらの目標を達成するためにどのように資源を投入するかを尋ねた。レナードは、病気の予測と予防のためのモデルを構築するツールを作るために、より多くの計算科学者を集めることが最優先だと言う。

「Leonard氏は、「データはあるが、それを分析して、臨床で使えるものを迅速に作成する必要がある。「そのためには、他のコホートで検証する必要がある。つまり、病気を予防する方法を発見するために、長い時間をかけて、しかしうまくいけば実りあるアプローチをしてくれる他の科学者が必要なのである」。彼女が指摘するもう一つの障害は、研究費の重点を縦断的な研究や、病気のリスクがある乳幼児を追跡する科学者に移すことである。そのためには、米国国立衛生研究所が現在提供している3～5年の研究費サイクルよりも長い期間が必要であることを理解しておく必要がある33。

これらのデータは、患者のスマートフォンのアプリに反映され、環境中の有害物質への暴露、抗生物質、気温、食事、活動、体重、血圧、心拍数などの要素をモニターできるようになるだろうと彼女は予測している。「レオナルドは、「このような正確でリアルタイムなデータ収集により、病気の予測モデルを改善することができる。「患者の健康や環境に関するデータを直接収集し、計算機を用いた研究者が医療従事者の日常的な臨床のためのアルゴリズムを開発すれば、患者の診察方法を根本的に変えることができるだろう。病気の治療のための訪問ではなく、予防のための訪問が多くなる、真の個別化医療が実現するだろう」34。

CDGEMMのような研究の成果により、マイクロバイオームを操作することで、セリアック病やその他の慢性炎症性疾患の一次予防戦略を実施できるようになる。これは、慢性炎症性疾患の病因と、これらの生涯にわたる疾患の治療におけるパラダイムの完全な転換を意味する。また、セリアック病に特異的なメタボローム表現型を同定することは、新たな診断ツールや治療的介入の定義にも役立つ。CDGEMMのバイオリポジトリは、将来的にエピジェネティックな研究やバイオマーカーの検証を可能にする。これらの知見は、食事とゲノム、マイクロバイオームの相互作用が病気の発症に関与していると考えられている他の慢性炎症性疾患にも大きな影響を与える可能性がある。

さらには、グルテンやその他の環境抗原に対する経口耐性のプロセスを再検討するための戦略を確立し、慢性炎症性疾患やその他の自己免疫疾患の予防および治療に対する新たなアプローチに道を開くことにもつながるだろう。米国では300万人がセリアック病に罹患し、約1700万人が他の自己免疫疾患に罹患している。これらの疾患を予防する有効な戦略がない中、CDGEMMのような研究から得られる知見は、公衆衛生に多大な影響を与える可能性がある。

自閉症スペクトラムとマイクロバイオーム

第10章で紹介したように、ASDは単一の疾患ではなく、コミュニケーション、社会的相互作用、反復的でステレオタイプな行動などの症状を共通の核として持つ、関連する疾患のスペクトラムである。患者の層別化のための特定のバイオマーカーや、共通の疾患経路の可能性を特定することは、研究者や臨床医にとって特別な関心事である。

このパンデミックの根本的な理由を実証的に研究することは困難であるが、一部の研究によると、最近の有病率の上昇の一部は、認知度や認識度の向上、診断方法や治療法の変更などの外因的な要因によるものであると考えられる35。遺伝子-環境相互作用理論に基づき、いくつかの治療法が提案されているが、その結果は相反するものであり、ときには正反対のものもある。

このような最適ではない結果は、他の多くの多因子疾患と同様に、ASDが異なる経路を経て到達できる最終的な病理学的目的地であることに起因すると考えられる。これらのことを考慮すると、ASD患者の層別化は、最も効果的な予防や治療のための個人的な介入を支援する特定のバイオマーカーの同定に基づいて行うことが不可欠である。また、ASDという病気の大きさや、その極端な性差（男性が女性の4倍多い）から、ASDの原因は多因子性であり、集団全体の性別構造に影響を及ぼす可能性がある。ASD患者の多くは、発作、睡眠障害、代謝異常、胃腸障害などの関連する併存疾患の症状を有しており、これらは健康、発達、社会、教育に重大な影響を及ぼす。

ASDの発症に関連する神経解剖学的および生化学的特徴には、微弱で発熱を伴わない全身性の炎症事象の影響を直接受けるメカニズムが関与しており、一方、ASDの発症に対する保護メカニズムには強い抗炎症成分が含まれている36。免疫調節機能の低下や炎症は、ASDを含む精神疾患の原因となり、心理的ストレスは、腸脳軸ネットワークを介して腸内細菌を含む経路を介してさらなる炎症を引き起こす37。

疫学的な情報は限られているが、最近のメタアナリシスでは、ASDの子どもは対照群に比べて4倍も多くの消化器症状を経験していることが確認されており、これらの症状がASDの子どものユニークなサブグループを特定している可能性がある38。他の研究では、ASDの重症度と相関する免疫系の異常な活性化と腸内細菌組成の変化が示唆されている39。最後に、我々は、ASDにおける腸内細菌叢と免疫機能の関連性40と、マイクロバイオータ移行療法によって腸内細菌叢の異常が是正されたASD被験者における消化器症状と行動症状の両方の改善を報告している41。

マイクロバイオームの変化とASDとの相関関係を示す横断的研究は数多くあるが、本章で述べた他の病態と同様の限界がある。これらの研究では、マイクロバイオームの組成と機能を疾患の発症に機械的に結びつけることができない。ASDにおける因果関係を確立するために、疾患の発症と機械的に関連する腸内細菌組成の変化を特定するために、我々は先にセリアック病について説明したような前向き出生コホート研究を2019年に開始した。

自閉症スペクトラムのGEMMA研究

2019年に開始したGEMMAは、Genome, Environment, Microbiome, and Metabolome in Autismの頭文字をとったもので、患者コホート、動物モデル、前向き患者サンプルを組み合わせて使用する。GEMMA研究チームは、多様な手法を用いて、腸内細菌の異常が、宿主のエピジェネティックな変化に影響を与え、代謝経路を変化させ、腸管透過性や免疫反応を変化させ、最終的にASDや関連する消化器系の併存疾患の引き金になったり、重症化したりするかどうかを調査する。

さらに、本プロジェクトでは、特定のバイオマーカーを用いて患者集団を層別化し、腸内細菌の異常を是正したり、消化器系の誘因を除去したりして、仮説されている疾患のメカニズムを検証し、提案されている疾患固有の病態生理に変化が生じるかどうかを観察することを試みる。GEMMAは、ASDの発症と進行が、異常な腸内細菌叢のダイナミックな変化と、腸管バリアーや免疫機能を制御するエピジェネティックな変化と関連していることを、出生時から観察された600人のリスクのある乳児の詳細な評価に基づいて、確かなメカニズムの証拠を提供する。

GEMMAは、免疫の恒常性を回復・維持するために腸内細菌叢を調整しようとする、新しいカスタマイズされた予測（個別化医療）および疾患の阻止（介入）アプローチを支援する。このプロジェクトで同定されたバイオマーカーは、リスクのある子供たちのASDの病因をより深く理解することに貢献し、予防や治療のためにプレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクスの投与や食生活の改善を通じてマイクロバイオームを操作する可能性を促進する。このアプローチは、ASDの病因と早期介入におけるパラダイムシフトを意味する。

また、ASDの特異的な代謝表現型を明らかにすることは、ゲノム、マイクロバイオーム、メタボロームの相互作用が疑われたり証明されたりしている他の疾患の診断ツールや患者層別化モデルのためのバイオマーカーの定義にも役立つ。最後に、本プロジェクトでは、血液、便、尿、唾液など1万6,000以上のサンプルを前向きに収集し、将来のマルチゲノム研究に活用できる独自のバイオバンクを構築する。これらのサンプルは、GEMMAプロジェクトが終了した後も、研究コミュニティに大きな価値を提供するだろう。

自閉症スペクトラムのリスクファクター

これらの目標を達成するために、GEMMA研究チームは、動物モデルの前臨床試験および臨床試験、ならびにリスクのある患者の前向きコホートから収集したマルチオミックデータのデータマイニングおよび生物統計学的解析を駆使して、ASDおよび消化器疾患に共通するメカニズムを特定する。前述したように、本プロジェクトの目的は、消化器症状の有無にかかわらず、ASDの発症に伴う上皮性腸管バリアーの破壊による局所的な免疫細胞の浸潤や活性化を、ヒトの観察研究とマウスモデル研究の両方を用いて、特定の宿主の遺伝子・エピジェネティックプロファイル、マイクロバイオームの組成、代謝シグネチャーと関連付けることである。

マウスモデルを用いた前臨床研究では、ASDの発症に機械的に関連する特定のバイオマーカーの検証に関する貴重な情報を得ることができ、将来的に患者を層別化して一次介入を行うことが可能になる。本プロジェクトでは、バイオマーカーによって層別化された特定の対象集団において、プロバイオティクス、プレバイオティクス、シンバイオティクス（食事療法との併用も可）を投与することで、ASDとその併存疾患の発現を抑制できるという仮説を検証するために、介入試験を実施する。

この5年間のプロジェクトのために結成されたコンソーシアムには、7つの産業パートナー、4つの大学、3つの患者ネットワーク、そしてMGHfCの小児消化器専門医チームとイタリアのサレルノ欧州生物医学研究所（EBRIS）を含む2つの研究機関の学際的なスキルが採用されている。これらの機関には、行動障害、遺伝学、腸管粘膜生物学および免疫学、マイクロバイオーム研究、免疫学、メタボロミクス、マルチオミクスの統計解析、動物モデル、乳幼児および臨床栄養、臨床試験などの専門知識を持つメンバーが揃っている。

臨床結果に基づき、ASD診断のための公認スコアリングシステムを用いて評価した後、集団を「消化器症状のない神経充足児」、「消化器症状のある神経充足児」、「消化器症状のないASD児」、「消化器症状のあるASD児」の4つのグループに分ける。各グループでは、20〜30人を選択し、一連のオミックスプラットフォームを用いて表現型の特徴を明らかにしていく。選ばれた乳幼児については、家族からもゲノムサンプルを採取し、遺伝性のものとde novo性のものを区別し、ASDに関連するバリアントをよりよく検出することにする。このプロジェクトは、ASDの遺伝子、行動、神経学的側面に焦点を当てた従来のASD研究とは一線を画すものである。

しかし、ASDの発症には、腸管バリアー機能不全、免疫異常、代謝異常などの環境要因が大きく関与していることが最近注目されている。同じ診断名を持つ人の間には驚くほどの異質性があり、ASDにはさまざまな病因があるという一般的な考え方と一致している。さらに、ASDの症状は多岐にわたり、特定の原因、治療法、分子バイオマーカーを特定することは困難であることから、ASDの臨床的サブタイプをより明確にし、ASD患者のサブクラスに合わせた治療を行う必要がある。GEMMAは、観察試験において、宿主のゲノム、マイクロバイオーム、メタボロームに加え、腸管粘膜の生物学的特性や免疫学的変化が影響し、ASDの臨床転帰につながる一連の相互作用のメカニズムを検証する。

自閉症スペクトラムのためのマルチオミック解析プラットフォームの開発

現代のハイスループット計測技術は、細胞や生物の特性を測定する強力なツールを提供しており、常に新しいオミックスデータを大量に生み出している。次世代シーケンシング法は、さまざまな種類の細胞、組織、生物からのゲノミクスおよびトランスクリプトミクスデータの測定に使用されている。最近では、腸内細菌のメタゲノミクスもこれらの方法で測定されている。同時に、これらの領域のシステムレベルでの機能をよりよく理解する必要があるため、このようなデータの関連性解析が重要になってきている42。

現在、これらの測定に適用できるいくつかの解析アルゴリズムや関連性解析手法が存在する。現在、これらの測定値に適用できる解析アルゴリズムや関連性解析手法がいくつか存在している。関連性解析のほとんどは、2つのデータタイプの関連性に焦点を当てており、例えば、他のタイプのデータに関連する遺伝の役割を研究している。最近の研究では、一塩基多型（SNP）の変化が、さまざまな種類の細胞における遺伝子発現レベル、代替スプライシング、DNAメチル化、miRNAを介した遺伝子発現レベルに影響を与えることが示されており、SNPはまた、転写産物のアイソフォームの変化や代替スプライシングにも関連している。また、ゲノムのコピー数の変化は、様々な種類の細胞における遺伝子発現値の変化と関連しており、メタボロームデータはトランスクリプトームデータと関連している。また、最近の研究では、メタゲノムデータのマルチゲノム解析にも注目が集まっている。

GEMMAプロジェクトでは、すべてのオミックスデータタイプを統合することが予想される複雑さと高次元性を考慮して、我々の研究チームはまず、下流の分析を最適化するために統合されたデータの構造を決定する。GEMMAでは、第17章で説明した次元削減技術とモデリング技術を使用する。このプロジェクトでは、第三者の研究者がさまざまなオミックスデータレポジトリのデータを共有・統合できるような、世界初のマルチオミックス解析プラットフォームを開発する。

この目的が成功すれば、GEMMAは、仮説の生成、仮説の検証、患者の層別化研究に役立つ高品質なマルチオミクスツールを開発する機会となる。さらに、このようなツールは、幅広い研究コミュニティの貢献によって進化し続け、パブリックドメインで利用可能な質の高いデータの幅と深さを拡大し、ASDとその関連疾患の新たなメカニズムとそれに対応するバイオマーカーの発見につながる可能性がある。このプラットフォームの最初の焦点はASDであるが、このプラットフォームは、生物多様性や代謝のアンバランスが病原体としての役割を果たしていることが証明されている、あるいは仮説が立てられている他の慢性炎症性疾患、特に自己免疫疾患にも外挿することができる。

腸内細菌叢を調整する食事の力

どのような疾患であっても、病気の予防を目的とした縦断的研究において、最も重要な教訓の一つは、食事の役割である。食生活の乱れが健康に及ぼす悪影響や、慢性疾患における食生活の役割は、現在、世界的なレベルで注目されている。

Ashkan Afshinらの論文では、非伝染性の慢性炎症性疾患の予防可能な重要な危険因子として、最適でない食事の負担が成人を対象に体系的に評価されている43。この研究では、195カ国の主要な食品と栄養素の消費量を評価し、慢性炎症性疾患に関連する死亡率と罹患率に対する最適でない摂取量の影響を定量化した。この研究では、各食事因子の摂取量、疾患のエンドポイントに対する食事因子の効果の大きさ、死亡リスクが最も低い摂取量のレベルなどが分析の主な材料となった。次に、疾患別の人口寄与率、死亡率、障害調整寿命（DALYs）を用いて、各疾患の転帰について食事に起因する死亡者数とDALYsを算出した。

このアプローチに基づき、本論文の著者らは、2017年には1,100万人の死亡と2億5,500万人のDALYが食事の危険因子に起因することを明らかにした。ナトリウムの大量摂取以外にも、世界的に死亡とDALYに関連するリスク要因として挙げられているもの（全粒穀物、果物、ナッツと種子、野菜、繊維、豆類の摂取量が少ない）はすべて、腸内細菌叢の組成と機能に悪影響を及ぼし、細菌叢の異常と炎症を助長することが証明された。

これらの発見は、栄養が多くの非感染性疾患を引き起こしていることを示しており、食事による介入は、健康を改善するための効果的で安価な方法となるだろう。我々は、同僚のLauren Fiechtner氏の意見に同意する。健康的な栄養習慣を身につけるために必要な費用は、現在我々が処方しているすべての薬の費用よりもはるかに安いだろう。炎症を抑えるために開発されたどんな薬よりも安いのであるから、人生の早い段階で栄養状態を改善し、DALYsや早期死亡を防ぐことができるのではなかろうか。また、栄養学的なアプローチをとれば、原因（食生活の乱れ）ではなく結果（炎症）に対処する薬の副作用を避けることができる。

残念ながら、大多数の人は、食生活の乱れが慢性炎症性疾患の原因となり、それを治療するためには特定の薬剤が必要であることを理解していない。その上、最初の薬で生じた副作用を治すために、2番目の薬を飲まなければならないことも多いのである。そして、これらの慢性疾患は慢性的な治療を必要とするため、患者は治療の長期化による合併症や炎症の非効率的なコントロールに対処しなければならず、最終的には生活の質の低下を招くことになるのである。

つまり、食べること、慢性炎症性疾患を発症すること、治療すること、治療による合併症を治療すること、炎症を非効率的にコントロールすること、生活の質の低下を経験すること、という一連の流れの中で、可能性の高い要素のうち、1つだけ必須のものがある。少なくとも1日3回は食事をしなければならず、それ以外のイベントは避けることができる。

よく食べることは、複数の目的を同時に果たすことになり、それはドミノ倒しのように作用する。しっかり食べれば、慢性炎症性疾患を発症せず、薬を飲む必要もなく、合併症も発症せず、QOL（生活の質）も低下せず、平均寿命も長くなる。我々は、毎日しなければならない1つのことをうまく行うだけで、公衆衛生を大幅に改善し、多くの慢性疾患をなくすことができる。「食べる」ということである。しかし、健康的な食習慣を身につけ、それを継続することは、多くの人々の心や行動に影響を与える難しい概念である。

甘い誘惑との戦い

親である我々の多くは、自分の子どもと砂糖や食品業界の製品の中毒性について、こうした問題を経験している。祖父母は、孫に特別なご褒美を与え、子供はそれを喜んで食べている。Fiechtner氏も、自分の子供に対する甘いものの影響力をユーモアたっぷりに認めている。「甘いものは、子供たちに一瞬の喜びを与える」と。ハーバード大学の進化生物学者ダニエル・リーバーマンは、砂糖を「古代の深い深い渇望」45と呼んでいるが、フィフチナーは、子供の「甘いもの好き」は、成長期の進化と関係があると指摘している。

しかし、Fiechtner氏は、これらのアイテムを子供の食生活に常備することが、長期的には有害な結果をもたらすと指摘している。彼女は、食品業界が責任を持って、”ジャンクフード “と呼ばれるものを改善してくれることを期待している。ポテトチップスやアイスクリームのように、栄養面では標準以下だが味は良いという食べ物を食べ続けることによる影響を否定することはできないが、幸せで健康的なバランスを見つけなければならない。

とはいえ、食品広告を見たこともなく、スーパーに行ったこともなく、ポテトチップスとりんごの栄養の違いも知らない子どもたちが、不健康な食べ物を食べて喜ぶ姿は驚くべきものがある。一方、年配の子供や大人に対しては、食品業界は科学的なアプローチで広告を展開している。ニコチンを吸うとタバコが好きになるように、食品会社は、人間の脳の特定の部分にある甘味中枢を活性化させると、すぐに満足感が得られ、ジャンクフードを食べることによる健康への影響についての理性的な判断がショートカットされることを知っている。

そして、不健康な食べ物はあまりにもおいしいので、健康な食べ物よりも多く食べてしまい、量と質の両方で損をしてしまい、遺伝的素因のある人のマイクロバイオームのバランスを崩してしまうのである。このようにして、これまで考えられなかったことが起こる可能性が出てきた。人類史上初めて、次世代の平均寿命が現役世代よりも短くなると予測されているのである。我々には、非感染性の慢性炎症性疾患の蔓延を食い止める力がある。もし我々が、マイクロバイオーム領域での科学的発見を公衆衛生政策に役立てるという常識を持っているならば。

15 病気の治療法。プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、ポストバイオティクス

治療的介入としてのマイクロバイオームの再バランス化

近年、ヒトのマイクロバイオームに焦点を当てた研究が盛んに行われていることから、微生物の異常を改善するための治療法の開発にも関心が集まっている。この研究の最終的な目標は、マイクロバイオームが病原体としての役割を果たしていると考えられている、非感染性の慢性炎症性疾患の治療である。これらの介入の前提となるのは、健康状態を維持するためにはバランスのとれたマイクロバイオームが必要であるということである。

そのため、マイクロバイオシスの場合は、バランスのとれたマイクロバイオームを再構築することが治療目標となる。この仮定は、地球上の最初の生命体は原核生物であり、人間を含むすべての真核生物の進化は、周囲の環境およびその住民との平衡状態にある確立された生態系に基づく共生関係によって形成されたという概念によって裏付けられている。

人間の場合、すべての表面や空洞にはマイクロバイオームが存在し、各器官や組織の健康状態に不可欠な生理機能や代謝経路を形成している。このような健康状態の均衡は、宿主の反応とコロニー形成者との間で注意深く調整されたバランスによって生じる。これらのマイクロバイオームは、ホメオスタシスを通じて健康に役立つ生態系に必須の「サービス」を提供している。マイクロバイオームの組成や機能の変化は、疾患の発症や進行に重大な影響を及ぼす可能性のあるディスバイオシスにつながる。

この前提に基づき、本章では、第13章で概説した現在のマイクロバイオームに関する知識の治療適用性に関する限界を考慮した上で、健康を取り戻すためにバランスのとれたマイクロバイオームを再構築するための主要な戦略をレビューする。本章では、プレバイオティクス、プロバイオティクス、シンバイオティクス、ポストバイオティクスを含む、腸内細菌叢の異常を治療するための戦略に焦点を当てている。とはいえ、腸内生態系の変化は、体内の多くの臓器や組織の機能や代謝プロファイルに影響を与える結果につながる可能性があることは覚えておいた方がよいだろう。

プレバイオティクス

定義

プレバイオティクスは、1990年代半ばに、「1つ以上の大腸常在菌の活動を促進することで、宿主の健康に有益な影響を与える難消化性の食品成分」と初めて説明された1。これらには、(1)特定の共生細菌の発酵基質として働き、腸管内でSCFAの放出につながり、多くの分子および細胞プロセスに影響を与える、(2)上皮バリア機能やGALTに属する細胞からの免疫応答など、いくつかの細胞機能に直接作用する、などが含まれる。

腸管透過性や免疫応答に影響を及ぼす抗原輸送を減少させることで、より寛容な環境を促進する可能性を持つプレバイオティクス特性を持つ栄養素への関心が高まっている。このような作用は、免疫反応にエピジェネティックな影響を与え、抗炎症作用をもたらす。これらの機能に直接影響を与えるか、プレバイオティクスを発酵させることができる常在菌を選択するか、あるいはその両方によって、共生型のマイクロバイオームが形成される環境となる。

プレバイオティクスの作用機序と特異性に関する新たな知見により、2017年、プロバイオティクス・プレバイオティクス国際科学協会は、プレバイオティクスを “ホストの微生物が選択的に使用する基質であり、ホストの健康に利益をもたらすもの “と再定義した。プレバイオティクスが満たすべき基準は、（1）胃や上部腸で消化されにくいこと、（2）腸内細菌叢が発酵可能であること、（3）健康に有益な腸内細菌の成長および／または活動を特異的に刺激すること、の3つである2。

先に述べたように、腸内細菌叢の機能は体内の多くの器官に影響を与えるため、プレバイオティクスの効果は腸内機能に限らず、全身の多くの生物学的プロセスに影響を与える3。プレバイオティクスは通常、オリゴ糖や短鎖多糖などの糖類が結合したもので、腸内酵素では消化されない。プレバイオティクスは通常、オリゴ糖や短鎖多糖類などの糖類が結合したもので、腸内酵素では消化されないため、有益な微生物の栄養基質となる。

構造的特徴と供給源

人間が最初に触れるプレバイオティクスは、母乳に含まれるHMOである（第3章参照）。母乳中のHMOは、長年にわたって栄養学上のパズルのような存在であった。人間の母乳には豊富に含まれているが、母乳で育った赤ちゃんには消化されない。ヒトの母乳と初乳には、乳糖還元末端がフコシル化またはシアリル化されたN-アセチルラクトサミン単位、あるいはその両方で伸長したオリゴ糖が大量に含まれている。サイズ、電荷、配列が異なる150種類以上のHMOが同定されているが、最も頻度の高いHMOは、中性のフコシル化オリゴ糖と非フコシル化オリゴ糖である4。

HMOは乳児に直接的な栄養価を提供しないため、他のプレバイオティクスと同様に、数種の腸内細菌にとって好ましい基質であると推測されている。これにより、有益な腸内細菌叢の増殖が促進され、腸内マイクロバイオームの形成が促進される。HMOがマイクロバイオーム内で発酵すると、SCFAが生成される。SCFAは、腸内常在菌の増殖を促し、腸を覆う上皮細胞に直接栄養を与え、宿主と上皮細胞の反応を調節することで、腸の健康全般に貢献する。また、これらの複合的な作用は、おとりの受容体として機能し、常在菌によるコロニー形成に選択的な優位性を与えることで、腸上皮バリアにおける病原菌のコロニー形成を防ぐ。

固形物を食べるようになると、フラクトオリゴ糖（FOS）やイヌリンなどのフルクタン類が最も多く摂取されるプレバイオティクスとなる。これらのプレバイオティクスは、腸内細菌叢への影響を調整することから、食品由来のプレバイオティクスの中でも最も研究が進んでいる。ネギ、タマネギ、ニンニク、アーティチョーク、チコリ、アスパラガス、バナナなどの植物性食品や、ライ麦やトウモロコシなどの穀類に多く含まれている。1日に推奨される食物繊維の摂取量は、3〜11gの天然プレバイオティクスを摂取することを特徴とする、バランスのとれたヨーロッパの食生活によって達成される。

5 このような食生活の問題から、最近では、プロバイオティクスが産生する特定の酵素で消化して化学構造を変化させることで、機能性を高め、保護効果を高める「第二世代」のプレバイオティクスが開発されている。とはいえ、プレバイオティクスを謳った食品や食品素材は数多く市販されているが、現在のところ、プレバイオティクスとしての効果やステータスが証明されているのは、ラクチュロース、FOS、ガラクトオリゴ糖（GOS）のみである。

作用のメカニズム

プレバイオティクスは、2つの異なるメカニズムで宿主の健康に影響を与える。すなわち、有益な細菌の発酵基質として働き、共生するマイクロバイオームの確立と維持に寄与する間接的な作用と、ホメオスタシスの維持に必要な主要な腸管機能に影響を与える直接的な作用である。プレバイオティクスの間接的な作用は、腸内マイクロバイオームへの有益な作用のメカニズムとして最も研究されている。

一例として、イヌリンなどのプレバイオティクスを摂取すると、ビフィズス菌やラクトバチルス菌などの善玉菌が増加することが示されている。これらの善玉菌は、腸内病原菌のコロニー形成を防ぐことで腸の健康に貢献している6。そして、イヌリンによるビフィズス菌の増加は、これらの微生物による酢酸生成量の増加と相関しており、その後、腸管内のC. difficile病原菌の存在量が減少し、腸管内腔から血中への移行が抑制されることがわかっている7。また、リンゴペクチンや1-ケストースなどの新しいプレバイオティクスは、抗炎症作用を持つことが知られているF. prausnitziiや、抗炎症サイトカインIL-10の試験管内での分泌を誘導する能力を持つEubacterium eligens DSM3376の増殖を促進するようだ8。

しかし、プレバイオティクスが腸の健康にもたらす間接的な効果として最も研究されているのは、プレバイオティクスの発酵後に腸内常在菌がSCFAを産生することである。SCFAは、腸内細菌が自らの代謝に利用したり、内腔に放出されたりして、さまざまな細胞と相互作用する。SCFAは、腸管上皮細胞（IEC）や自然/適応免疫細胞などの様々な細胞と相互作用し、遺伝子発現、分化、増殖、アポトーシスなどの細胞プロセスに影響を与える。SCFAの複数の作用機序は現在も研究中であるが、SCFAがGタンパク質共役型受容体（GPRcs）を活性化し、細胞の発生、機能、生存を調節することが明らかになっている9。

これらの作用は、様々なプロテインキナーゼ（アデノシン一リン酸（AMP）活性化プロテインキナーゼ、マイトジェン活性化プロテインキナーゼを含む）、哺乳類ラパマイシン標的（mTOR）、シグナル伝達因子・転写活性化因子3（STAT3）、活性化B細胞核因子κ-光鎖増強因子などを介した複数のシグナル伝達経路の活性化の結果として生じるものである。これらの活性化の結果は、標的となる細胞によって異なる。

また、GPRcによるSCFAの活性化は、IECにおける抗菌ペプチドの発現を制御し、mTORおよびSTAT3シグナルを活性化することで、病原体の腸管粘膜への定着を防いでいるようだ11。IECと腸粘膜固有層に存在する免疫細胞との間には密接な関係があることから、SCFAは、樹状細胞、Tregs、FOXP3+免疫細胞などの免疫細胞の機能に間接的に影響を及ぼす可能性がある。FOXP3完全長（FL）はTh17主導の免疫反応を適切にダウンレギュレートする能力があるが、代替スプライシングされたアイソフォームであるFOXP3 Δ2はそうではない。

セリアック病におけるプレバイオティクスと免疫細胞

MGHのMIBRCに所属するGloria Serenaをはじめとする我々のグループは、自己免疫疾患であるセリアック病における両方の形態のFoxP3の役割を研究している。セリアック病の活動状態は、他の自己免疫疾患で見られるようなTreg細胞の減少ではなく、Treg細胞の機能低下と関連している。今回の研究では、FoxP3アイソフォーム間の不均衡がセリアック病の病態に関連しているのではないかと考えた。その結果、活動性セリアック病患者の腸管生検では、FOXP3のΔ2アイソフォームの発現がFLよりも増加していたが、非セリアック病の対照群では両アイソフォームとも同様に発現していた12。

腸からの証拠とは逆に、健常者の末梢血単核細胞では、アイソフォーム間のバランスは同じではなかった。そこで我々は、腸管の微小環境が代替スプライシングを調節する役割を果たしているのではないかと考えた。セリアック病患者の炎症性腸内環境は、酪酸を産生する細菌に富んでいることが報告されており、一方で、乳酸濃度の高さがセリアック病の前臨床段階の特徴であることが示されている。

セレナらは、インターフェロンαとSCFAである酪酸の組み合わせが、健常者ではFoxP3アイソフォームのバランスを崩すきっかけとなるが、セリアック病患者では同じことが起こらないことを示した。これは、FoxP3のオルタナティブスプライシングプロセスと微生物由来のSCFAとの関係をメカニズム的に明らかにした初めての例であり、特定の代謝産物の生成を介して腸内細菌が免疫細胞に対してエピジェネティックな役割を果たしていることを示す新たな証拠となった。

また、SCFAは、腸管上皮のホメオスタシスに寄与するサイトカインであるIL-18の産生など、さまざまなメカニズムで腸管バリア機能そのものを促進する。今回、MIBRCの研究者らは、健常者とセリアック病患者の十二指腸生検から作製した腸管オルガノイドを用いて、グルテンに対する上皮の反応を調節する上での微生物叢由来のSCFAの役割を調べた。その結果、セリアック病のオルガノイドのRNA配列を健常者と比較したところ、腸管バリアー、自然免疫応答、幹細胞の機能に関連する遺伝子の発現が有意に変化していることが明らかになった13。グリアジンを投与したセリアック病のオルガノイドから得られた単層膜は、健常者と比較して腸管透過性が増加し、炎症性サイトカインの分泌が亢進したが、その影響はSCFAである酪酸、乳酸、PSAによって緩和された。

これらのデータは、上皮バリア機能の維持にプレバイオティクスが直接作用することを示した別のグループの知見を裏付けるものである14。具体的には、不死化した腸管由来の上皮細胞株およびヒト腸管オルガノイドにプレバイオティクスを塗布すると、バリアの完全性が直接促進され、プロテインキナーゼ依存的なメカニズムで選択したタイトジャンクションタンパク質の誘導を伴う病原体によるバリア破壊が防止されることが示されたのである。

プロバイオティクス

定義

プロバイオティクスの定義は、プロバイオティクスの特性やヒトへの影響に関する知識の増加に伴い、1世紀以上前の初期の記述から変化してきている。プロバイオティクスは、健康を促進する特性を持つ生きた微生物として還元的に定義されている。プロバイオティクス」という言葉は、1965年にダニエル・リリーとロザリー・スティルウェルによって発表されたが、「プロバイオティクス・ムーブメント」全体の生みの親は、ロシアの比較動物学者であり、先駆的な免疫学者であるエリー・メチニコフであることは明らかである。メチニコフは、1908年にポール・エーリックとともにノーベル医学・生理学賞を受賞し、生物学者として初めてプロバイオティクスの有用性を報告した15。

メチニコフは、ヨーグルトを定期的に摂取することで、老化のプロセスを遅らせ、寿命を延ばすことができるという先見の明を持っていた。1908年にロシア語から英語に翻訳された著書『The Prolongation of Life』で発表されたメチニコフの理論は、腸内に存在する腐敗菌が毒素やその他の有害物質を宿主に放出することで、老化のプロセスが加速されるというものであった。メチニコフの理論によれば、ヨーグルトに含まれる宿主に優しい菌を投与することで、この作用を打ち消し、腸内バランスを回復させ、人間の健康を増進させることができる16。

作用機序

プロバイオティクスの健康への利用は、何十年もの間、地下に潜ってたが、ヒトのマイクロバイオームとその健康および疾病における役割に関する研究の出現と普及により、臨床および科学界の注目を再び集めるようになった。このテーマに再び注目が集まったことで、抗生物質関連の下痢、IBS、壊死性腸炎、潰瘍性大腸炎、乳糖不耐症、大腸がんなど、いくつかの消化器系疾患にプロバイオティクスの補給が有効であることを示す多くの文献が発表されている18。

これらの報告と並行して、プロバイオティクスの複数の有益な効果を理解するために、多くの論文がその作用機序を検証しようとしている。これらのメカニズムには、免疫系の調整、抗炎症および抗酸化反応の誘発、病原体との競合、主要な栄養素の除去および/または病原体のコロニー化の防止、抗菌物質の生成などが含まれる。さらに、プロバイオティクスは、アポトーシスや細胞周期の停止を誘導することで、大腸がん細胞の抗増殖効果を発揮する可能性がある。

しかし、これらの報告には矛盾があったり、後続の研究で再現されていなかったり、最適ではない研究デザインに基づいていたりする。そこで、我々は、ボストン小児病院とボーイズタウン国立研究病院のJon Vanderhoof氏に話を聞いた。彼は、親友であり、優れた小児消化器病専門医・臨床研究者であり、プロバイオティクスが「再発見」されて以来、さまざまな消化器疾患の治療に携わってきた。我々は彼に、プロバイオティクスの消化器疾患、特に食物アレルギーの治療への一般的な使用について、歴史的な視点を求めた。ここでは、「プロバイオティクス」という言葉が一般的になる前の、いくつかのハイライトを紹介する。

まず、メチニコフの「発酵食品を食べている人は健康である」という観察に基づき、メチニコフの仮説と発酵食品の活用に立ち返った。次に考えたのは、食品の発酵に関わる細菌を採取し、その生きた細菌を患者に食べさせることであった。この方法では、バクテリアが患者を健康にしていると考え、バクテリアの微生物が宿主の健康に良い影響を与えると考えたのである。これは、「プロバイオティクス革命」が始まった重要な部分である19。

この理論に基づいて、何人かの研究者が、生きたプロバイオティクス（Lactobacillus bulgaricusや acidophilusなど）を患者に与えることを検討し始めた。バンダーフーフによると、プロバイオティクスを特定の疾患に使用するための科学的根拠は、その後、タフツ大学のシャーウッド・ゴーバックやスウェーデンのスティグ・ベンガルクなどの研究者によって提唱されたという。これらの研究者は、消化管内でより効果的にコロニーを形成し、成長する菌株があるのではないかと考え、他の菌よりもより特異的に有益と思われる菌を分離しようとしていた。これは、消化管内でより効果的にコロニーを形成し、成長する菌株があるのではないかと考えたからである。

1990年代後半、Gorbachは、プロバイオティクス、特に乳酸菌に関する健康上のプラスの効果は、当時市販されていたものの中では数種類の菌株にしか当てはまらないことに気付いた。この違いは、プロバイオティクスが腸管に定着して人間の健康に影響を与えることができるかどうかという、重要な特徴に関係しているのではないかと考えたのだ。Vanderhoofは、この要件により、1990年代に発酵乳製品に使用されていた菌株の多くが失格となったと述べている21。

Lactobacillus GGのサクセスストーリー

L. rhamnosusの一種であり、成人と子供を対象に広く研究されているLgG（Lactobacillus GG）は、プロバイオティクスの発展とバンダーフーフのキャリアにおいて重要な役割を果たすことになる。乳製品や凍結乾燥した粉末として摂取した場合、LGGは数日間にわたって消化管に良好なコロニーを形成した。このような理由から、LGGは旅行者の下痢、抗生物質関連の下痢、再発性C. difficile大腸炎の治療に成功している。乳児期の下痢では、主に発作の期間が短縮され、LGG発酵乳は牛乳やロタウイルス感染による腸管透過性の障害を軽減する。LGGは、腸粘膜のIgAやその他の免疫グロブリン分泌細胞の数の増加、インターフェロンの局所的な放出の刺激、基礎となるリンパ細胞への抗原輸送の増加、パイエル板での抗原取り込みの増加などで測定されるように、腸管免疫にその後有益な効果を与える。

また、大腸がんの動物モデルでは、LGGは化学的に誘発された腫瘍の発生率を低下させることが示され、動物モデルとヒトの両方で広範な安全性シグナルが並行して示された。Vanderhoofは、同時に、北欧や日本でも、L. plantarumを含む他のプロバイオティクス株を用いた同様の取り組みが行われ、同様の結論が得られたと指摘している22。

Vanderhoof氏の同僚であるマイクロバイオーム研究者のErika Isolauri氏は、フィンランドのトゥルク大学小児科の栄養・アレルギー・粘膜免疫学・腸内細菌叢研究プログラムの責任者である。パリ国立芸術工芸高等学校のJehan-François Desjeuxの研究室（共著者のAlessio Fasanoが数ヶ月過ごした場所）での初期の研究では、Ussing chamber assayを用いた研究でプロバイオティクスの科学を次のレベルに引き上げた。ウッシングチャンバーは、ファザーノが初期の研究で腸内病原体から多くの毒素を発見するために使用したものである。その結果、腸管透過性の調節に重要な役割を果たしているゾヌリンというタンパク質（第6章で紹介）の発見につながったのである。

イソラウリは、LGG株が腸の透過性に影響を与えるという仮説を立て、ウスイングチャンバー実験で腸の透過性が低下することを証明した。一般的には、食物アレルギーの発症には腸管透過性が重要であると考えられていた。彼女は、LGGで腸管透過性を低下させることで、アレルギーのリスクが改善されるのではないかと考えた23。

IsolauriはLGGを使った臨床研究を進め、その結果は彼女の仮説を裏付けるものであった。Vanderhoof氏は、当時の研究者たちは、腸内細菌がバリア機能以外にも、免疫細胞の分化やTh1-Th2免疫応答のバランスに影響を与え、サイトカインの産生に影響を与え、最終的にはアレルギー反応を抑制するという概念に興味を持ち始めていたと振り返る。同じ頃、臨床研究者たちは、下痢や呼吸器系の病気など、保育園での病気についての臨床研究を行ってた。これらの研究はすべて、プロバイオティクスを使って免疫系を誘導し、炎症を改善する根拠となった。

これらの研究の結果、LGGを移植することで腸内の生態系が変化し、マイクロバイオームの世界では何事も単独では機能しないことが証明されたのである。LGGのような生物が投与されると、ある微生物の成長を促し、他の微生物の成長を抑制することで、腸内マイクロ環境の代謝プロファイルを変化させる傾向があるのだ。

例えば、LGGは、一部の酪酸産生菌やその他の微生物の成長を促し、プロバイオティクスの作用機序に影響を与える未解明の効果をもたらすと考えられる。これらの知見は、プロバイオティクスの作用が、腸粘膜への定着による免疫系との直接的な相互作用や、残留微生物、腔内微生物、非付着微生物が分泌する分子（ポストバイオティクス）がバリア機能や免疫パラメータに影響を与えるという間接的な作用など、互いに排他的でないメカニズムによって発揮されることを示唆している。

プロバイオティクスを研究室から臨床応用へ

プロバイオティクスの開発が、前臨床での概念実証から治療目的での使用に至るまでの歴史を整理するために、バンダーフーフがこのプロセスで果たした役割を詳しく見てみよう。1990年代半ば、ヴァンダーフーフの故郷であるネブラスカ州オマハで、オートミールで圧倒的なシェアを誇る食品会社が相談を持ちかけてきた。その会社の幹部の一人が、スウェーデンで発酵オート麦を手術後の重篤な合併症の治療薬として開発している会社を調査していたのだ。

この機会を生かすために、同社はVanderhoof氏に連絡を取り、オーツ麦発酵食品由来のプロバイオティクス、特にスウェーデンの企業が自社の製剤から分離したL.plantarumを使って得られたデータを調べてもらった。彼はそのデータと文献に興味を持ち、スウェーデンに飛ぶことにした。そして、スウェーデンの外科医スティグ・ベンガルクの家で、「人生で最も啓発された午後のひとつ」を過ごしたのである24。

ベングマーク氏は、スライドプロジェクターを使って、興味深い話をしてくれた。肝臓手術を受ける患者に術前に予防的に使用される抗生物質の影響を心配したBengmarkは、外科の研修医にカルテを見てもらうように頼みた。その結果、抗生物質の投与を受けていない患者では多臓器不全が頻発していることが分かった。

ベングマークは栄養学に興味を持った革新的な思想家だった。麦を発酵させたお粥を開発し、患者に与え始めたところ、多臓器不全の発生率が基本的にゼロになるという驚くべき結果が得られた。このオーツ麦発酵食品から、Bengmark氏とその共同研究者はL.plantarumという菌を分離した。ベングマークは、LGGの作用機序とよく似たメカニズムで炎症を改善するという、このプロバイオティクス株のデータをスライドを使ってバンダーフーフに示した25。

オマハに戻ったバンダーフーフは、さらに話を掘り下げた。驚いたことに、LGGの特許を取得したのは、懇意にしているボストンの科学者シャーウッド・ゴーバックだった。ゴルバックは、自分のデータを見せながら、LGGの特許をフィンランドの会社に売却したことを告げた。この情報をもとに、ネブラスカの会社はヴァンダーフーフを含むチームをフィンランドに派遣し、LGG特許の米国での権利獲得の交渉を行った26。

ビジネスマンではなく科学者であるバンダーフーフは、フィンランドの特許を取得するための交渉にはやや抵抗があったが、彼とチームは成功した。LGGをプロバイオティクスとして使用する権利を得た同社は、LGGを食品に配合することを考えていたが、ヴァンダーフーフは、プロバイオティクスを錠剤にした方が良いと説得した。しかし、ヴァンダルフは、プロバイオティクスを錠剤にしたほうがいいと説得した。それまでやったことのないことだったので、小さな子会社で取り組むことになり、それがCulturelle®の誕生につながった27。

その後、ヴァンダーフーフ社はCulturelle®を用いたパイロット臨床試験を開始し、非常に有望な結果が得られたため、成人を対象とした大規模な多施設試験を実施することになった。その結果、抗生物質関連の下痢や、Isolauriらの研究によりアトピー性皮膚炎にも顕著な効果が認められた28。それ以来、Culturelle®は世界中で最も処方されるプロバイオティクスの一つとなった。

このような非常に有望な結果を受けて、同社はLGGを他の臨床適応症やさまざまな処方に使用したいと考えた。Vanderhoofは、LGGを食物アレルギーの治療に使われる赤ちゃん用の粉ミルクに添加して、これらの病気の治療効果が高まるかどうかを確認することを提案した29。

このアイデアが別のビジネスを生むきっかけとなり、さらに加速したのが、ファザーノの母校であるナポリのフェデリコ第2大学のロベルト・ベルニ・カナーニ氏が、ヴァンダーフーフ氏に小児患者のデータを持ちかけたことだった。バンダーフーフは、プロバイオティクスが注目される以前から、子どもの発育におけるプロバイオティクスの有効性を精力的に研究しており、この分野の真のパイオニアである。

プロバイオティクス開発の展望。課題と機会

現在、プロバイオティクス産業は数十億ドル規模の産業に成長している。大きな期待とともに、大きな懸念も生じている。それは主に、治療介入のためのプロバイオティクスの使用を規制する明確な法律上の道筋や計画がないことに関連している。

いつ、何のためにプロバイオティクスを使用するのか、また、どのような適応症に、どのようなプロバイオティクスが治療効果を発揮するのかについて、医療従事者への情報提供には多くの混乱がある。このような混乱は、プロバイオティクスをどのように分類するかについて合意が得られていないことが一因となっている。この分類では、米国食品医薬品局（FDA）の安全性と有効性を証明するための審査を受ける必要がない。しかし、患者の利益を守る患者支援団体や議員たちは、病気の治療、予防、改善を目的としたあらゆる介入に必要な審査をプロバイオティクス製品にも要求している。

Vanderhoof氏によると、FDAは薬物動態や致死量を監視する明確なパラメータを持つ医薬品を扱うことに慣れているため、これは厄介な状況であるという。しかし、典型的な薬理学的動態に従わない生体の使用をどのように規制するかについては、これまで明確な指針がなかった。さらに、現在の医薬品開発・商業化の道筋では、商業承認を得るためにいくつかの前臨床・臨床段階があり、平均15年の歳月と10億ドル以上の投資が必要とされている。これらのコストは、製造コストよりもはるかに高い価格で販売される医薬品を商業化することで回収できるが、収益マージンがはるかに小さいプロバイオティクスでは、このアプローチは通用しない。

また、プロバイオティクスを製造する業界では、菌株の特異性の重要性について大きな誤解があるため、知的財産として特許で製品を保護することが困難であるという点も課題となっている。同じ種類のプロバイオティクス（例えばLGG）を使用しても、配合された特定の菌株によって、作用のメカニズム、つまり対象となる疾患に対する治療効果が大きく異なる可能性がある。それにもかかわらず、ある疾患に対するLGGの有効性を示す研究結果があった場合、他社が別の乳酸菌株を使用し、それが事実であるという証拠がなくても、同様の有効性が文献で報告されていると主張して商品化することを妨げるものは何もない。

以上のことから、バンダーフーフ氏は、プロバイオティクスを販売する際には、実際に効果があることを証明するデータがあることを保証する仕組みが必要であると考えている。また、菌株の特定と、何らかの消費者保護の重要性も強調している。臨床試験で使用される菌株は、商品化される菌株と同じで、同等の特性を持っていることが必須である。これには、その株が生きていること、臨床試験で使用されたものと比較して妥当な用量であることなどが含まれる31。

治療ではなく予防を目的としている場合、状況はさらに混乱する。プロバイオティクスの消費者の多くは、”私の健康に良いから “という理由で摂取している。特定の予防対象がない場合、使用するプロバイオティクスの種や株の選択によっては、有益な効果ではなく有害な効果を得ることができる。特定の適応症のために販売される特定のプロバイオティクスが、その有効性が証明されていること、消費者にとって何らかの価値があること、製品ラベルに記載されている菌株の組成、強度（コロニー形成単位またはCFUの数）、生存率が事実であることを連邦機関（下記参照）が保証することが、明確な立法上の必要性である。

スーパーマーケットや健康食品店で購入するプロバイオティクス製品には、プロバイオティクスのCFUが十分に含まれていない場合や、プロバイオティクスが全く含まれていない場合があることを示す文献がいくつか報告されている。さらに悪いことに、製品の中に病原菌が含まれていることもある。これに関連して懸念されるのは、市場機会と規制の欠如のために、適切な安全性と有効性のデータを持たない製品を商品化する企業があることである。このような非倫理的な商習慣は、さまざまな症状の炎症を改善する優れたツールとなりうるプロバイオティクスの使用に悪影響を及ぼしかねない。

現在のプロバイオティクスの使用に関するもう一つの懸念は、約1世紀前に発見されたペニシリンと同じ過ちを犯しているのではないかということである。特に小児科領域では、プロバイオティクスを使用していない小児を見かけることはほとんどないが、これは事実である。ペニシリンが発見された後、様々な感染症に乱用された。しかし、これらの感染症の中には、ペニシリンが効かないグラム陰性菌が原因となっているものや、ペニシリンが効いていた菌が耐性を獲得しているものなど、ペニシリンが効かないものもあることがわかってきた。

同様に、プロバイオティクスが明確な適応症や処方を持たずに広く使用されると、マイクロバイオームの組成や機能を修正して免疫系の健康や腸管バリアの完全性をサポートしたり、バイオシスによって引き起こされる特定の炎症プロセスを治療したりするための、この潜在的に有効なツールが危険にさらされる可能性がある。最後に、人間は遺伝的・生物学的に平等に作られているわけではないので、どのようなプロバイオティクス製剤を使用しても、すべての人の健康に有益であると一般化することはできない、ということである。Vanderhoof氏の最終的なメッセージは、プロバイオティクスの有益な可能性を活用するためには、特定のプロバイオティクス株に関する科学的知識を拡大し、腸管透過性や免疫反応などの定量可能な特定のターゲットに対する有効性をテストし、炎症を改善することを最終目標としなければならないことを理解しなければならないということである32。

プロバイオティクスの使用に関する現在の規制

Vanderhoof氏が示したことを実現するためには、連邦機関によるプロバイオティクスのヒトへの治療目的での使用を規制する新たなルールの制定が急務である。ヘルスクレームとともに、製造における品質管理、安全性、有効性を考慮しなければならない。予防、治療、処置、緩和、病気の診断を示唆するプロバイオティクス製剤は、医療製品または医薬品に分類され、それに伴う規制がある。生きた複雑な生物であるこれらの製品は、生物製剤として規制されている。

Claudio de Simone氏は、この規制されていない市場を包括的に検討し、この問題をいくつか明らかにしている。「大半の製品は、疾患に特化した主張をしていないため、食品や栄養補助食品に分類されている。場合によっては、特定のプロバイオティクス製剤の臨床データが説得力のあるものであれば、その製品は特定の疾患（例えば、袋炎）の食事管理を目的とした医療用食品に分類されることもある。これらのカテゴリーはいずれも、医薬品よりもはるかに厳しい規制を受けない」33。

デ・シモーネが指摘するように、これらの製品を規制するための国際的な合意は各国にない。プロバイオティクスと食品サプリメントは、欧州連合（EU）の食品製品指令と規則に基づいて規制されている。欧州食品安全機関（EFSA）は、プロバイオティクスのヘルスクレーム（健康強調表示）を認可する機関である。EFSAからは、「適格な安全性の推定」がなされた微生物培養物のリストが発行されているが、デ・シモンが指摘するように、これまでEFSAは、「提出されたプロバイオティクスのヘルスクレームをすべて却下している」34。

同様に、FDAはいかなるプロバイオティクスも生体治療製品として承認していない。生体治療製品とは、ヒトの病気や症状を予防または治療するために使用される生きた生物を含む、ワクチン以外の生物学的製品と定義される。しかし、米国におけるプロバイオティクス製品のほとんどは、FDAの規制対象食品に分類されており、合法的に入手できるプロバイオティクスを含む栄養補助食品も含まれている。ダイエタリーサプリメントは、「適正製造基準」に適合しなければならないが、品質や有効性は含まれていない。

欧州と同様に、栄養補助食品はいかなる疾病の治癒、緩和、治療、予防を目的としても合法的に販売することはできない。しかし、米国では、「健康的な消化をサポートする」などの構造的・機能的な主張をすることができ、その際にはFDAが定める免責事項を記載することができる。

デ・シモン氏によると

クレームは真実であり、誤解を招かないものでなければならず、科学的な証拠によって立証されなければならない。プロバイオティクスには、医師の監督下で経腸的に摂取または投与することを目的とし、医学的評価によって認められた科学的原則に基づく栄養必要量が設定されている特定の疾患または状態の食事管理を目的とした製品もある。これらの製剤は、米国では医療用食品の範疇に入る。医療用食品は医薬品ではないため、医薬品に適用される規制要件は適用されない。しかし、虚偽または誤解を招くような表示をしている医療用食品は、連邦食品・医薬品・化粧品法第403条(a)(1)に基づき、不当表示とみなされる35。

米国の規制当局はプロバイオティクスを医薬品と見なしているため、研究目的であれば、医薬品としての販売を目的としないプロバイオティクス、食品、栄養補助食品のヒト試験は、FDAのIND（Investigational New Drug）プログラムの枠組みに該当する。デ・シモーンによると、「一般に安全と認められている」プロバイオティクスが広く使用されている場合でも、有効性の研究を進める前に、安全性の研究を完了しなければならない36。

de Simoneが言うように、EUと米国では、「プロバイオティクス製品の複雑な性質を考慮していない規制の空白」が残されている。プロバイオティクス製品は生物であり、静的ではなく動的であるという事実、その特性は種と菌株の両方で大きく異なるという事実、そして、個々の成分が相互に作用する可能性のある複数種または複数菌株の製品ではさらに複雑さが増すという事実がある。規制に対する現在のアプローチは不十分であり、医療現場で使用される市販のプロバイオティクス製品（脆弱な人々に使用されるものを含む）において、品質、安全性、クレームの妥当性に問題が生じる可能性があることがますます認識されている」37。

これらの不足に対処するため、FDAは2016年にガイダンス文書を発行し、医薬品としてプロバイオティクスを研究する研究者が初期の臨床試験に必要な製造要件を満たす方法を説明した38。その後の文書でFDAは、「これらの製品の安全性と有効性を適切に理解するために必要な臨床科学を進めるためには、さらなる作業とFDAと様々な利害関係者との継続的なパートナーシップが必要である」と述べている39。 2018年、FDAとNIHは、消費者を保護し、プロバイオティクスの治療上の可能性を最大限に高めるために、この法律の空白を埋めるためのロードマップを概説した。

製品化されたプロバイオティクスと臨床適応症

健康を実装するためのプロバイオティクスの使用は、過去20年間で急激に成長している。2012年のNational Health Interview Survey（NHIS）によると、米国の成人のうち約400万人（1.6%）が過去30日間にプロバイオティクスまたはプレバイオティクスを使用したことがあるという結果が出ている40。

成人の間では、プロバイオティクスまたはプレバイオティクスは、ビタミンとミネラル以外の栄養補助食品の中で3番目によく使われてた。成人のプロバイオティクスの使用率は、2007年から2012年の間に4倍に増加した。また、2012年のNHISでは、4歳から17歳までの子ども30万人（0.5％）が、調査前の30日間にプロバイオティクスまたはプレバイオティクスを摂取していたことが明らかになっている41。

臨床現場でのプロバイオティクス使用の人気は、市販のプロバイオティクスが広く普及し、現在、全世界で370億ドルの市場になると推定されているという証拠によって裏付けられている。これらのデータと、マイクロバイオーム研究がまだ初期段階にあるという事実から、プロバイオティクスの臨床使用は、その治療的使用を正当化すべき科学を上回っていると考えられる。

経口プロバイオティクスによる腸管疾患の治療

臨床現場でプロバイオティクスを使用する可能性のある適応症の中で、感染性下痢症と抗生物質関連下痢症（AAD）の治療が最もデータ的に裏付けられているように思われるが、臨床試験から得られたエビデンスは様々であり、質も低いことが多い。多数の患者を対象とした最初の報告の一つは、小児科におけるプロバイオティクス使用の先駆者の一人であるStefano Guandaliniが中心となって2000年に実施した欧州の多施設共同研究である。グアンダリーニは、共著者であるアレッシオ・ファザーノの師匠でもあり、ファザーノの科学的関心を小児消化器学と腸内病原体に向けさせた人物でもある。

Guandaliniと彼の研究チームは、プロバイオティクスLGGを用いて、あらゆる原因による急性下痢の患者に投与される経口補水液の有効性を多施設共同で評価した。生後1カ月から3歳までの急性下痢患者を対象に、プラセボ対照二重盲検試験を実施し、経口補水液にプラセボを加えたものと、同じ製剤にLGGの生菌製剤（少なくとも1010CFU/250ml）を加えたものを無作為に割り付けた。最初の4～6時間で水分を補給した後、患者は通常の食事に加えて、下痢が収まるまで同じ溶液を自由に利用できるようにした。登録後の下痢の期間は、LGG群ではプラセボ群に比べて約13時間短縮された42。

ロタウイルス陽性の小児では、下痢の持続時間が、プラセボ群では76.6±41.6時間であったのに対し、LGG群では56.2±16.9時間であったことが示された。また、下痢が7日以上続いたのは、プラセボ群では10.7％であったのに対し、LGG投与群では2.7％であり、プロバイオティクスを投与しなかった群に比べて入院期間が短かったと報告している43。

感染性下痢の治療におけるプロバイオティクスの効果を評価するために、コクラン分析では、感染性物質が原因であることが証明された、または推定された急性下痢の患者を対象に、特定のプロバイオティクス製品とプラセボまたはプロバイオティクスを使用しないものとを比較した無作為化比較試験をレビューした44。試験は、試験対象となるプロバイオティクス、投与量、方法論的な質、下痢の定義とアウトカムに関連して異なっていた。

分析の結果、プロバイオティクスは3日後の下痢のリスクを低減し、下痢の平均持続時間を30.48時間短縮した。プロバイオティクスのテスト、ロタウイルス下痢症、各国の死亡率、参加者の年齢によるサブグループ解析では、異質性を十分に説明できなかった。これらのデータに基づき、著者らは、プロバイオティクスは、成人および小児の急性感染性下痢症の治療において、水分補給療法の補助として有用であると結論づけている45。

感染性下痢症におけるプロバイオティクスの使用を正当化する一方で、これらの分析は、非常に不均一な様々な研究から得られたデータを外挿したものであり、デザイン性の高いプロスペクティブな研究が行われている場合には、必ずしも正しいとは言えない。実際、New England Journal of Medicine誌で報告された2つの大規模臨床試験は、感染性下痢症の状況が従来考えられていたよりも複雑である可能性を示唆している。Stephen Freedmanらは、胃腸炎で救急外来を受診した小児を対象に、L. rhamnosusとL. helveticusを含むプロバイオティクスの無作為化比較試験を実施した。46 予想に反して、このプロバイオティクスは、登録後14日以内の中等度から重度の胃腸炎の発症を予防しなかった。

また、David Schnadowerらは、LGGを単独で使用した場合にも、同様に期待外れの結果を報告している。米国で市販されているプロバイオティクスを使用した試験では、下痢や嘔吐の期間、予定外の医療機関への訪問回数、デイケアの欠席期間にプラセボとの有意差は認められなかった47。これらの結果を他のプロバイオティクスの菌株や製剤に一般化することはできないが、どのようなプロバイオティクスがどのような患者や臨床環境で効果を発揮するのかを明らかにするにはまだまだ時間がかかることを示している。

抗生物質に関連した下痢

2000年代初頭に行われたAADに関するいくつかの研究では、この症状の治療や予防にプロバイオティクスが有効であることが示唆された。AADは、抗生物質で治療を受けた入院患者の最大39％で報告されており、合併症のない下痢から大腸炎、C. difficile関連偽膜性大腸炎まで様々な症状がある。病因としては、抗生物質の使用による腸内細菌叢の変化、抗生物質耐性病原菌による腸内生態系の破壊、細菌叢の変化による炭水化物代謝の変化、SCFA代謝・吸収の変化などが挙げられる。

よく知られている偽膜性大腸炎は、高濃度の毒素を形成するC. difficileによって特徴づけられ、再発率と死亡率が高い劇症型の経過をとることがある。AADの予防と治療におけるプロバイオティクスの使用に関するエビデンスを評価するために、組み入れ基準を満たした63件の無作為化臨床試験について、系統的レビューとメタアナリシスが行われた48。しかし、使用された特定の菌株については、あまり報告されなかった。

11,811人の参加者を含む分析された研究のプールされた相対リスクは、AAD患者の数について報告した試験において、AADを減少させるプロバイオティクス投与の有効性を統計的に有意に示した。この結果は、多数のサブグループ解析に比較的影響されなかった。しかし、著者らはプールした結果に有意な不均一性があると報告しており、この関連性が集団、抗生物質の性質、またはプロバイオティクスの製剤によって系統的に異なるかどうかを判断するには不十分であった。

これらの結果から、AADを予防するために、抗生物質治療後または先制的にプロバイオティクスを使用することは、ますます一般的な臨床行為となっている。しかし、Cell誌に報告された2つの研究では、高濃度のプロバイオティクスのサプリメントを摂取することが、正常な腸内フローラの回復を促進する上で、有害ではなく有効であるかどうかが疑問視されている。Jotham Suez氏らは、マウスモデルおよびヒトの前臨床モデルを用いて、抗生物質治療後の腸内細菌叢の回復を調査し、プロバイオティクスはこのプロセスを助けるというよりもむしろ阻害する可能性があると報告した49。

著者らは、プロバイオティクスが急速に腸内粘膜に定着するものの、正常な微生物群の再増殖を最大5カ月間妨げることを示した。また、Niv Zmora氏らは、1種類のプロバイオティクスですべてを解決するという考え方に疑問を呈し、コロニー形成には個人差があることを示した。このような研究は、もっと多くの研究が必要であり、プロバイオティクスのサプリメントを摂取している多くの人々が、単に時間とお金を無駄にしていることを示している。

腸管外疾患の治療のための経口プロバイオティクス

これまでは、プロバイオティクスによる消化器系疾患の治療に焦点を当ててきた。前のセクションでは、市販されているプロバイオティクスの大部分が消化器疾患の治療を目的としていることを確認したが、ヒトのマイクロバイオータが、それが存在する微小環境から離れた場所で効果を発揮することができるという証拠が増えてきている。

腸内細菌叢が、肥満、喘息、T1Dなどの原因となる行動や代謝経路に影響を及ぼす可能性があることを述べてきた。したがって、プロバイオティクスの介入による腸内細菌叢の有益な操作は、必ずしも腸内の病態のみに影響を与えるのではなく、離れた部位や臓器にも有益な効果を及ぼす可能性があるということが、この概念に含まれている。例えば、プロバイオティクスの摂取による腸内細菌叢の操作は、心血管障害の緩和、51 抗炎症作用による骨の健康と整合性の促進、52 創傷治癒プロセスの促進、紫外線による光障害の防止、皮膚炎や乾癬などの皮膚疾患の症状緩和などの効果があることが示されている53。

プロバイオティクスを腸管外の疾患の治療に用いることは、精神疾患、神経変性疾患、神経発達障害などの原因となる腸脳軸の調節障害を解決する上で、最も刺激的で魅力的な可能性の一つである。このテーマについては、第16章で詳しく説明する。

経口プロバイオティクスの治療目的での使用についての最後の警告

本章で紹介した研究を総合すると、病気の治療や予防のためにプロバイオティクスを無差別に使用することについて、いくつかの「考える材料」が得られる。プロバイオティクスの効果を示すエビデンスは議論の余地があるだけでなく、プロバイオティクスはサプリメントとして販売されているため、多くの国のメーカーは規制機関にその安全性と有効性のエビデンスを提供する必要がない。プロバイオティクス製品が広く普及しているということは、最悪の場合、それらが無害であることを示唆している。しかし、汚染のリスク、菌血症や菌血症の可能性（特に免疫不全、高齢者、重篤な患者）、SIBO、抗生物質耐性など、安全性に関する懸念が指摘されている。

さらに、プロバイオティクスの臨床試験では、安全性に関する報告が一貫してなされていないことも懸念材料である。プロバイオティクスの理屈は正しいように思えるが、マイクロバイオームの複雑さや、プロバイオティクスが人間の健康にもたらす効果（有益なものも有害なものも）を理解するには、まだまだ長い道のりが必要であることは明らかである。誰もが固有の腸内マイクロバイオームを持っており、異なる細菌が異なる人に与える影響は非常に多様であると考えられる。そのため、最適な効果を得るためには、プロバイオティクスを個別に使用する必要がある。

また、市販されている製品には、すべての人に効果をもたらすような適切な菌株や量が含まれていない可能性があり、ほとんどのプロバイオティクスサプリメントには単一の菌株しか含まれていないため、マイクロバイオーム調整の複雑さが大幅に単純化されている。したがって、健康増進のためにサプリメントを摂取することは確かに魅力的であるが、病気の治療や予防のために腸内細菌叢を改善したいと考えている人は、健康的で変化に富んだ食生活を送る方がよいだろう。一方で、我々は、潜在的な健康効果を立証するための厳格な臨床試験や、病気の治療、改善、予防のために宿主のマイクロバイオームをより個人的に操作するための次世代プロバイオティクスの開発を切望している。

次世代のプロバイオティクス

本章で説明した現在市販されているプロバイオティクスの限界を踏まえ、健康増進のためのマイクロバイオーム操作に最適なプロバイオティクスの使用を検討する。腸管バリア機能や免疫反応の調節など、慢性炎症に関連する機能を特異的に標的とするために臨床現場で使用されているプロバイオティクスのほとんどは、無作為に選択されたものか、「常識的な」関連研究に基づいて選択されたものである。これらの研究は、LactobacillusやBifidobacteriumの種に起こったのと同様の方法で、彼らの潜在的な有益な役割を概説している。

ほとんどのプロバイオティクスは安全性が高く、一部のプロバイオティクスは有効性を示しているが、疾患の改善における全体的な効果や機能は、ほとんどのプロバイオティクスでは統計的にわずかなものである。逆に言えば、伝統的なプロバイオティクスの投与は、特定の病気を治療することを目的としているのではなく、健康を改善することを目的としている。これは、乳酸菌を含む発酵乳製品を定期的に摂取することが、ブルガリアの高齢者の健康増進と長寿につながるという観察結果に基づいた概念である54。

55 通常のプロバイオティクスとは異なり、次世代プロバイオティクスは、疾患の発症に関連する病因的な標的と力学的に結びついた明確な作用機序を持つことが理想的である。さらに、細菌の遺伝的特徴や生理的特徴（成長の仕方、抗生物質に対する感受性パターン、特定の環境条件下での半減期サイクルなど）も明確になっている必要がある。

この目標を達成するためには、次世代シーケンサーやバイオインフォマティクス技術などの最先端の技術を用いてNGPをスクリーニングし、分離した後、新しいプロバイオティクスの機能を厳密に検証する必要がある。したがって、これまでプロバイオティクスを分離するために用いられてきた伝統的なアプローチと比較して、NGPを分離して検証するために必要な戦略は、特定のプロバイオティクスと臨床転帰をメカニズム的に関連付けることができる縦断的な研究の必要性を含めて、根本的に異なる戦略が必要となる（第17章参照）。また、微生物叢の構成、その機能に関する洞察を得るためのメタゲノミクス、メタボロミクス解析によって評価される宿主の反応について、より包括的なバイオインフォマティクス解析が必要である。

これらのツールに加えて、綿密なマルチゲノム解析や数理モデルを用いることで初めて、プロバイオティクス候補を同定し、NGP候補として選択することができる。理想的には、同定されたこれらの菌株候補は、in vitroの細胞株、ex vivoおよびin vivoの動物モデル、ヒト腸管オルガノイドを用いたアッセイなどの機能的な検証によって特徴づけられ、特定の作用メカニズムが確認されれば、ヒトの臨床試験に移行することができる。もちろん、サンプルの採取やその分離場所（便と粘膜）、最適な保存条件、使用する詳細なシーケンスやバイオインフォマティクス解析など、標準化された処理手順を最適化し、標準化し、厳密に遵守する必要がある。

最後に、大規模解析から得られた多くのビッグデータをメタデータと統合し、ゲノムプロファイリング、栄養状態、薬物治療など、宿主の特定の特徴を考慮して、臨床結果を左右する微生物叢と宿主の相互作用に関わるメカニズムを完全かつ統合的に把握する必要がある。表15.1は、これまでに同定されたNGPの一部と、それらが特定の病状において有益な効果をもたらす可能性を示している。

表15.1

次世代プロバイオティクス、その主な治療効果、および主な作用機序

NGP

主な治療効果

作用機序

B. breve

B.ロンガム

B. adolescentis

B. ラクティス

(ビフィズス菌)

抗がん剤治療

腫瘍の成長を抑える、チェックポイント阻害剤の効果を高める、抗がん剤の遺伝子を標的腫瘍に運ぶためのビークルとして機能する

プレボテラ・コプリ

(バクテロイデテス)

糖尿病前駆症状の改善

コハク酸の産生を介して、動物の耐糖能異常を改善し、肝グリコーゲンの貯蔵を促進する。

B. fragilis

(バクテロイデテス)

炎症の改善（神経炎症、癌を含む）。

B. fragilis polysaccharide A (PSA)を産生する。PSAは双性イオンモチーフを持つ典型的な細菌の莢膜多糖であり、形質細胞様樹状細胞などの抗原提示細胞との直接的な相互作用により、抗炎症性メモリーCD4+FoxP3 T細胞の特定のサブセットを濃縮する。

A. muciniphila

(Verrucomicrobiae)

メタボリックシンドローム、肥満症の改善

細菌の外膜に存在する免疫調整タンパク質「Amuc_1100」を介して、グルコースやエネルギー代謝を制御する。他の研究ではエンドカンナビノイド（eCB）システムの調節も示唆されている

C. minuta

(Christensenellaceae)

肥満および関連症候群の軽減

肥満に関連するマイクロバイオームを変化させ、体重を減少させる

F. prausnitzii

(Ruminococcaceae)

腸内環境の改善

抗がん剤治療の有効性の向上

酪酸を産生する

免疫チェックポイントブロック療法の効果の向上 腸内のFaecalibacterium spp.の豊富さと、腫瘍環境（TME）内のCD8+ T細胞の浸潤との間に強い正の相関関係があり、さらに周辺部のエフェクターCD4+ T細胞およびCD8+ T細胞の頻度との間にも強い相関関係がある。

P. ゴールドステイニイ

(Parabacteroides)

肥満の軽減

不明

出典：C.-J. Chang, T.-L. Lin, Y.-L. Tsai, T.-R. Wu, W.-F. Lai, C.-C. Lu, and H.-C. Lai, “Next Generation Probiotics in Disease Amelioration,” Journal of Food and Drug Analysis 27, no. 3 (July 2019): 615-622, doi.org/10.1016/j.jfda.2018.12.011.

シンバイオティクス（Synbiotics

シンバイオティクスは、「宿主の消化管における生きた有益な微生物の生存率とコロニー形成を改善することで宿主に有益な影響を与えるプロバイオティクスとプレバイオティクスの相乗的な混合物」と定義されている56が、シンバイオティクスは、食品や動物飼料に添加された有益な微生物の生存率の改善だけでなく、消化管に存在する特定の在来細菌株の増殖を刺激することで、腸内細菌叢の組成や微生物代謝物の産生を調節するためにも使用されている。シンバイオティクスの有益な効果は、おそらくプロバイオティクスと特定のプレバイオティクスとの個別の組み合わせに関連しており、特定の治療結果を得るために特定の宿主のために特定のシンバイオティクスをカスタマイズするという魅力的な可能性を提起していることに留意すべきである。

したがって、所望の健康結果を得るための適切なプレバイオティクス-プロバイオティクスの組み合わせを見つけるための選択基準は、宿主の健康に悪影響を及ぼす可能性のある種の成長を好まずに、関連するプロバイオティクスおよび宿主の微生物叢に存在する他の有益な微生物の成長を選択的に刺激するプレバイオティクスを持つという目標を考慮する必要がある。典型的な例としては、牛乳アレルギーの乳児の正常な成長をサポートし、腸内細菌叢を調整し、アトピー性皮膚炎の乳児の喘息様症状を予防することが示されているシンバイオティクスを乳児用粉ミルクに配合することが挙げられる57。

成人では、いくつかのメタアナリシスにより、空腹時高血糖値の低下、便秘の緩和、消化器系手術後の術後敗血症の発症リスクの低減など、シンバイオティクスの効果が示唆されている58。その有益な効果を説明する明確な作用機序はまだ特定されていないが、シンバイオティクスは、SCFA、ケトン、二硫化炭素、酢酸メチルなどの増加を特徴とする腸内の代謝活動に影響を与えるのではないかと考えられている。この活動は、腸管のバリアーや生体構造の維持、有益な微生物群の発達、消化管内に存在する潜在的な病原体の抑制に貢献すると考えられる。

さらに、シンバイオティクスは、望ましくない代謝物の濃度を低下させ、ニトロソアミンや発がん性物質の不活性化にも寄与すると考えられる。宿主のマイクロバイオームの構成と機能に有益な影響を与える結果として、シンバイオティクスは、骨粗鬆症の予防、血中脂肪と糖分のレベルの低下、免疫系の調整、肝機能異常に関連する脳障害の治療などに効果があると考えられる59。

ポストバイオティクス

ポストバイオティクスとは、酵素、SCFA、ペプチド、テイコ酸、ペプチドグリカン由来のムロペプチド、多糖類、細胞表面タンパク質、有機酸などの発酵可溶性の機能性因子（製品または代謝副産物）であり、生きた細菌が積極的に分泌するか、または細菌の溶解（細胞死）後に放出される。そのため、これらの成分の産生量や存在量は、腸内細菌の組成やその代謝・機能的な表現型に大きく依存しており、微生物によって代謝される成分の程度は個人によって異なる可能性があることを示唆している。

近年、食品の発酵についての認識が深まり、ポストバイオティクスという概念が生まれた。ポストバイオティクスとは、先に述べたような機能性発酵化合物であり、栄養成分と組み合わせて使用することで健康を促進することができる。ポストバイオティクスは、明確な化学構造、安全な投与量、安全性に影響を及ぼす可能性のある生物が含まれていないこと、保存期間が長いこと、抗炎症作用、免疫調節作用、抗肥満作用、抗高血圧作用、低コレステロール作用、抗増殖作用、抗酸化作用などの様々なシグナル分子が含まれていることなどから、近年、科学界や臨床界で大きな関心を集めている。

ポストバイオティクスは、プロバイオティクスのように大量の微生物を投与する必要がないため、コロニー形成の効率や微生物の安定性などの技術的課題を解決することができる。また、有効成分を腸内の所望の位置に投与できること、包装や輸送が容易であることなど、発展途上国のように生産・保管条件の管理・維持が困難な状況でもポストバイオティクスを使用することができる。

最後に、ポストバイオティクスは、プロバイオティクスの経口投与による菌血症のリスクが懸念される未熟な新生児など、重篤な患者やリスクの高い患者にとって、プロバイオティクスに代わる魅力的な選択肢となり得る。これらの特性は、ポストバイオティクスの正確な作用機序が完全には解明されていないにもかかわらず、慢性炎症プロセスに関与する特定の経路を標的とすることで、宿主の健康増進に貢献する可能性を示唆している60。

16 腸・脳軸疾患におけるマイクロバイオーム研究　サイコバイオティクス

サイコバイオティクスの役割

第10章で取り上げた腸脳軸の概念に基づき、マイクロバイオーム関連の研究で最も興味深く、挑発的な側面の1つは、精神衛生、神経変性疾患、神経発達障害などの神経系の疾患に対するプロバイオティクスの腸管外への影響の可能性である。プロバイオティクスの特異な作用機序と中枢神経系を標的とする嗜好性から、2013年にTimothy Dinanらによって「サイコバイオティクス」という言葉が提唱された。サイコバイオティクスとは、適切な量を摂取することで、精神的な健康に良い影響を与える新しいクラスのプロバイオティクスを意味し、精神疾患の治療に応用できる可能性を示唆している1。

過去5年間に行われた精神生物学の研究の大部分は、動物モデルを用いて意欲、不安、抑うつを評価することで行われた。これらの研究から、精神生物学的製剤は、γ-アミノ酪酸（GABA）、セロトニン、グルタミン酸、脳由来神経栄養因子などの神経伝達物質やタンパク質の産生・放出を調節することで治療効果を発揮することが明らかになった。具体的には、乳酸菌やビフィズス菌の一部の菌株が、GABA、アセチルコリン、セロトニンを産生することが確認されている2。

サイコバイオティクスの効果は、神経免疫軸の調節や神経系が関与する疾患にとどまらず、認知、記憶、学習、行動などにも関係している。例えば、動物モデルを用いた研究では、精神生物学的物質を摂取すると、ストレスや不安に関連する症状の発生率が低下することが示されている3。また、マウスモデルでは、精神生物学的物質の一部が、脳内の炎症反応や酸化的損傷反応を抑制し、神経変性疾患や脱髄疾患の症状を最小限に抑えることが示されている4。

精神生物学的製剤のヒトへの影響

動物実験で得られた有望な結果に基づいて、ヒトの精神的健康に対する精神生物学的物質の有益な効果がパイロット試験で報告されている。健康なボランティアにBifidobacterium longum strain 1714を4週間投与したところ、ストレスが軽減され、記憶力が向上した5。ヨーグルト（L. acidophilus LA5およびB. lactis BB12）またはカプセル（L. casei, L. acidophilus, L. rhamnosus, L. bulgaricus, B. breve, B. longum, Streptococcus thermophiles）に含まれる潜在的なサイコバイオティクスの石油化学労働者に対する効果を無作為化二重盲検プラセボ対照試験で検討した6。

ヨーグルトとカプセルの両方を使用した被験者は、うつ病、不安、ストレス尺度の一般的な健康質問票で、精神的な健康パラメータの改善を示した。現在進行中の臨床研究では、プロバイオティクスサプリメント（L. plantarum PS128、L. plantarum 299v、L. rhamnosus GG、Bifihappy、Vivomixx®、Probio’Stickなど）のうつ病や不安症に対する効果を、参加患者の炎症状態、ストレス、気分に焦点を当てて分析している8。

神経変性疾患に対する精神生物学的製剤の効果

腸と脳の軸は双方向のコミュニケーションで機能しており、腸はいくつかの神経変性疾患を特徴づける主要な神経炎症プロセスに影響を与えている。このような理解に基づき、様々な神経変性疾患における炎症を改善するサイコバイオティクスへの関心が高まっている。神経変性疾患の中でも、アルツハイマー病とパーキンソン病は、細菌の異常を示す証拠がより確かなものとなっており、精神生物学的製剤の使用が期待されている。

アルツハイマー型認知症

アルツハイマー型認知症は、進行性の神経変性疾患であり、徐々に記憶が失われ、その後、精神的・行動的な機能が低下することが特徴である。アルツハイマー病の主な危険因子は加齢であるが、T2D、高脂血症、肥満、血管因子などの他の要因も、その発症に関与しているようである。アルツハイマー病の最も一般的な仮説はアミロイド仮説であり、アミロイド前駆体タンパク質のタンパク質分解処理の変化がアミロイドβ（Aβ）ペプチドの蓄積を引き起こし、免疫反応が神経炎症やアルツハイマー病の神経変性を促進するというものである。

9 アルツハイマー病やその他の神経変性疾患、特に加齢に伴う疾患の発症には、これらのバリアーの機能低下が重要な役割を果たしていると考えられている（第18章参照）。さらに、腸内細菌叢の中には、アミロイドやLPSを大量に分泌する種があり、アルツハイマー病の病因に関連するシグナル伝達経路の調節や炎症性サイトカインの産生に寄与している可能性を示す研究証拠がある。

さらに、微生物叢は、肥満やT2Dの発症にも関係しているようである。これらの病態は、前述のように、アルツハイマー病の病態と関連している。アルツハイマー病の症状を効率的に治療するためにサイコバイオティクスを使用する根拠は、サイコバイオティクスの使用が神経炎症とその臨床的影響（記憶障害や学習障害など）を改善することを示唆する一連の動物実験に基づいている10。具体的には、酸化ストレスの軽減、学習・記憶障害の改善、アミロイドプラーク数の減少、炎症や酸化ストレスの軽減、インスリン濃度やインスリン抵抗性の低下、学習・記憶・行動・抗酸化物質濃度・認知行動・粗大行動の増加などが報告されている。

ヒトを対象とした試験では、重度のアルツハイマー病を対象とした単一系統の使用では、認知機能障害の緩和に効果がないことが示された11。ある探索的介入試験では、アルツハイマー病患者を対象に、L. casei W56、Lactococcus lactis W19、L. acidophilus W22、B. lactis W52、L. paracasei W20、L. plantarum W62、B. lactis W51、B. bifidum W23、L. salivarius W24といった複数の菌株を使用した12。その結果、ベースライン時と比較して、糞便中のゾヌリン濃度の低下（腸管バリアー機能の改善を示唆）、F. prausnitzii（炎症を抑制する有益な微生物成分）の増加が認められ、血清中のトリプトファン代謝の変化と関連していた。

ある無作為化二重盲検対照臨床試験では、プロバイオティクス処理を施した牛乳（L. acidophilus, L. casei, B. bifidum, L. fermentum）を12週間摂取したところ、L. acidophilusとL. caseiの両方を摂取することができた。fermentum）を12週間摂取したところ、対照群と比較して、Mini-Mental State Examinationスコアが有意に改善し、血漿マロンジアルデヒド、血清高感度C反応性タンパク、恒常性モデル評価によるインスリン抵抗性、β細胞機能、血清トリグリセリド、定量的インスリン感受性チェック指数に良好な変化が見られた13。本研究では、一部のアルツハイマー病患者において、プロバイオティクスを12週間摂取することで、認知機能や一部の代謝状態にポジティブな影響を与えることが示された。

パーキンソン病

パーキンソン病は、中脳の黒質経路が関与する衰弱した神経運動障害である。一般人口の約2％が罹患しており、全世界で300万人の患者がいると推定されている。パーキンソン病は、振戦、硬直、徐動（多くの場合、アキネジア）、姿勢異常（しゃがむような歩行を特徴とする）などの多数の運動症状を特徴とする。これらの運動症状は、不安、抑うつ、無気力、認知機能の低下、認知症、精神病などの精神神経症状と関連していることが多い。

また、パーキンソン病の患者は、便秘や腹部膨満感などの消化器症状に悩まされることも少なくない。パーキンソン病の病理組織学的特徴は、大脳基底核の神経細胞に、誤って折り畳まれたタンパク質であるα-シヌクレインが蓄積することである。パーキンソン病では、神経系の炎症と腸神経系の炎症がともに認められており、病態に腸脳軸が関与していることが指摘されている。腸粘膜の筋層やアウエルバッハ神経叢にグリア細胞マーカーが存在することや、患者の黒質でグリア細胞の機能障害や酸化ストレスが増加していることなど、いくつかの要因が、神経系における炎症の発生とパーキンソン病との関連性を示唆している14。

パーキンソン病の病因における非神経学的因子の役割に対する関心が高まっているのは、強い遺伝的素因を持つ症例がわずか10％であるという事実に起因しており、その病因において環境因子や内在的な宿主因子が極めて重要な役割を果たしていることを示唆している。パーキンソン病の神経変性症状の発症に先立って、腸内細菌叢の組成および機能の変化、ならびに腸管透過性と消化器症状（便秘、嚥下障害、唾液分泌過多、嚥下障害）の発症が5年から10年先行することが示されている15。

腸管バリアーの障害により、細菌がタイトジャンクションを越えて腸間膜リンパ組織に拡散するという仮説が立てられている。これにより、細菌の成分がリンパ組織にアクセスすることで、粘膜免疫細胞が活性化され、炎症性サイトカインが放出され、迷走神経系が活性化され、その後、中枢神経系や腸管神経系を調節する神経活性ペプチドが放出されると考えられている16。多くの患者は、本症の特徴的な運動症状が現れるずっと前から胃腸症状に悩まされていることから、腸の炎症と腸神経系における異常なα-シンヌクレイン線維の沈着が、迷走神経幹を介して中枢神経系の神経組織へと逆行性に広がるプロセスを開始するという仮説が立てられている17。

これらの前提に基づき、パーキンソン病に対する精神生物学的製剤の有効性を検討するいくつかの研究が行われている。無作為化二重盲検プラセボ対照臨床試験では、パーキンソン病の被験者に複数のプロバイオティクス（L. acidophilus、B. bifidum、L. reuteri、L. fermentum）を12週間投与したところ、統一パーキンソン病評価尺度のスコアが低下したことが報告されている。その他、プラセボ群と比較して、hs-CRPおよびMDAレベルの低下、グルタチオンレベルの上昇、インスリン機能の改善が認められた18。

パーキンソン病患者の末梢血単核細胞における炎症、インスリン、脂質関連遺伝子に着目した1つのランダム化比較試験では、12週間後、プロバイオティクスサプリメントを摂取したパーキンソン病患者は、プラセボ対照群と比較して、IL-1、IL-8、TNF-αの発現が有意に低下し、トランスフォーミング増殖因子β（TGF-β）およびペルオキシソーム増殖剤活性化受容体γの発現が上昇したことが示された19。他の3つの研究では、プロバイオティクスを使用したパーキンソン病患者は、便秘の減少20、腹痛および腹部膨満感の減少21、便の硬さおよび便習慣の改善など、消化管機能の改善が見られた22。

パーキンソン病患者を対象としたプロバイオティクスの臨床研究の大半は、消化管機能に焦点を当てているが、プロバイオティクスがパーキンソン病患者の運動制御を改善したと報告したのは、そのうちの1つだけであった23。パーキンソン病では、腸内分泌細胞でのミスフォールドしたα-シヌクレインとその神経系への伝播が病態に関与していると考えられていることから、腸内分泌細胞での異常なα-シヌクレインに対するプロバイオティクスサプリメントの効果を評価することは、今後のパーキンソン病の研究で考慮すべき有用な主要評価項目になると考えられる。

ヒト神経発達障害に対する精神生物学的製剤の影響

第10章で紹介したASDは、社会的コミュニケーションや社会的相互作用の障害を特徴とする神経発達障害の混合疾患である。ASDは、行動、興味、活動が制限され、反復的なパターンを伴う。ASDの子どもたちは、下痢、便秘、胃食道逆流のいずれかまたは複数を含む消化器症状を頻繁に経験する。そのため、ASD患者の間では、これらの消化器症状を改善するためにプロバイオティクスを使用することが人気を集めている。

最近、ヒト臨床試験登録の公式サイトで検索したところ、ASD治療に対するサイコバイオティクスの評価試験が合計9件あり、そのうち3件はすでに終了している24。これらの研究のほとんどは、プロバイオティクスまたはプレバイオティクスとプロバイオティクスの組み合わせを使用している。8株のプロバイオティクスを含む製剤であるVisbiome® extra strengthは、ASDの子どもの胃腸症状の抑制に一定の効果を示した。Visbiome®に含まれる8種類のプロバイオティクスを1袋あたり4,500億個の菌体を含む複数のプロバイオティクスを配合したVivomixx®は、ASD患者を対象とした2つの臨床試験で評価されている。

イタリアで実施された試験では、自閉症診断観察表®-2評価テストで測定されたASDの重症度の変化を主要評価項目としている。被験者を胃腸症状のある人とない人の2つのグループに分け、Vivomixx®を1日2包を1ヶ月間、1包をさらに5ヶ月間摂取してもらった。英国で実施された別の試験は、クロスオーバー試験で、ASD患者をVivomixx®群またはプラセボ群のいずれかに4週間割り当て、その後4週間のウォッシュアウトを行う。ウォッシュアウト後、被験者はもう一方のグループに4週間クロスオーバーする。本試験では、ASD症状の変化を測定するために、自閉症治療評価チェックリスト（ATEC）という評価テストを使用している。

L. acidophilus、L. rhamnosus、B. longumの3株のプロバイオティクスを用いた非盲検試験では、ATECおよびGastrointestinal Severity Indexの質問票を用いて評価した自閉症および胃腸症状の重症度が、それぞれプロバイオティクスによる3カ月間の介入後に改善したことが示されている25。B. lactis BB-12（BB-12）およびL. rhamnosus GG（LGG）を含むプロバイオティクス製品（BB-12＋LGG）のASD症状に対する効果も調査された。また、複数のプロバイオティクスを組み合わせた場合の安全性と有効性を評価するプラセボ対照試験がいくつか進行中である。

また、単一のプロバイオティクス株を用いたASDの研究も行われている。しかし、使用量や主要評価項目に関する情報が不足していること、男児のみを対象としていることなど、これらの研究には、得られた結果の解釈を制限するような潜在的なバイアスや欠点がある。ASDにおけるプロバイオティクスの役割に関するシステマティックレビューによると、ASDの子どもたちにプロバイオティクスを補給することを含む6つの試験がこれまでに発表されている。これらのほとんどは前向きの非盲検試験であり、その結果、ASDの子どもの胃腸症状または行動症状の緩和におけるプロバイオティクスの役割を支持する証拠は限られていた。2件の二重盲検無作為化プラセボ対照試験では、胃腸症状と行動に有意な差は認められなかった26。

前臨床試験では有望な知見が得られたものの、プロバイオティクスはASDの子どもの胃腸症状や行動症状の管理において、全体的に限られた有効性しか示していない。これらの知見は、ASDの病因において腸内細菌叢が極めて重要な役割を果たしていないこと、あるいはプロバイオティクスが細菌叢の異常とその腸脳軸への影響を治療する上で効率的でないことを示唆しているのかもしれない。しかし、神経炎症との関連性が指摘されているプロバイオシスを具体的に改善するための個別化された介入（クロスセクション研究では不可能）が行われていないこと、標準化されたプロバイオティクス療法が行われていないこと、使用されるプロバイオティクスの系統や濃度が複数異なること、治療期間がまちまちであることなどが、これまでに得られた結果の一貫性のなさや転帰の悪さを説明する要因となっている。

とはいえ、サイコバイオティクスは、細菌と人間の相互作用に関する現在のパラダイムを、単なる共生関係から、より相互に影響し合う共存関係へと劇的に変化させる、非常に広範で予想外のシナリオを開いたのかもしれない。精神生物学的製剤の臨床応用には、第13章と第14章で述べたような前向きの縦断的研究に基づいて、より的を絞った介入を行い、その使用を個人化し、潜在的な有益な効果を最大化することが強く求められる。

17 人工知能、合成生物学、そしてマイクロバイオーム

人工知能と治療・予防の新ターゲット

ヒトゲノム計画が開始されてから30年が経過したが、我々は様々な慢性炎症性疾患に対処するための治療ターゲットを探しながら、ヒト生物学の複雑な性質と格闘し続けている。残念なことに、ヒトゲノム解析の結果、治療標的となりうる遺伝子のうち、臨床的に重要な変異はわずか2％しか発見されなかった。しかし、この結果から得られた教訓は、残りの98％の疾患は、遺伝子の変異ではなく、遺伝子の発現の変化によって引き起こされているということである。これは、当初、ノンコーディングの「ジャンクDNA」と考えられていたものが、コーディングDNAのエピジェネティックな制御のターゲットとして重要な機能を果たしていることを示唆している。

マイクロバイオームがこの「レギュラトリーゲノム」をどのように調節しているのかを理解することは、多くのヒトの疾患に対する新たな治療・予防ターゲットの特定に向けた変革を意味する。これらの目標を達成するためには、技術やコストはもはや制限要因ではない。むしろ、ヒト細胞株やヒトマイクロバイオームのゲノム、トランスクリプトーム、メタボローム、プロテオーム研究によって得られる爆発的なデータの限界は、驚異的な量の高次元データを処理できないことにある。これらのデータを解析するには、新しい計算ツールやアルゴリズムの開発が必要になることが多い。

研究者たちは、人工知能（AI）や機械学習を利用して、これらのデータを知識に変え、この知識から学習することで、治療介入のターゲットを特定するためのよりスマートな意思決定を行い、精密な個別化医療によって患者の転帰を改善することを目指している。機械学習アルゴリズムは、時間の経過とともに蓄積されるサンプルデータを用いて学習させれば、人間の能力を超えて、これらの作業をより賢く行うことができる。人間の学習をベースにしたモデルでは、コンピュータが観察データから学習し、問題に対する解決策を自分で考える。

深層学習による人工知能の実現

AIとそのサブセットである機械学習は、日々生成される驚異的な量のデータを理解するための重要なツールである。これらのツールは、診断精度を飛躍的に向上させ、病気の進行状況を把握するための予後診断にも役立つ。

AIとは、人間の知的な行動を模倣する知的な機械を作る科学と広く定義されているが、1956年の夏、ニューハンプシャー州ハノーバーにあるダートマス大学で出会った数学者のグループがその語源とされている。ダートマス大学の数学教授ジョン・マッカーシーは、「人工知能に関するダートマス大学夏季研究プロジェクト」を組織し、「学習のあらゆる側面や知能のその他の特徴は、原理的に非常に正確に記述することができるので、それをシミュレートする機械を作ることができる」という推測に基づいて研究を進めた1。

AI、機械学習、生物医学研究については、MGHのMIBRCで計算生物学とシステム生物学の工学的専門家である同僚のアリ・ゾモロディに話を聞いた。ここ数年、機械学習の分野では、医学・医療分野におけるAIの応用を大きく変える「深層学習」アプローチが開発された結果、革命が起きている。ほとんどの深層学習アプローチはディープニューラルネットワーク（DNN）をベースにしているが、これは長い間存在してきた伝統的な人工ニューラルネットワーク（ANN）を拡張したものである、とゾモロディは述べている2。

ANNは、ニューロンが相互に接続された複雑なネットワークで構成されている人間の脳の学習・意思決定プロセスを模倣することを目的に開発された機械学習モデルである。従来のANNは、入力データを受け取る「入力層」、データを処理する「隠れ層」、処理したデータに基づいて意思決定を行う「出力層」の3層のニューロンで構成される、最もシンプルな形のANNである。もちろん、ゾモロディが指摘するように、人間の脳による学習と意思決定はもっと複雑なプロセスである3。

人間の脳は、階層的に構成された複数のニューロン層で構成されており、各層でデータを「処理」し、その結果を次の層に順次渡してさらに「処理」し、出力層で意思決定を行うようになっている。DNNは、従来のANNにさらに隠れた層を追加することで、この複雑な人間のプロセスをシミュレートすることを目的としている。DNNは、ハイスループットの生物学的データの特徴である、ノイズの多いデータや疎なデータ、非線形性の高い高次元の異種データなどを扱うことができる。しかし、Zomorrodi氏によると、深層学習法の限界は、非常に大規模な学習データを必要とする場合が多いことである。このようなデータは常に入手できるとは限らないし、学習段階では、グラフィカル・プロセッシング・ユニットなどの特殊なハードウェアが必要になることもある4。

深層学習アプローチは、コンピュータビジョンや音声認識など、多くの重要なアプリケーションで優れた性能を発揮している。Google、Amazon、Microsoft、Facebookなどの企業が、これらのアプローチを大規模に展開し始めている。アマゾン、グーグル、フェイスブックなどでは、AI技術を使って医療を向上させることを検討し始めている。その一例として、新薬開発の初期段階であるタンパク質の構造を見つけることが挙げられる5。

統計解析または機械学習

なぜ、科学の世界で長い間使われてきた典型的な統計的アプローチではなく、このような非常に洗練された分析手法が必要なのだろうか。人によっては、機械学習と統計学は同じ目標を目指しており、機械学習はより強力な統計手法の「次世代」であると考えるかもしれない。しかし、両者は同義ではない。

あるAIブロガーの言葉を借りれば、「機械学習と統計学の大きな違いは、その目的である。機械学習モデルは、可能な限り正確な予測を行うために設計されている。統計モデルは、変数間の関係を推論するために設計されている」6 我々のような一般人にとって、この技術的な説明はまだ本当の意味では不明瞭である。

より明確に言えば、統計学はデータの数学的研究であり、したがって、データがなければ統計を作ることはできない。統計モデルとは、データをモデル化したもので、データ内の関係を推測するため、あるいは将来の値を予測するためのモデルを作るために使われる。より明確に言えば、予測ができる統計モデルはたくさんあるが、予測精度は強みではない。同様に、機械学習モデルは様々な程度の解釈性を提供するが、一般的に解釈性を犠牲にして予測力を高める。

Zomorrodi氏によると、典型的な統計的アプローチは、データの分布に基づいてどの分析方法を適用するかを指示する厳格なルールに従っているという。逆に、機械学習では、データに厳格なルールや仮定を課すことなく、機械がデータから「学習」することができるため、柔軟性が高い。また、機械学習では、統計学的アプローチでは実現できない、複数の異なる種類のデータや膨大な数の潜在的予測因子を同時に分析・学習できるという利点もある。

深層機械学習とマルチゲノム解析

マルチオミック解析の場合、いくつかの興味深い問題がある。宿主のゲノムやRNAの解析結果は、研究対象となる疾患の発症に関わる特定の経路を推論するのに十分な情報量があるのか？メタゲノムデータのどの特徴（微生物やコード化された機能パスウェイ）が、特定の疾患に結びつくのか？メタトランスクリプトーム情報は、マイクロバイオームが果たしうるエピジェネティックな役割を理解するのに有用か？マイクロバイオームや宿主が産生する代謝物は、病気の発症とメカニズム的に結びつく可能性があるのか？

Zomorrodi氏によると、機械学習のアプローチは、時間の経過とともに、さらに野心的な目標を達成する可能性があるという。例えば、マイクロバイオームの組成や機能と特定の疾患との関連性が確立されれば、マイクロバイオームを分析するだけで、特定の患者の疾患を特定できるようになるかもしれない。さらに、縦断的なデータを用いて機械学習を行えば、特定の疾患の発症リスクや、特定の時点での疾患の重症度を予測できるようになるかもしれない8。

これは、個人に合わせた介入によってマイクロバイオームの組成と機能を修正することで、第一に疾患の阻止、第二に一次予防を実現するための「聖杯」である。このような介入には、食生活の改善や、特定のプレバイオティクス（腸内の有益な微生物の増殖を促進する栄養素）、プロバイオティクス（有益な腸内細菌で、錠剤として摂取することができる）、またはその2つの組み合わせ（すなわち、シンバイオティクス）の使用が含まれる。(第15章参照)。

遠い目標のように思えるかもしれないが、この原理はすでに他のアプリケーションでも実現されている。その一例が、ドライバーの注意力を監視して警告を送り、交通安全を向上させ、危険な運転を回避することができる先進運転支援システム（ADAS）の開発である。ドライバーの視線をリアルタイムで推定し、警告システムと組み合わせることで、ADASの効果を高めることができる。しかし、このようなADASのようなリアルタイムシステムは、信頼性の高い視線推定と注視領域の分類を得るために、多くの課題に直面している9。これらの限界を克服するために、DNNは、不規則で可変なデータ取得に基づいて、ドライバーの注意散漫を予測し、事故を防ぐために時間内にADASを起動するように車に促すために適用されている10。

同様のアプローチをマイクロバイオーム解析にも適用することができる。将来的には、サンプルを採取した人の年齢、地域、食生活などの広範な情報を得ることができるようになるだろう。しかし、マイクロバイオーム研究の分野に変革をもたらす目標は、深層学習を利用して、パーソナライズされた治療介入や病気のインターセプトのための予測モデルを開発することであり、この2つのコンセプトは本書を貫いている。Zomorrodiによると、これらの目標を達成する上での大きな制限は、機械学習の予測モデルを開発するためにシステムを訓練するために指摘されたすべての変数を考慮した、大規模で堅牢なデータを入手できるかどうかである11。

このプロセスは、医学生が医学部の講義を受けて医学の基礎に関するロバストなデータを獲得する状況に匹敵する。卒業して開業した後も、これらのデータを使って継続的な学習を行うが、学校では習わなかった状況に直面する。農村部と都市部、貧困層と富裕層、北部と南部など、それぞれの地域で医療が行われていると、新米医師が直面する状況は大きく異なる。新しい患者のデータから医師の学習プロセスが集約されると、以前の学習経験で遭遇した病気を標準化された効率的な方法で診断・治療するための予測力が身につくる12。

深層学習を採用して、予測結果に対する信頼性の高い予測モデルを開発するためには、特定の疾患に関連する膨大な量のロバストなマイクロバイオームデータが必要である。1つの大きな課題は、これらのデータのほとんどが、たとえ多くの被験者から得られたとしても、一般的には横断的なものであるということである。つまり、特定の疾患に罹患した患者と、年齢、性別、場合によってはライフスタイルがマッチした健康な被験者との間で、マイクロバイオーム情報を比較しているということである。これらの研究では、他の変数をコントロールすれば、健康な状態から病気の状態に移行する際の違いは、すべてマイクロバイオームの組成と機能の違いに関連していると仮定している。残念ながら、一般的にはそうではないので、これらの機械学習モデルの強度や信頼性には限界がある。

第14章で述べたように、このような理由から、最も強力なデータは、リスクのある人を長期的に追跡した縦断的な前向き研究から得られる。これらの人々の中には、後に病気を発症する人もいれば、そうでない人もいる。この場合、機械学習アルゴリズムの学習に、疾患の発症前、発症中、発症後のデータを使用することで、より精度の高い予測モデルを構築することができる。

これらのモデルは、特定のマイクロバイオーム構成要素（理想的には菌株レベル）を特定の時点に結びつけることができ、病気の罹患率や予防率を決定することができる。次に、これらの知見を無菌マウスモデルで検証し、特定のマイクロバイオーム株が、疾患の発症や予防に関連する特定の代謝経路に影響を与えることを確認することができる。これは、第15章で述べた次世代のプロバイオティクスを特定するための理想的な方法である。

しかし、次世代プロバイオティクスであっても、個人の健康状態に影響を与えるパスウェイをメカニズム的かつ特異的に標的とするには、あまりにも初歩的で不十分な結果が得られる可能性がある。なぜなら、次世代プロバイオティクスの潜在的な治療効果は、他のマイクロバイオーム構成要素との相互作用によって緩和される可能性があるからである。では、次の問題は、合成生物学がこのような治療の機会をより効果的に利用できるかということである。

治療と予防のための合成生物学的ターゲット

この疑問に答えるため、我々はマサチューセッツ州ケンブリッジにあるMITのティモシー・ルーに話を聞いた。彼は友人であり、同僚であり、長年の協力者であり、合成生物学の世界的な専門家の一人である。プレバイオティクス、プロバイオティクス、ポストバイオティクス、FMTなど、さまざまな方法でマイクロバイオームを調整しようとする試みが行われてきたことは確かである。これらはすべて正当なアプローチであり、中には驚くべき結果をもたらすものもある。例えば、抗生物質耐性のあるC. difficile大腸炎に対するFMTによる治療は、患者の生活の質を向上させるという劇的な結果をもたらし、治療目的でマイクロバイオームを操作することが可能であることを証明している13。

しかし、Lu氏によると、腸内マイクロバイオームを操作するための現在利用可能な戦略は、主にプレバイオティクスの自然な特徴に依存していたり、患者に投与しているプロバイオティクスが治療効果に単独で直接関与しているという証明されていない考え方に基づいていたりするため、やや限定的である可能性があるという。このようなアプローチは、細胞治療の黎明期に似ていると彼は考えている14。

細胞治療を始めた当初は、人工的に作られていない細胞を、ある方法で加工して患者に戻していた。これらの結果からわかったことは、「確かに、いくつかの逸話的なケースでは、良い効果が見られるかもしれない。しかし、ある種のがんに対する免疫療法で見られたような、真に変化をもたらす効果を得るためには、より高度な工学技術を駆使して、製品の持つ力をより詳細に引き出し、そのメカニズムを明らかにする必要があった。

しかし、ヒトの特定の生物学的事象を調節する主要な経路やメカニズムについての知見が得られれば、それらの経路に影響を与えるための、より再現性が高く、強力な方法を可能にする戦略に移行することができる。このようなアプローチの中で、最も簡単で合理的な方法の1つが、これらのメカニズムを遺伝子工学的に操作して、特定の治療薬を作ることである。

この目標は、研究者たちが、特定の治療戦略のためにマイクロバイオームの構成と機能を操作する次世代プロバイオティクスを、1に解読、2に開発、3に非エンジニアリング版を探索するという段階的なアプローチで達成することができる。しかし、機械学習や数学的モデリングによって、微生物の異常によってどの経路が影響を受けるかが明確になれば、合成生物学的なアプローチによって、それらの経路をより対象的に調節できる製品を作ることができるようになるだろう。

驚くべき機械を再現する

合成生物学の定義は、工学技術を応用して遺伝子回路を開発することである。この回路を微生物に移植して特定の代謝機能を実行させ、イベントを記録することで、情報として利用し、標的治療介入という目標を達成することができる。

Luは、合成生物学を「遺伝子工学として知られているものの発展形のようなもの」と表現している16。昔ながらの伝統的な遺伝子工学の典型的な例としては、インスリンのクローニングと生産があるが、これはバクテリアを操作して単一のタンパク質を大量に生産させることに焦点を当てている。この技術は開発され、医薬品の製造にもしっかりと使われてきた。合成生物学のエンジニアは、この技術を進化させて、より複雑な問題に対応したいと考えている。例えば、次のようなことである。単一の遺伝子ではなく、複数の遺伝子をどのように組み合わせ、それらの遺伝子がどのように相互作用して、基本的に細胞を小型コンピュータに変えているのか？

Luは、従来の遺伝子工学を、『ウォール・ストリート・ジャーナル』に掲載されている言葉を貼り付けて本を書こうとしているようなものだと例えている17。しかし、より複雑なプログラムやストーリーを組み立てるとなると、それはもっと難しいことである。しかし、もっと複雑なプログラムや物語を作ろうと思ったら、それはもっと難しいことである。この10年間で、DNAの合成と配列決定の技術が継続的に安価になったことで、ゲノムに任意の文字を書き込んだり入力したりする方法がわかってきた。これにより、細胞をより複雑にプログラムすることができるようになった。今では、細胞をコンピュータの要素として考えることができる。

人間が2つの単一細胞の結合から、機能的で複雑な多細胞生物へと発展することは、驚くべき機械の構築に似ている。人間はDNAの中にすべての遺伝子命令を持っており、それによって自律的に成長し、明確なパターンと調整された機能と動きを持つこの多面的な存在になることができるのである。究極的には、この複雑なダンスを計算問題としてとらえることができる。現在、世界最高のコンピュータでさえ、必ずしも真似することはできない。

Lu氏らが合成生物学で実現しようとしているのは、この「驚くべき機械」を再現することであるが、その際、ダイナミクスと「意思決定」の能力を何らかの方法で制御し、最終的にはこの2つの要素を組み合わせて実現することである。遺伝子工学を微生物に適用した当初の目的は、微生物を一次元的な機能を持つ一種の工場に変えることであった。バイオエンジニアは、微生物のゲノムに遺伝子（おそらくインスリン遺伝子）を挿入する。微生物に求められる唯一のこと、唯一の「決断」は、自分自身を複製することであり、それによって大量のインスリンが作られる。これが古典的な遺伝子操作である。

今、我々は次の段階に進むことができるようになった。微生物に単一の製品を作らせるのではなく、偶発的な環境状況に基づいて微生物自身が判断するようにする。環境条件は、特定の結果を得るために、特定のプログラムに基づいて、一連の行動や遺伝子発現を行うかどうか、いつ実行するかを決定する。しかし、環境条件が変われば、微生物の遺伝子回路は、異なる意思決定プロセスを起動し、異なる結果をもたらす。

まるでSFのような話であるが、この概念は信じられないほど多くの可能性を秘めている。しかし、我々はこれらの新しい技術を利用して、マイクロバイオーム研究の世界で必要な次のステップを達成することができる。すなわち、科学的な概念の証明や純粋に理論的な可能性から、人間の治療に応用することができるようになるのである。

合成生物学的戦略

Luは、これらの情報を、人間の病気の治療に利用できる技術に変換しようとしている典型的な起業家であり、この目標に向けていくつかのスタートアップ企業を設立している。そこで、合成生物学を活用してマイクロバイオームを治療に役立てるために、これらの企業がどのような戦略をとっているのかを聞いてみた。

彼の考えでは、マイクロバイオームを操作するには、いくつかのアプローチがある。1つは、マイクロバイオームに何かを加えること。マイクロバイオームに何かを加える場合、単一のプロバイオティクスを加えることもできれば、定義された混合菌、つまりFMT材料を加えることもできる。また、特定の機能を持つようにプログラムされた遺伝子工学的な混合物を加えるという方法もある18。

バイオエンジニアリング技術のトレーニングに注目が集まる中、我々は主に、人工的なプロバイオティクス株や、近い将来、腸内にすでに生息している人工的な常在菌株など、マイクロバイオームに材料を加えることに焦点を当ててきた。マイクロバイオームを操作するもう一つの方法は、マイクロバイオームから物質を取り除くことである。この方法は、現在の臨床現場ではあまり検討されていないが、研究者たちはこの目標を達成するためにいくつかの方法を適用している。

最も先進的な方法は、バクテリオファージの使用である。バクテリオファージは、細菌を捕食する自然の摂理である（第5章参照）。マイクロバイオーム内の特定の細菌を操作するために、バクテリオファージをベースにした治療薬を作る努力が続けられている。これらの治療薬は開発の初期段階にあり、この種の操作法を開発しようとすると、未解決の問題がたくさんある。しかしLuは、人体実験を行い、マイクロバイオームの働きをより深く理解することで、これらの技術を臨床応用へと導くことができるだろうと期待している19。

合成生物学で直面する課題

Lu氏のビジョンに基づき、現在の技術を用いて、近い将来、微生物を操作して特定の代謝機能を実行できるようになると想像してみよう。言い換えれば、合成生物学を利用して、微生物または微生物群を配置し、分子を生産・供給することができるようになる。その分子は、例えば、微生物の代謝異常による影響を相殺し、炎症を改善することができるだろう。Luは、このアプローチがすでに動物モデルで使用されていることから、これは具体的な可能性があると考えている20。

ヒトへの翻訳という観点からは、次のような問題がある。ヒトへの応用という点では、次のような問題がある。「バクテリアには、実際に何を作り、何を提供してほしいのか？また、細菌が反応すべき主要な疾患バイオマーカーは何か？そして、これらの分子の存在を感知した場合、細菌は実際に何をすべきか？例えば、IL-22やTNF-α、あるいは特定の生物学的経路を標的とすべきなのか。

これは、どちらかというと生物学の基礎的な問題である。問題は、合成生物学的な操作が可能かどうかではなく、対象となる生物学的問題について十分な知識がないことにある。実際に治療法を考案するには、このような確固たる知識を得る必要がある。

この段階に到達して初めて、2つ目の課題に取り組むことができる。つまり、特定のターゲット製品のプロファイルを達成したり、その機能を果たしたりする治療法をどのように設計するかということである。これはどちらかというと工学的な課題であり、合成生物学が威力を発揮するのはここだとルーは考えている。

主要な治療法の鍵となるのは、「どれだけ強力な治療法を作れるか」ということである。腸は複雑な場所であり、かなり複雑な遺伝子型を操作するためにバクテリアを移植することを考えると、そのような治療法をどれだけ強力なものにできるかということである。人間にとって有益な生物学的結果を得るためには、それぞれの細菌がどの程度の治療効果を発揮する必要があるのかを包括的に理解することが不可欠であるという点で、Luは同意している21。

この課題は、過去に医薬品を開発する際に用いられた戦略や、最初の生物製剤が開発された経緯を彷彿とさせる。この課題は、過去に医薬品を開発したときの戦略や、最初の生物製剤を開発したときの戦略を彷彿とさせる。おそらく、マイクロバイオームを生体内で操作するもうひとつの器官と考え、マイクロバイオームの操作についても同じような学習プロセスを経ることになるだろう。

口で言うのは簡単であるが、実行するのはとても難しいことである。そこで、資金や時間の制約がない場合を想定して、科学的アプローチから合成生物学へと治療法の翻訳を進めるための理想的なプランを、Luに聞いてみた。Lu氏によると、我々がすべきことはいくつかある。

バクテリアの “ライブラリー “を広げる

まず最初のステップは、人工的に作られたバクテリアのツールキットをより広く開発することである。現在、合成生物学のアプローチは、例えば、特定の大腸菌やバクテロイデス菌など、かなり限定された数のよく特徴づけられた細菌株にしか使えない。しかし、マイクロバイオームには、継続的な生産や操作の対象となりうる数千種類の細菌が存在する。合成生物学を治療に役立てるためには、より多くの種類の細菌を培養する能力を向上させ、それらの細菌のゲノムを自由に操作できる遺伝学的ツールを開発することが、この分野における大きなニーズであるとLuは述べている22。

厳密に言えば、これは合成生物学の問題ではなく、生物学全般の問題である。厳密に言えば、これは合成生物学の問題ではなく、一般的な生物学の問題である。技術開発や最適化を可能な限り迅速に行うためには、予測可能で信頼性の高いモデルが必要である。なぜなら、完全に理解できていないシステムに対して治療戦略を立てることはできないからである。これらのツールがなければ、合成生物学の技術を使ってマイクロバイオームを操作し、ヒトの病気を改善することはできない。そのため、本書の冒頭で紹介したヒト腸管オルガノイドや革新的な動物モデルなど、トランスレーショナル・アッセイの開発に時間と労力を割くことが不可欠である。

最後の3つ目のステップは、研究から臨床応用までの時間をいかに短縮するかということである。もちろん、これらの取り組みの最終的な目標は、これらの技術をヒトでの臨床試験に進めることであるが、現在のアプローチは非常に高価で時間がかかる。エンジニアであるLuは、合成生物学製品の試験にかかる時間の長さにしばしば不満を感じている。基礎科学者は、実験を行えばすぐに答えが出る。しかし、ある治療法が臨床で使えるかどうかを確認するためには、FDA（米国食品医薬品局）が定めている手順を踏む必要があり、平均15年の歳月と10億ドル以上の費用がかかる。

Luは魔法のような解決策を持っているわけではないが、臨床試験戦略をより柔軟にするための政策研究にもっと投資してほしいと表明した。また、革新的な手法を導入して製品をより迅速に試験したり、探索的なアプローチを継続的に更新・調整しながら使用することを希望している。Luはこれを、より積極的で迅速な臨床試験のための有望なビジョンだと考えている24。

LuとZomorrodiの考察に基づき、AIと深層機械学習は、インシリコの無菌モデルなどの理論的モデルを作成することで、プロセスをさらに加速できるのではないかと考えている。このようなモデルを開発することで、研究者は、臨床試験で得られたデータをより一般化された情報に変換して、遺伝子工学者をより効率的なアプローチに導くことができるようになり、作業が迅速かつ効率的になる。

Luは、機械学習が強力な可能性を秘めていることに同意しているが、この章で強調したように、機械学習は優れたデータセットに適用されたときにのみ有用であると主張している。何が現実で何が現実でないのかを教えてくれるデータセットがなければ、役に立たないモデルを訓練することになるだろう。この問題を克服するためには、理想的には、科学界が、マイクロバイオーム研究の分野で生成されたすべてのデータを統合フォーマットで共有し、すべての研究者が中央の場所ですべてのデータにアクセスできるようにしなければならないというルールを課すべきである。このような真に協力的なアプローチは、マイクロバイオーム研究と合成生物学を含む革新的な技術を大きく加速させるだろう。このような巨大なスケールでのデータ統合と共同作業という課題の大きさを考えると、このような展開は考えにくいものである。しかし、どのような方法でこれらの課題に取り組むかによって、世界中の何百万人もの人々を助けることもできれば、妨げることもできるということを認識することが重要だ。

安全性への配慮

これまで述べてきた課題をすべて克服し、合成生物学を応用してマイクロバイオームを自在に操ることができるようになったとしても、重要な問題が残っている。それは、意図せずして制御不能に陥る可能性のある技術を解き放つことができるのか、ということである。生物学的なターゲットとなるのは、20分ごとに繁殖し、非常に速いスピードで遺伝子を変化させることができる微生物である。この生物学的な現実は、人間の臨床応用における安全性と倫理性の両方の複雑なテーマに関する懸念をもたらす。

生きている治療法であれば、「生きていない」従来の低分子医薬品や生物製剤とは異なる安全性プロファイルを常に考慮しなければならないという点では、Luも同意している25。

バクテリアとその遺伝子の可塑性を操作する際には、製品の製造や安全性を考慮する上で、このことを忘れてはならないとLuは指摘する。我々は、合成生物学製品の製造を監視し、意図した機能のみが達成されるように、極めて厳格に管理された品質を確保するための手順を用意しなければならない。人工的に作られた株が患者に導入された後は、それらの遺伝子がその機能を果たすのに十分な期間維持され、変異が起こらないようにすることが必要である28。

Lu氏によると、研究者たちはこうしたリスクを軽減するために、免疫機能に配慮した菌株を使用しているそうである。彼が「超最適化」と呼ぶバクテリアの中には、遺伝子操作にあまり耐えられないものもあるという。Lu氏によると、合成生物学の技術者が開発したマイクロプラズマは、”最小限の生物 “になるように最適化されており、そこにさらに破片をかき集めると、嫌がるという。さらに、研究者たちは、突然変異の影響を受けにくい、よりエネルギー効率の高い遺伝子回路を作ろうとしている29。

合成生物学の研究者の多くは、こうした課題を認識しており、これに対処するための安全策を講じている。Luは遺伝子変異のリスクに対処するプロジェクトに参加しており、他の研究者たちは、キルスイッチや遺伝子の水平移動を制限する方法を構築するためのツールを少しずつ開発している。そうすれば、あるバクテリアで開発したものが、簡単に逃げ出して意図しない結果を生むことはないだろう。

とはいえ、生物学ではよくあることであるが、リスクを最小限に抑えることはできても、絶対にゼロにすることはできない。合成生物学を使ってマイクロバイオームを操作することが、100％安全だという保証はない。しかし、人間の病気を治療するためにこれまで開発されてきた他の介入方法と同様、時間が解決してくれるだろう。

18 高齢になっても回復力のあるマイクロバイオームを維持するために

老化の生物学

老化とは、有害で、進行性で、普遍的で、現在のところ元に戻せない変化の症候群である。1997年から2019年の間に、PubMedには老化と加齢に関する約369,000の論文が掲載された。そのほとんどが過去5年間に発表されたもので、2,000以上の論文が老化におけるマイクロバイオームの役割に焦点を当ててた。これらの論文を基に、現在では老化プロセスの生物学的基盤についての理解が深まっている。

加齢によるダメージは、分子（DNA、タンパク質、脂質）、細胞、臓器に発生し、人の変化は時間の経過とともに蓄積されていく。人間の加齢とは、身体的、心理的、社会的な変化の多次元的なプロセスを意味する。生物学的加齢の複雑なプロセスは、遺伝的要因、さらには環境要因、そして時間そのものの結果であり、複数の細胞や組織で不均一に発生する。老化の速度はすべての人に同じではないため、生物学的年齢は必ずしも年代に対応しない。

正常な加齢は、視力、難聴、めまいなどの感覚の変化、筋肉の衰え、敏捷性や運動能力の低下、脂肪の変化などを意味する。同時に、腎臓、呼吸器、消化器などの機能が低下し、高血圧、心血管疾患、糖尿病、変形性関節症、骨粗しょう症、がん、神経疾患などの病気にかかりやすくなるのである。

このような加齢に伴う変化の背景には、「炎症」「免疫老化」「老化」という3つの要素がある。このような前提のもと、加齢に関する2つの基本的な疑問が残されている。(1）人はなぜ老化するのか、（2）人はどのように老化するのか。これらの疑問に答えるためには、加齢のプロセスの分子基盤をより深く理解する必要がある。最近の研究では、人生の後半になっても、肉体的、精神的、そして社会的に成長し、発展する可能性があることがわかってきており、この話はさらに興味深いものとなっている。

最近の科学では、動物モデルを用いた若返りと寿命の延長に成功しており、無視できる程度の老化を達成して、老化を元に戻すか、少なくとも大幅に遅らせることができると期待されている。これらの結果は、おそらく老化の病因に対する理解が進んだことによるもので、現在では以下のような相互に排他的でない理論に基づいている。

フリーラジカル（酸化ストレス）説：老化表現型は、さまざまな種類のストレス因子によって刺激されたり誘発されたりすることが知られている。これには、正常な酸素代謝の自然な副産物である活性酸素種（ROS）によって引き起こされる変化も含まれる。活性酸素は、シグナル伝達や遺伝子発現、増殖など、いくつかの生理機能を制御していると考えられている。活性酸素の主な発生源は、ミトコンドリア、細胞膜、小胞体である。活性酸素濃度が低いと生物の寿命が延びる一方で、活性酸素濃度が高いと老化表現型の維持が危ぶまれる。酸化剤と抗酸化剤のバランスが崩れると、高分子（DNA、タンパク質、脂質）の構造的損傷が生じる。加齢に伴う損傷した高分子の蓄積は、老化現象を引き起こすメカニズムの一つである。健康な組織では、酸化物質の生成と抗酸化プロセスのバランスが、様々な抗酸化物質の優位性によって維持されている。

細胞老化とアポトーシスの理論。細胞の老化と生体全体の老化との関係は複雑である。細胞の「不死」は幹細胞には不可欠であるが、「不死」の体細胞は癌化する。アポトーシスとは、プログラムされた細胞の自殺であり、遺伝子的に制御された細胞死である。これにより、制御されていない細胞死である壊死に伴う炎症による組織の損傷を受けることなく、細胞は縮小し、排除される。

免疫系理論。この理論によると、多くの老化現象は、「異物」と「自己」のタンパク質を区別する免疫系の能力が低下していることに起因する。長寿に影響を与える組織適合遺伝子、DNA修復遺伝子、スーパーオキシドディスムターゼ産生遺伝子などが6番染色体上に近接して存在することが明らかになっている。

炎症説。加齢に伴い、体内の炎症性サイトカインの量が増加する。加齢に伴い、炎症性の転写因子であるNF-kBの活性が高まる。

腸管透過性説。動物モデルやヒトにおけるいくつかの報告では、腸管透過性が、老化につながる非感染性の慢性炎症に関係しているとされている。ミバエでは、腸管透過性の増加が、昆虫の実年齢よりも、死期が迫っていることを最もよく予測する。

老化の炎症促進状態。”Inflammaging”

どの説をとってみても、加齢の表現型は、ストレス要因とストレス緩衝機構のバランスが崩れ、その結果、代償としての予備力が失われ、修復されない損傷が蓄積されることに起因すると認識されている。その結果、病気にかかりやすくなり、機能的予備力が低下し、治癒能力やストレス耐性が低下し、健康状態が不安定になり、最終的には成長できなくなる。その結果、フレイル症候群を頂点とする身体的および認知的な衰えは、個人の健康寿命の転換点であり、システムの崩壊や死亡の高いリスクを意味する。

身体機能と認知機能を維持することは、老年医学および老年学研究の主要な焦点であるが、この目標を達成するためには、機能的変化を最終的に決定する分子、細胞、および生理学的なメカニズムを深く理解する必要があることを認識することが重要である。その中で、加齢に伴う炎症性の状態、すなわち「炎症化」が大きな役割を果たしている。縦断的な研究によると、加齢に伴い、ほとんどの人が慢性的な低級炎症状態に陥る傾向がある。この状態は、多臓器不全、COVID-19などの感染症への罹患率の上昇、身体的・認知的障害、フレイル、そして死亡の強力なリスク要因とみなされている。

しかし、このような慢性的な低レベルの炎症は、どのようにして、そしてなぜ起こるのだろうか？ここでもまた、本書のテーマである腸内環境の異常-浸透性-免疫活性化の三角関係が作用しているようである。炎症が腸内細菌叢の変化と関連しているという説が浮上している。この変化は、若年者と高齢者（70歳以上）の宿主の間で、さらには、百寿者と癌の既往歴のある虚弱な高齢者の間でも、大きく異なっている1。

加齢に伴う腸内細菌叢の変化は、炎症を起こす常在菌へのシフトと有益な微生物の減少を特徴とし、腸管バリアの障害と漏出を引き起こす2。その後、微生物のLPSなどが漏出することで、循環中のインターフェロン、TNF-α、IL-6、IL-1がアップレギュレートされ、高齢者に多く見られる軽度の炎症状態が促進され、体力と健康の低下が加速することが予測される3。

これは一見もっともらしいが、この理論と先に述べた一連の出来事を裏付ける強力な証拠はあるのだろうか？これが最近の命題ではないことを知っても驚くことはない。第15章で述べたように、1907年、エリー・メチニコフは、組織の破壊と老化は慢性的な全身性の炎症の結果であると提唱した。この炎症は、大腸の透過性が高まり、細菌とその生成物が逃げ出すことによって起こる4。

加齢に伴う炎症が加齢プロセスに影響を及ぼすとはいえ、なぜ加齢に伴って組織や循環器系のサイトカイン濃度が上昇するのか、どのようなメカニズムが働いているのかは明らかになっていない。

腸管透過性と加齢

現在では、腸内細菌の異常によって引き起こされる腸管透過性の増加と、それに続く循環エンドトキシンの通過が、炎症を引き起こす重要な要因であるという、かなり確かな証拠がある。ショウジョウバエを用いた研究では、腸管バリアーの機能障害は、加齢に伴う微生物叢の変化によって引き起こされることが明らかになった6。この知見は、ショウジョウバエの遺伝子型や、ミトコンドリア機能障害や食事制限などの環境条件の違いを問わず、寿命と相関している。年齢にかかわらず、腸管バリア機能不全は、個々のショウジョウバエの死を予測した。この結果は、これまで老化に関連するとされてきた全身の代謝異常や炎症プロファイルを持つミバエを特定する上で、年代よりも正確なものであった7。

同様の結果は、ヒトの研究でも報告されている。YanFei Qi氏らは、若年層（18～30歳）と高齢層（70歳以上）の2つの健康なコホートを対象に研究を行った。血清中のTNF-αとIL-6（全身性炎症の指標）、腸管透過性のバイオマーカーとして用いられるゾヌリン、高可動性グループボックスタンパク（HMGB1、炎症を誘発する核タンパク）の濃度を測定した。ゾヌリンおよびHMGB1の血清濃度と、足底屈筋の強さおよび1日の歩数との相関関係を分析した。

血清中のゾヌリンとHMGB1の濃度は、高齢者と若年者ではそれぞれ22％と16％高かった。血清中のゾヌリンは、TNF-αおよびIL-6の濃度と正の相関があった。興味深いことに、IL-6はゾヌリン遺伝子のプロモーターとして報告されており、腸管透過性の亢進と全身性炎症との間に自給自足の悪循環が生じている可能性がある8。最後に、ゾヌリンとHMGB1はともに、骨格筋力および習慣的な身体活動と負の相関があった9。

これらの結果から、著者らは、血清ゾヌリン濃度で評価した腸管透過性は、全身の炎症と身体的虚弱の2つの重要な指標の両方と関連していると結論づけた。この結果は、腸管バリア機能の低下が、加齢に伴う炎症や虚弱体質の発症に重要な役割を果たしている可能性を示唆している10。

同様の結果は、Pedro Carrera-Bastosらも得ている。彼らは、無病の百寿者、若年の健常対照者、早発の急性心筋梗塞患者を対象に、エンドトキシン血症の指標として血清ゾヌリンと血清LPSを測定した。無病の百寿者は、若年の急性心筋梗塞患者と比較して、血清ゾヌリンおよびLPSの濃度が有意に低かった11。

さらに、この2つの変数は、百寿者と急性心筋梗塞に罹患した患者で互いに相関していることから、腸管の透過性亢進がエンドトキシン血症を引き起こし、それが炎症の原因になっている可能性が示唆された。これらの結果から、著者らは、腸管透過性の亢進とエンドトキシン血症は、冠動脈疾患だけでなく、変化があれば老化を促進し、正常範囲内であれば寿命を延ばすという、寿命調節にも病因的な役割を果たしている可能性があると結論づけている。

炎症と老化

原因物質を取り除けば傷ついた組織が治る一過性の急性炎症とは異なり、慢性炎症は長期間にわたって持続する。慢性炎症では、患部組織にマクロファージやリンパ球を中心とした特定の免疫細胞が浸潤し、患部組織の線維化や壊死が起こる。慢性的な炎症は、多くの加齢に伴う生理学的、病態生理学的プロセスや疾患と関連している。正常で健康な高齢者の血清中には、IL-1、IL-2、IL-6、IL-8、IL-12、IL-15、IL-17、IL-18、IL-22、IL-23、TNF-α、インターフェロン-γなどの炎症性サイトカインの濃度が見られた12。

同時に、高齢者では、抗炎症性サイトカインであるインターロイキン1受容体アンタゴニスト（IL-1Ra）、IL-4、IL-10、IL-37、トランスフォーミング成長因子β1（TGF-β1）の濃度が若年者に比べて高い。抗炎症性サイトカインの役割は、炎症性サイトカインの活性を中和し、慢性的な炎症を抑え、その結果、組織に保護的に作用することである。これらの結果は、免疫老化を含む老化表現型の大部分が、炎症ネットワーク間の不均衡の結果であることを示唆している。この不均衡は、腸管バリア機能の喪失とそれに続く全身性エンドトキシンへの曝露に加え、炎症を引き起こす低悪性度の慢性炎症状態を相殺しようとする抗炎症ネットワークによって助長される。

このように考えると、健康的な加齢と長寿は、炎症反応を起こす傾向が低いだけでなく、効率的な抗炎症ネットワークの結果であると考えられる。このような全体的なバランスの悪さは、虚弱体質や一般的な加齢性疾患の主な原因となる可能性があり、進化に基づくシステムバイオロジーの観点から対処・研究されるべきである。つまり、「優雅に歳をとる」ということは、炎症誘発性メディエーターと抗炎症性メディエーターの作用が適切にバランスされていることが特徴であり、一方、それらのバランスが崩れていると、老化が促進され、さまざまな加齢関連の病態が発症するということなのである。

ディスバイオシスと老化

本章で紹介した結果はメチニコフのオリジナル理論を支持するものであるが、異生物がバリア機能の喪失とそれに続くエンドトキシンの全身通過を引き起こすことで、炎症性と抗炎症性のネットワークの不均衡を引き起こし、加齢に伴う炎症の促進要因となるのか、それとも因果関係のない単なる関連付けなのかはまだ不明である。もし前者であれば、加齢に伴うマイクロバイオームの組成と機能の変化は、微生物の異常の一形態であることを示している。

より直接的な証拠として、Netusha Thevaranjanらは、マウスモデルを用いて、加齢に伴う微生物の異常が、腸管バリア機能の低下、全身性の炎症、マクロファージの機能障害を引き起こすことを示した14。興味深いことに、無菌状態で飼育したマウスでは、加齢に伴う循環炎症性サイトカインレベルの上昇が見られず、平均して従来のマウスよりも長生きした。これらのデータは、加齢に伴う微生物叢が炎症を促進することを示唆しており、このような加齢に伴う微生物叢の変化を元に戻すことが、加齢に伴う炎症とそれに伴う病的状態を軽減するための戦略となり得ることを示している。

ヒトでの研究に目を移すと、2000年代初頭、Elena Biagi氏らは、成人の寿命を通じた腸内細菌叢の比較を行った。その結果、若年成人と70歳の成人の腸内生態系の微生物組成と多様性は非常に似ているが、100歳の成人のそれとは大きく異なることが明らかになった15。

このような微生物叢の不均衡は、末梢血のさまざまな炎症マーカーで判定される炎症性疾患と関連していた。これは、百寿者の微生物叢が変化したためと考えられ、抗炎症作用が報告されている共生種であるF. prauznitziiとその近縁種が著しく減少していた。また、Eubacterium limosumとその近縁種は、百寿者では若年者の10倍以上も検出されたことから、長寿を象徴する細菌であると考えられる。これらのデータは、加齢がヒトの腸内細菌叢の構造や、宿主の免疫システムとの相互作用に深く影響していることを示唆している16。

それから15年後、Biagiのグループは、腸内細菌叢と長寿の宿主との間の理想的な共生関係ともいうべきものを、より詳細に報告した。著者らは、成人、高齢者、そして105〜109歳の人を含む「準スーパーセンテナリアン」の系統的な微生物叢を分析することで、これまでに生成された加齢に沿った最長のヒト微生物叢の軌跡を再構築した（図18.1）。その結果、主にルミノコッカス科、ラクノスピラ科、バクテロイデス科に属する、高頻度に発生する共生細菌のコアマイクロバイオータが存在し、その累積存在量は加齢に伴って徐々に減少することがわかった17。

図18.1

マイクロバイオームが年齢や環境因子によってどのように変化するか。M. Levy, A. Kolodziejczyk, C. A. Thaiss, and E. Elinav, “Dysbiosis and the Immune System,” Nature Reviews Immunology 17, no. 4（2017年3月）：219-232、https://doi.org/10.1038/nri.2017.7。

老化は、サブドミナント種の存在量の増加と、その共起ネットワークの再編成によって特徴づけられるようである。興味深いことに、特に準超高齢者では、いくつかの特異性が見られ、Akkermansia、Bifidobacterium、Christensenellaceaeなどの健康関連グループの濃縮または高有病率、あるいはその両方を通じて、加齢中の健康維持をサポートする可能性のある適応が記述されている18。

食事と加齢マイクロバイオーム

老化プロセスに影響を与える環境要因に注目すると、食事が非常に大きな影響を与えていると考えても不思議ではない。Marcus Claessonらは、178人の高齢者の糞便中の微生物叢は、地域社会、日帰り病院、リハビリテーション施設、長期滞在施設などの居住地と相関するグループを形成していることを示した19。しかし、食事によって被験者をクラスタリングすると、居住地と微生物叢のグループが同じでも分離された。

微生物叢の構成の分離は、虚弱度、併存症、栄養状態、炎症のマーカー、糞便中の代謝物の測定値と有意に相関していた。その結果、長期療養者の微生物群は、地域住民の微生物群よりも多様性に欠けており、地域に密着した微生物群の喪失は、虚弱度の増加と相関していることがわかった。これらのデータを総合すると、食生活や微生物叢と健康状態との関係が裏付けられ、加齢に伴う健康状態の悪化には、食生活に起因する微生物叢の変化が関与していることがわかる。

本章で紹介した研究の結果、加齢に伴うマイクロバイオームの組成と機能の自然な進化をより深く理解することができれば、宿主と微生物のホメオスタシスを維持し、炎症や腸管透過性の増加、さらには細胞、臓器、機能、精神の老化に関連する臨床的な影響に対抗できる、回復力のあるマイクロバイオームを支持する戦略を開発することができるだろう。健康の衰えには多くの要因が関わっていることは間違いなく、今回引用したようなレトロスペクティブな研究では完全に調整することは難しいが、マイクロバイオームの組成と機能が関係していると思われる。

腸内マイクロバイオームの構成と機能に影響を与える他の要因の中で、高齢者に最も影響を与える変数は食事であると考えられる。食事によって決まるマイクロバイオーム組成の違いは、先進国の若年成人に微妙な影響を与えるかもしれない。しかし、高齢者では、このような格差ははるかに明らかになる。このことは、長期滞在者コホートで明らかになった微生物叢と健康とのより強い関連性によって裏付けられており、現在では、微生物叢が加齢に伴う健康悪化を加速させているという合理的なケースが存在する。

人口の高齢化は、今や欧米諸国の一般的な特徴であり、発展途上国では新たな現象となっている。高齢者の腸内細菌叢と炎症との関連性や、食事と細菌叢との明確な関連性は、健康的な加齢を促進するための食事介入による細菌叢の調整というアプローチを支持するものである。マイクロバイオームの特定の構成要素を促進する定義されたプレバイオティクスを含む栄養補助食品は、高齢者の健康維持に有用であると考えられる。したがって、メタボロミクスと組み合わせたマイクロバイオーム・プロファイリングは、特定の地域社会において、健康的でない加齢のリスクがある人やすでに加齢している人をバイオマーカーに基づいて特定できる可能性がある。

エピローグ マイクロバイオームの研究が我々の未来にとって重要な理由

すべての真実は、3つの段階を経ます。

第一に、嘲笑される。

第二：激しく反論される。

第三に、自明のこととして受け入れられる。

-A. ショーペンハウアー、1840年

なぜ我々は、ヒトのマイクロバイオームについての本という大事業に乗り出すことにしたのだろうか？このテーマの本は本当に必要なのだろうか？その答えは、肯定的である。我々は今、マイクロバイオーム科学の分野で重要な岐路に立っている。もし我々が十分に賢く、協力して現在の知識を活用し、現在および将来の科学的情報を実施可能な臨床的介入に変換するためのロードマップを開発するために時間、才能、および資源を投資するならば、この共同作業の結果は我々の運命をより良いものに変えることができるだろう。

マイクロバイオームの組成と機能が、抗原輸送、免疫系、代謝に影響を与えることがわかったことで、マイクロバイオームが人間の健康に果たす基本的な役割が明らかになった。先進国における非感染性の慢性炎症性疾患の「流行」を示す疫学的証拠は、当初、衛生仮説によって説明されていたが、このパラダイムに沿ったものである。しかし、最適とはいえない衛生状態が続いているにもかかわらず、今では発展途上国でも同様の疫病が発生している。このことから、人間の健康におけるマイクロバイオームの真の役割を疑問視する声が上がっている。現在の状況をもたらしたライフスタイルの軌跡を再検討すれば、健康と病気におけるマイクロバイオームの役割を示す、より強力な証拠を得ることができるだろう。

進化の旅

我々の進化の旅のほとんどは、狩猟と採集の生活であった。少人数のグループで移動し、他のヒト科動物と出会う機会の少ない遊牧民的な生活を送ってた。その後、農業、都市化、グローバル化という3つの大きなライフスタイルの変化が、人類の進化の計画を大きく変えた。これらの変化は、特定の系統の微生物が何百万年もかけて人間と共生し、何十万もの世代を経て、進化の過程で我々の生物学を形成してきた、慎重に作られた理想的な共生関係から、最初の破壊者である農業の登場によって、根本的な変化をもたらしたのである。

農業

家畜を飼い、作物を栽培することで、食料の調達はより予測可能で時間のかからないものになった。動物の移動や作物のサイクルに縛られることなく、人間は定住するようになり、人間社会の密度が高まり、微生物の相互交換が頻繁に行われるようになった。動物と密接に接する生活は、もう一つの予期せぬ結果をもたらした。それは、人獣共通感染症（動物から人間に微生物が感染すること）のリスクである。動物性タンパク質の消費量が増えたことと相まって、これらの変化は、ヒトのマイクロバイオームの構成と機能の計画的な進化から大きく逸脱する原因となった。

都市化

2番目の破壊要因である都市化は、人類の歴史においてもう一つの大きな節目となった。都市化によって人の集中とつながりがさらに強まり、微生物の交換のスピードが上がった。この微生物交換に病原体が含まれると、新たな感染症の拡大につながる。20世紀に入ると、これらの感染症は抗生物質の登場と大量使用によって解決された。このような衛生環境の整備は、「都市の微生物群」にも大きな影響を与え、本来の微生物群に近い「農村の微生物群」に比べて多様性が失われていった。

また、都市化の結果、大規模な都市が拡大し、人口密度が高くなったため、広範囲な農業生産が可能な地域が制限されるなど、地球上の生息環境が大きく変化した。このことは、食料の調達と持続可能性という点で人類の進化に新たな課題をもたらし、農村部に散在する資源とは対照的に、権力、知識、富、人間の密度などの資源が集中するなど、環境と社会に大きな変化をもたらした。

このパワーディファレンシャルは、農村部と都市部の間で見られる。都市部では、富裕層と貧困層が近接して暮らしているため、同じ力の差が極端な不平等を生み出している。このような動きは、機械化が人間の労働力に徐々に取って代わる生産システムからの排除により、人口の一部が疎外される原因となった。また、人口の多い都市と人口の少ない農村部からの食料供給との間の隔離は、農業生産者と消費者との間の仲介者の増加により、経済的不公平を生み出した。

グローバル化

都市部に偏在する消費者コミュニティと、縮小する農村部から供給される食料の持続可能性を維持するという課題は、第3の破壊者であるグローバリゼーションによって解決された。現在、我々は、アイデアや商品を瞬時に交換し、人々が絶えず移動する、コミュニケーションの地球村にいる。我々は世界の端から端まで、数時間のうちに移動することができる。しかし、グローバリゼーションは高い代償を伴って到来した。

世界経済がより緊密に統合されたことで、貿易や旅行を通じて病原菌が世界的に広がるなど、微生物の交換がより迅速かつ計画的に行われるようになった。しかし、食料供給のグローバル化は、微生物の移動にさらに大きな影響を与えている。現代社会では、グローバル化した企業のフードシステムが支配的な役割を果たしており、加工食品、より具体的には、スナック菓子、甘味料入り飲料、調理済み冷凍食品、ファストフードなどの大量生産された空カロリーの非食品が、これらの社会の典型的な消費者の食生活の中で占める割合が急激に増加していることを意味している。

コスト削減と需要維持のために、これらの食品には加工脂肪、砂糖、塩などが低コストで使用されている。このような食生活の普及は、消費者が食物繊維や良質の脂肪、十分なビタミンやミネラルを含まない「エンプティカロリー」を大量に摂取していることを意味する。さらに心配なのは、かつてはたまにしか食べられなかった不健康な食事が、今では典型的な欧米型の食生活の基盤として当たり前になっていることである。これは、消費者の都市化が進み、健康的な食材を使って一から料理をする時間のない、座りっぱなしのライフスタイルを送っている場合には特に顕著である。

腸内細菌叢の形成に最も影響を与えるのは食事であり、腸内細菌叢の異常は様々な慢性炎症性疾患に関連することが分かってきたため、より豊かな人々はジャンクフードから離れ、より健康的な食品を選択するようになっている。グローバル化が人類の健康に与えた影響は、非感染性の慢性炎症性疾患を欧米社会に典型的な「豊かさの病気」と表現する古いパラダイムが誤解を招くほどに変化している。実際には、先進国でも発展途上国でも、低所得者層がこれらの病気の影響を最も大きく受けているのである。

エンプティカロリーは、世界の貧しい地域に住む人々にとって、非常に安価なカロリーであることが多いのである。また、経済的に恵まれない人々は、加工食品や炭水化物中心の食生活を送り、全粒穀物や果物、野菜が不足していることが多く、こうした食生活の特徴は、マイクロバイオームの構成や機能に悪影響を及す。そこで、「衛生仮説」に加えて、「マイクロバイオーム仮説」が提唱されている。この仮説は、人間と微生物の進化的な共生関係に影響を与えることで、ライフスタイルの変化、そして最も重要な食生活の変化が、世界的な非感染性の慢性炎症性疾患の流行の原動力になっているというものである。

これらの情報を活用して、これらの「流行」を完全に元に戻すことはできなくても、遅らせることはできなかろうか？どのような特徴が健康な腸内環境を規定しているのか、そしてそれらがどのように宿主に依存しているのかを理解することは、病気の治療や予防のための新しい戦略を見出すための鍵となる。また、この知識は、微生物叢に影響を与えるライフスタイルによる変化が、集団全体の健康にどのような影響を与えるかを明らかにするかもしれない。そのためには、科学者と臨床家が協力して、マイクロバイオータを効果的に研究するための斬新で戦略的なツールが必要となる。しかし、先に進む前に、マイクロバイオーム研究の主要なマイルストーンを再確認し、我々がどのようにして、どこでこの旅を始めたのか、現在はどこにいるのか、そしてこれからどうすればよいのかを考えてみよう。

ヒトのマイクロバイオーム研究における重要なマイルストーン

私はいつも不思議に思っていたのだが、この物質の中にはとても小さな生きた動物がたくさんいて、とてもかわいらしく動いているのである。

-A. van Leeuwenhoek, 1683

何が間違っていたのかを理解した今、我々は過ちを正し、マイクロバイオームとの関係を共生的なものに戻すことができるかもしれない。マイクロバイオーム科学の重要なマイルストーンを要約するために、共著者のAlessio Fasanoは、非常に優秀な同僚たちがNatureのウェブサイト用に作成した優れた概要を活用した1 。以下に、図E.1にまとめた本書の内容に関連する彼らの年表についての彼の考えを示す。

図E.1

1683年に始まったマイクロバイオーム科学の主要なマイルストーンから、個別化医療や疾病介入への活用の可能性に関する将来の予測まで。(N. Pariente, “Milestones in Human Microbiota Research,” Milestones, June 18, 2019, www.nature.com/immersive/d42859-019-00041-z/index.html, accessed February 2, 2020からの引用です)

• マイルストーン1：「この本のプロジェクトを始めたとき、私は、観客として、また役者として少しの部分ではあるが、ヒトマイクロバイオームに関連する研究分野の歴史のほとんどを実際に体験したと確信していた」とファザーノは振り返る。しかし、これは1680年代に遡る科学史の大きな見落としであった。” アントニー・ファン・レーウェンフックは、1683年にロンドンの王立協会に宛てた手紙に記載されているように、新たに開発した顕微鏡を用いて、自分の口の中に5種類の「アニマルキュール」（細菌を表す言葉）が存在することを発見した。その後、自分の口腔内と糞便内の微生物叢を比較し、体の部位や健康と病気の間に違いがあることを突き止めた。これは、ヒトのマイクロバイオータの存在を示唆する最初の報告の一つである。
• マイルストーン2。それから約2世紀後の1853年、ジョセフ・ライディが『A Flora and Fauna within Living Animals』を出版した。これが微生物叢研究の原点とされる公式文書であろう2。パスツールは、細菌説を唱えただけでなく、非病原性微生物が人間の正常な生理機能に重要な役割を果たしている可能性を確信していた。メチニコフは、マイクロバイオームの構成と宿主との相互作用の両方が健康的な加齢に不可欠であると考えていた。また、エッシャーリッヒは、内因性細菌叢を理解することは、主要な消化管機能の生理・病理を理解するために不可欠であると確信していた。これらの仮説は、人間の宿主は病原体と好戦的な関係にあるだけでなく、常在菌との共生的な相互作用を行っていることを示唆していた。
• マイルストーン3 ロバート・コッホは1890年に有名な「4つの定説」を発表し、微生物の存在と特定の感染症との因果関係を確立するための基礎を提供した。当時、細菌は酸素の存在下でしか培養できなかったため、コッホのアプローチには限界があった。そのため、嫌気性菌である非病原性の常在菌の大部分が見落とされていたのである。
• マイルストーン4 第一次世界大戦中、ドイツ人医師のニッセルは、ある兵士が赤痢にならないことに気付いた。彼は、その兵士の腸内にいる保護微生物が原因ではないかと考えた。1917年、Nissleは大腸菌Nissle 1917株を分離したが、これは現在でも一般的に使用されているプロバイオティクスである。後に、この菌が病原菌に拮抗することを示し、人間に関連する微生物が同じニッチに病原菌が定着するのを防ぐという、コロニー化抵抗性の概念を確立したのである。
• マイルストーン5 1940年代に入ると、ヒトのマイクロバイオータの研究分野が加速した。その基礎となったのが、ロバート・ハンゲイトが、現在も使われている酸素のない状態で微生物を培養する方法を詳しく説明したことである。これらの培養技術のおかげで、我々は当時知られていたものの枠をはるかに超えて、ヒトのマイクロバイオームの複雑さを理解し始めた。嫌気性培養法を用いることで、ヒトの宿主ニッチの多くを占めるさまざまな微生物が分類され、それらがヒトの多くの生理機能に影響を与えていることがわかったのである。
• マイルストーン 6: 病原体が宿主の特定のニッチを占有することで、マイクロバイオームのバランスが崩れた結果、宿主にとって有害となった生態系の「リセットボタンを押す」方法としてFMTを使用することで、さらに評価が高まった。FMTが胃腸を中心とした様々な疾患の治療に用いられるようになったのは、4世紀の中国にまでさかのぼり、重度の食中毒や下痢の際に「黄色いスープ」が使われていたという。16世紀の中国では、消化器系の症状だけでなく、熱や痛みなどの全身症状に対しても、さまざまな糞便由来の製品が開発されていた。また、ベドウィンの人々はラクダの便を細菌性の赤痢の治療薬として飲んでいたという逸話もある。イタリアの解剖学者・外科医であるファブリキウス・アッカペンデンテ（1537-1619）は、これをさらに発展させて、健康な動物から病気の動物に消化管の内容物を移す「トランスファネーション」という概念を提唱し、獣医学の分野にも広く応用されている。興味深いことに、多くの動物種が自然に共食いをしていることがわかっており、腸内の微生物がより多様化していることがわかっている。18世紀のヨーロッパの医師たちの間では、このような考え方が少しずつ注目され始めてたが、ベン・アイズマンらが研究するまでは大きな成果はなかった。マイクロバイオーム革命」の幕開けとなる1958年、彼らは偽膜性大腸炎に苦しむ4人の治療に成功した結果を発表し、その原因がC. difficileであることを突き止めたのである。
• マイルストーン7 1965年、Russell Schaedlerらは、腸内細菌叢が宿主の生理病理に及ぼす影響を研究するために、細菌の培養物を無菌マウスに移植したことを報告し、マイクロバイオーム研究に新たな大きな礎を築きた。その結果、通常のマウスの病原菌や腸内の大腸菌、プロテウス属などを持たないアルビノマウスの腸内から分離した細菌培養液を無菌マウスに与えると、ドナーマウスと同等の方法でマイクロバイオームが移植されることがわかった。また、これらのマウスの腸内細菌叢は数カ月間安定していること、一部の細菌株から報告されている特異的な代謝活性は、複雑で多様な細菌叢が存在しないと検出されないことを示し、微生物と宿主の理想的な共生関係のためには、バランスのとれた生態系が重要であることを確認した。
• マイルストーン8 1972年、Mark PeppercornとPeter Goldmanは、抗炎症剤をヒト腸内細菌で培養すると、従来のラットでは分解されるが、無菌ラットでは分解されないことを示し、腸内細菌叢が薬物の変換に関与していることを示した。この最初の観察から、薬物代謝におけるマイクロバイオームの役割は腸内に限られたものではないことがいくつかの研究で確認され、薬物の不活性化、有効性、毒性への影響が強調されている。
• マイルストーン9 1980年初頭、移植されたマイクロバイオームと人間の宿主との間に、生後1,000日の間に確立される共生関係と、この関係が今後数年間の我々の健康の軌跡を決定することが初めて認識された。安定したマイクロバイオームが形成されるまでの一連の流れは何十年にもわたって研究されてきたが、1981年に発表された3つの重要な研究により、腸内常在菌の早期獲得が定量的に明らかになり、摂食によって初期のマイクロバイオームがどのように形成されるかが研究されるようになった。
• マイルストーン10：1990年代初頭まで、ヒトのマイクロバイオータの研究は、培養に依存した方法に基づいて行われていたため、ヒトに関連する微生物群集の大きな生物多様性についての理解が損なわれていた。ケネス・ウィルソンとロンダ・ブリチントンは、ヒトゲノムプロジェクトで開発された技術を用いて、1996年にヒトの糞便サンプル中の培養菌と非培養菌の多様性を比較した。彼らの先駆的な研究のおかげで、16Sリボソーム（r）RNAシーケンシングは、ヒトのマイクロバイオームにおける微生物の多様性を評価するための強力なツールとなった。
• マイルストーン11：「正常なヒトのマイクロバイオーム」を探索し、病気につながるマイクロバイオームの構成からの逸脱を明らかにすることは、これまで困難で挫折を伴うものであった。1998年、Willem de Vosらは、16S rRNA遺伝子の領域をポリメラーゼ連鎖反応で増幅し、温度勾配ゲル電気泳動（TGGE）を行うことで、増幅された遺伝子の多様性を可視化することに成功した。16人の成人の糞便サンプルからTGGEによって生成されたバンディングプロファイルを比較すると、誰もがユニークな微生物コミュニティを持っていることがはっきりと示された。さらに、2人の個人を長期的に観察することで、TGGEプロファイルは少なくとも6カ月間は安定していることが示された。これは、マイクロバイオームと宿主の間に理想的で高度に個別化された共生関係がいったん確立されると、理想的な均衡として現状を維持しようとする強い努力があることを示唆している。
• マイルストーン12：1990年代初頭までは、腸管透過性が調節されているかどうか、どのように調節されているか、そしてなぜ調節されているかについてはほとんど知られていなかった。タイトジャンクション・コンピテンシーによって制御されている細胞間空間の複雑さが認識されるようになり、ゾヌリンが腸管透過性の生理学的調節因子であることが発見されると、この分子と様々な慢性炎症性疾患との関連を示す研究がいくつか発表され、その中では腸内細菌叢の異常が病因として仮定されてきた。ゾヌリンを介した変化を含む腸管透過性と腸内細菌異常の間の重要な相互作用は、マイクロバイオームの構成と機能の変化が、疾患の発症に関与する抗原輸送の変化とメカニズム的に関連することに貢献した。
• マイルストーン13：マイクロバイオーム関連文献のほとんど全てが細菌に焦点を当てているが、ウイルス、真菌、古細菌も人間の生態系の重要な構成要素であり、人間の健康に影響を与える可能性があることはよく知られている。2001年、海洋微生物生態学者のフォレスト・ローワーの研究グループは、単一のバクテリオファージから得られるゲノムDNAを解析するために、ランダム化されたショットガンライブラリシーケンシング法を発表した。これは、ヒトのビロムを解析するという、より複雑な課題に向けた重要な一歩であった。ローワーの研究グループは2003年、健康な成人1人から採取したヒトの糞便に含まれる、培養されていないビロムの組成を初めて定量的に記述したことで、この課題を達成した。
• マイルストーン14：宿主の免疫系と微生物との相互作用は、通常、宿主の防御が主に病原体の排除を目的とした戦争と解釈されてきた。無菌動物では免疫系が不適切に成熟するという観察結果は、この相互作用に対する新たな解釈をもたらした。これまでの還元的で好戦的な見方は、移植されたマイクロバイオームによる免疫系の成熟と機能のより複雑なプログラミングの中で見直されるべきであることを示唆している。病原体と常在微生物を区別するための重要な要素として、パターン認識受容体（PRR）を介した宿主によるコロニー形成微生物の認識がある。PRRは保存された微生物分子を感知する。2004年、Seth Rakoff-NahoumとRuslan Medzhitovは、免疫系が正常な状態ではPRRを介して常在微生物を感知しており、この感知が組織修復に重要であることを示した。この発見は、微生物に対する免疫反応を、単なる宿主の防御としてではなく、腸管バリア（マイルストーン12参照）、免疫系、マイクロバイオームが相互に連携して作用する共生的な生理学的プロセスとして捉える新たな視点をもたらした。
• マイルストーン15：過去数十年間に先進国で記録された慢性炎症性疾患の増加は、マイクロバイオームの構成と機能に大きな影響を与える欧米化した食生活と関連している。無菌マウスを用いた初期の研究では、体脂肪率とインスリン抵抗性が、糞便に触れることで肥満マウスから痩せたマウスに移行することが示された。2006年に発表された先駆的な論文では、Jeff Gordonらが、肥満マウスの微生物叢は、痩せたマウスの微生物叢に比べて、宿主の食事からエネルギーを抽出する効率が高いことを報告している3。この表現型は、肥満マウスの盲腸から痩せた無菌動物に微生物叢を移植することで転写可能であった。この研究グループは、食事が腸内細菌叢と宿主の代謝に決定的な影響を与えることを明らかにし、ヒトの健康に影響を与える宿主の細菌叢を操作するための、栄養に基づく介入方法の開発に道を開いた。
• マイルストーン16：マイクロバイオームのシーケンシングで得られる膨大な量のデータを解析するには、革新的なバイオインフォマティクスツールが必要だった。2010年、Gregory Caporasoらは、「Quantitative insights into microbial ecology（微生物生態に対する定量的洞察）」を意味するQIIMEというソフトウェアパイプラインを、マイクロバイオームシーケンスによって生成された大規模なデータセットの分析と解釈を可能にするツールとして紹介した。
• マイルストーン17：人間が異なる地域に適応することは、常に遺伝子の変異を前提としていると考えられてきた。しかし、宿主のマイクロバイオームがエピジェネティックな役割を果たしている可能性が指摘されるようになり、異なる地域に関連するヒトのマイクロバイオームの違いを研究することは、ライフスタイル、環境、臨床結果を結びつけるための重要な研究対象となった。2012年、Tanya Yatsunenkoらは、ベネズエラのアマゾナス地方、マラウイの農村部、米国の都市部など、さまざまな地域に住むコホートの糞便サンプルに含まれる細菌種を特徴づけた。その結果、これらの地理的に異なるコホートや年齢層の間で、腸内細菌叢の構成や機能に顕著な違いがあることを発見し、人間の発達、栄養ニーズ、生理的変化、「西洋化」されたライフスタイルの影響などを評価する際に、マイクロバイオームを考慮する必要性が高いことを示唆した。
• マイルストーン18：2018年、3つの独立した報告書により、ヒトのマイクロバイオームががん治療への反応に影響を与えることが示された。マウスモデルを用いた先行研究に続き、これらの研究者は、腸内細菌叢の組成が、メラノーマ患者、進行した肺がんや腎臓がんの患者の、免疫チェックポイント療法や腫瘍制御に対する反応に影響を与える可能性があることを報告した。
• マイルストーン19：計算手法の進歩により、メタゲノムデータセットから細菌ゲノムの再構築が可能になった。2019年には、3つの研究グループがこの手法を用いて、農村部や都市部に住む世界中の人々の腸やその他の身体部位から、培養されていない新たな候補細菌種を数千種類同定した。これにより、既知の系統的多様性が大幅に拡大し、研究が進んでいない非西洋の集団の分類が改善された。
• マイルストーン20：この物語は2030年を舞台にしている。共著者のアレッシオ・ファザーノは、マイクロバイオームの研究がどのように医療の未来を根本的に変えていくかというビジョンをまとめている。そして、たまたま架空の存在ではあるが、実際には世界中の何百万人もの実在する子どもたちとよく似た、ある少女の未来についての物語である。彼女は、本書で紹介されている人もいれば、マイクロバイオーム研究領域への多大な貢献のために我々が認識できなかった多くの個人の素晴らしい仕事のおかげで開発され、提供される研究主導型の臨床ケアによって人生が変わるかもしれない人の一例である。彼らがいなければ、この2030年の物語は考えられなかっただろう。

ジェマはようやく眠りについた。メラニーはファザーノ博士のオフィスの窓際に立ち、昼下がりの暖かな日差しを浴びている。赤ん坊を抱いたまま、優しく体を揺らしながら、向かいの公園で夫が3歳の息子ボビーを連れているのを見ている。ボビーと父親は飛行機を探している。頭上を飛ぶ飛行機。コントレール。空を飛んでいる証拠だ。多くのASDの子供たちがそうであるように、ボビーにも夢中になれる強迫観念がある。彼の強迫観念は飛行機である。メラニーは目を閉じて、肩の上で眠る子供に合わせて呼吸をする。彼女は、自分の足の上で、どれだけ簡単に眠りにつけるかを考える。この1週間はとても長かった。ジェマの耳の感染症は、対象となる抗生物質の経口投与を3日間続けたおかげで緩和された。しかし、今度は赤ちゃんが便秘になり、お腹が痛くなった。採便や採血が行われ、不安な日々が続いた。ジェマの担当医がドアを開けると、メラニーは目を覚ました。医師が話し始めると、メラニーは警戒心とパニックの波が交互に押し寄せてくる。

良いニュースがある。そして悪いニュース。そしてさらに良いニュースがある。良いニュースとは、ジェマの全ゲノム配列が出生時に決定されたことであり、そのデータに加えて、腸管透過性検査、血液サンプルに基づく免疫プロファイリング、便サンプルで行われたマイクロバイオーム、メタトランスクリプトーム、メタボローム解析を用いて、ジェマの急性疾患の根本的な原因とASDの予測因子として知られるバイオマーカーの両方を調べることができるとファザーノ博士は説明する。検査の結果、ジェマちゃんのzonula（腸管透過性のマーカー）が上昇していること、腸内細菌叢のバランスが悪く、F. prausnitziiが少ないこと、腸内細菌数がやや多いこと、乳酸菌による乳酸生成を制御する遺伝子の発現が低下していることが判明した。メタボローム解析では、ジェマの便中の乳酸の減少が確認された。全ゲノム配列とエピジェネティックな変化から、ジェマの免疫反応をコントロールする遺伝子が活性化していることが明らかになった。このため、ファザーノ医師はジェマの脳のポジトロン・エミッション・トモグラフィー（PET）検査を依頼し、神経炎症を確認した。これらの検査結果を受けて、ファザーノ医師はメラニーに説明した後、コンピュータに向かってリスク分析を行い、ジェマの陽性バイオマーカー、免疫プロファイル、特定の遺伝子変異、腸内細菌叢、メタボローム組成の組み合わせにより、9カ月以内にASDを発症するリスクが55倍になることを明らかにした。

メラニーは息をのむ。約2年前、息子のことで初めて自閉症という言葉を聞いたときのことがフラッシュバックした。でも、これは今なのである。もうひとつの時間。別の子ども。生後12ヶ月間ですべての成長・発達の節目を迎えたにもかかわらず、明らかに危険な状態にある子供だ。メラニーは自分の意志でこの部屋に戻ってきた。突然、妙に酸素が足りなくなったような気がして、この会話に入ってきた。ファザーノ医師は、実は良いニュースがあると言っている。ジェマのプロフィールに合わせて特別に調整された食事を変更して保護微生物の増殖を促し、腸内環境の変化を感知して適切なマイクロバイオームの構成と代謝プロファイルを再構築することができる遺伝子組み換えプロバイオティクスを3か月間投与することでASDの発症を予防することを処方しているのだ。「この話を信じていいのだろうか？メラニーは、ボビーがASDと診断された当時、ASDは治療可能ではなく、確実に予防できるものでもなかったことを思い出しながら、こう考える。「これは本当なのだろうか？「それは、世界中の何千人もの研究者の素晴らしい仕事のおかげである」とファザーノ博士は断言する。この350年の間に、このようなインスピレーションに溢れた粘り強い研究者たちが、マイクロバイオームを操作して病気を未然に防ぐことにつながる膨大な研究成果を生み出してきた。

メラニーさんの子供たちの未来は明るい。3ヵ月後、ジェマは検査のためにこの部屋に戻ってくる。彼女のバイオマーカーは正常に戻っているだろう。PETスキャンも正常になっているだろう。彼女の子供時代は健康で幸せであり、彼女の人生は約束されたものになるだろう。そしてボビーは、ジェマの治療法を生み出したのと同じ研究を基にした、新しい治療プロトコルに登録される。ボビーの担当医は、身体の免疫反応メカニズムと特定の微生物由来のバイオマーカーとの間のフィードバックメカニズムを低減することで、ボビーの症状を緩和し、長期的な改善を目指すことを期待している。

マイルストーン20は単なる願望ではなく、我々が朝起きて次の日の仕事を始めるのが非常に楽しみになる理由なのである。

謝辞

ヒトのマイクロバイオームを構成するには、細菌、ウイルス、真菌など、さまざまな要素が必要であるように、ヒトのマイクロバイオームについての本を書くには多くの人が必要である。数年前にこのプロジェクトを開始して以来、マイクロバイオーム研究の分野では、世界中で爆発的な数の研究や取り組みが行われてきた。これらの新しい研究や研究手段は、微生物学、免疫学、環境生物学、生物統計学、その他の科学分野における何十年にもわたる研究の積み重ねがあって初めて可能になったものである。

健康と病気におけるヒトのマイクロバイオームという複雑な問題を解決するために、我々はマイクロバイオーム科学の研究者15人にインタビューを行った。何十年もこの道を歩んできた人もいれば、この分野に入ったばかりの人もいる。本書に洞察力と資料を提供してくれた以下の方々に、寄稿順に記して深く感謝する。Rita Colwell, Claire Fraser, Josef Neu, Jacques Ravel, W. Allan Walker, Forest Rohwer, Lee Kaplan, Sarkis Mazmanian, Laurence Zitzvogel, Lauren Fiechtner, Maureen Leonard, Victoria Martin, Jon Vanderhoof, Ali Zomorrodi, Timothy Lu.

また、本プロジェクトを支援してくれたMassachusetts General Hospital（MGH）とMGHの同僚の方々にも感謝いたする。Ronald Kleinman，Lisa Milone，Joanne O’Brien，Kristin Hasselschwert，そしてChristina FahertyをはじめとするMGHのPediatric Gastroenterology and Nutrition部門，Center for Celiac Research and Treatment，MIBRCのメンバーには，資料の提供と原稿の査読をしていただきた。また，MIT PressのRobert Prior，Anne-Marie Bono，Kathleen Carusoの3名には，素晴らしい忍耐と柔軟性を与えていただきた。また、編集と校正をサポートしてくれたJennifer Ottman氏とChristian Zang氏にも感謝する。

最後に、病気の治療と予防の新しい道を切り開く献身的な科学者や臨床医とともに、古くからある病気の新しい治療法につながる知見を得るために研究に参加してくださる寛大な患者にも感謝する。この本が出版される頃には、マイクロバイオーム科学の分野は予想外の新しい発見で飛躍的に進歩していることだろう。我々は、画期的な研究や挑発的な理論をこれらの章に盛り込むことに最善を尽くしたが、マイクロバイオーム科学の急速な変化のために、一部の内容が重複する可能性があることを十分に認識している。最後になったが、誤りや脱落は我々自身の責任である。

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