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過体重または肥満の成人におけるグルコース、インスリン、インスリン抵抗性、脂質パラメータに対する耐性デンプンの効果：システマティックレビューとメタアナリシス
Effects of the resistant starch on glucose, insulin, insulin resistance, and lipid parameters in overweight or obese adults: a systematic review and meta-analysis
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6551340/
要旨
背景
グルコース、インスリン、インスリン抵抗性または感受性、および脂質パラメータにおける耐性デンプン（RS）の役割は、いくつかの研究で報告されており、論争の的となったままであった。これらのパラメータを評価したプール解析は行われていない。そこで、本研究では、この問題に関する既存のエビデンスをまとめるためにメタ解析を行った。
方法
2018年11月以前に発表された研究をMEDLINEおよびPUBMで検索した。糖尿病患者と非糖尿病患者の試験のメタアナリシスは、ランダム効果モデルを用いて行った。
結果
体格指数が 25 以上の 428 人の被験者を含む合計 13 件の症例対照研究が同定された。RS補給は、全体解析および層別化（糖尿病患者試験および非糖尿病患者試験）解析において空腹時インスリンを減少させた（SMD = -0.72;95%CI:-1.13～-0.31;SMD = -1.26;95%CI:-1.66～-0.86およびSMD = -0.64;95%CI:-1.10～-0.18）。 10～-0.18,それぞれ)糖尿病試験の全体解析および層別解析において空腹時グルコースを減少させた（SMD = -0.26;95%CI:-0.5～-0.02,SMD = -0.28;95%CI:-0.54～-0.01,それぞれ）。RS補給は、全体解析においてHOMA-S%（SMD = 1.19;95%CI:0.59～1.78）を増加させ、HOMA-B（SMD = 1.2;95%CI:-1.64～-0.77)LDL-c濃度（SMD =-0.35;95%CI:-0.61～-0.09)およびHbA1c（SMD = -0.43;95%CI:-0.74～-0.13）を減少させた。
結論
このメタアナリシスでは、特に過体重または肥満の糖尿病患者において、RS補給が空腹時血糖、空腹時インスリン、インスリン抵抗性、インスリン感受性を改善するというエビデンスが得られている。しかし、潜在的な洗練度、個人差、腸内細菌叢の組成のために、この結果は慎重に考慮されるべきである。
主題用語。栄養学、肥満
序論
太りすぎや肥満は世界的なパンデミックであり、インスリン抵抗性に関連した病的疾患の増加、2型糖尿病への進行、心血管疾患のリスク増加につながっている1,2。多くの人にとって減量を達成または維持することは困難であり、体重減少3に依存するのではなく、代謝の健康を改善するために食事中のブドウ糖の吸収性または量を減らすことに基づいた食事療法が提案されている。食餌成分としての耐性デンプンは、消化を遅らせ、げっ歯類やヒトでは腹腔内脂肪4-6やコレステロール7を減少させる。RSは、全身のインスリン感受性を増加させ、有意にケアと糖尿病の予防8の臨床的意義を持っている脂肪組織の分解を低減する。RSの補給とインスリン濃度、インスリン感受性、脂質パラメータとの関連は生物学的に信憑性があるが、この関係に関する疫学研究の結果は一貫性がない。
RSがグルコース、インスリン、インスリン抵抗性・感受性、脂質パラメータに及ぼす影響については、各国から多くの研究が発表されているが、この問題に関する系統的な解析は未だに報告されていない。そこで、このトピックに関する既存のエビデンスをまとめるためにメタアナリシスを実施した。
以下省略
議論
428人の被験者を対象とした13の研究のメタアナリシスでは、RSはHOMA-S%に増加効果があり、空腹時グルコース、空腹時インスリン、LDL-c濃度、HbA1c、およびHOMA-B%に低下効果があることが、過体重または肥満の成人で確認された。我々の研究では、RS補給によるHDL-c、総コレステロール、トリグリセリド、HOMA-IRへの有意な効果は認められなかったが、これは別の研究28と一致していた。一方、プレバイオティクスのメタアナリシスでは、イヌリンが高脂血症患者の総コレステロール、LDL-c、トリグリセリド濃度を低下させることが示された29。
我々の研究では、総コレステロール、HDL-c、LDL-c、トリグリセリドの解析データは6～13件であった。総コレステロール15,19,20,23-26,HDL-c15,20,25,26,LDL-c20,24-26,トリグリセリド20,24,26については、軽度の減少が認められた。総コレステロールとトリグリセリド27の解析のための試験では軽度の増加が示され、総コレステロール23,HDL-c23,24,27,LDL-c23,トリグリセリド23,24の解析のための試験ではRS補給後の有意差は認められなかったため、解析に有意な影響がなかったことを説明することができる。6つのデータのうち4つのデータでは、非糖尿病サブグループとLDL-cの解析全体で有意な影響があった結果、LDL-cがわずかに減少したことが報告されている。一方、メタアナリシスでは、過体重または肥満の成人においてプレバイオティクスの補給後に総コレステロールとLDL-cが有意に減少したことが報告されている30。これまでの研究では、健康な被験者と2型糖尿病患者では、異なるタイプのRSがグルコースと脂質レベルに反対の効果を示すことが示されている。結果の多様性は、食事組成、食事RSの含有量、RSの供給源、投与量とRSの種類、および分析における有意な不均一性の原因となり得る患者の病理学的状態の違いに起因している可能性がある。しかし、サンプル数の少なさが最も可能性の高い理由かもしれない。
HOMA-IR19,21,22,24とHOMA-B%16,18,19,22の解析は4件、HOMA-S%16,18,22の解析は3件であった。HOMA-IR19,21,24,HOMA-B%16,18,19,22及びHOMA-S%16については軽度の減少を示した。HOMA-S%の解析では増加22を示しており、全体の解析での効果を説明することができる。HAM-RS2を含む動物モデルからの最近の研究では、膵臓β細胞31の増加が示されている。また、SCFA、特に大腸菌の発酵により生成されるアセテートおよびプロピオン酸は、RS18,32のインスリン感受性化効果と関連している。インスリン感受性と関連するもう一つのメカニズムは、腸内細菌叢と腸管透過性の両方を変化させることで、全身の炎症を調節することである33. このHOMA-S%のメタ解析では、1つの試験9で炎症マーカー（hs-CRP）に対する効果がRSによって有意に変化しなかったことが示されている。サンプル数が少ないことや、メタボリックシンドロームを含む糖尿病ではないことが解析上の有意な不均一性の原因と考えられる。
糖尿病患者は144例であった15,20,21が、ベースライン時の平均空腹時インスリン濃度は12.16mIU/L、グルコース濃度は6.98mmol/L（糖尿病患者：8.31mmol/L、非糖尿病患者：6.06mmol/L）であった。空腹時グルコース15,17,19,20,22,23,25,27及び空腹時インスリン15,18,19,21-23,25,27の分析試験では軽度の減少が認められた。空腹時グルコース18,24,26を分析する試験では有意差は認められず、4つのデータでは空腹時インスリン17,23,26,27の増加、2つのデータでは空腹時グルコース23,27の増加が認められたため、非糖尿病患者とのグルコース分析に有意な影響を与えることができなかった可能性がある。HAM-RS2 の大腸発酵は酢酸塩とプロピオン酸塩濃度を増加させる32。我々の研究では、1つの試験18でRS補給後のSCFAの差が示されたが、有意差は認められなかった。また、循環するSCFA、特にプロピオン酸は、脂肪組織のPPAR-γ受容体に結合してインスリン分泌を増加させる可能性がある32。RSが空腹時グルコースを低下させるメカニズムについては、多くの実験研究で検討されているが、かなりの曖昧さがある。ある研究では、RSはプレバイオティクスの基準を満たし、内因性ビフィズス菌34の増加を刺激することができることが示されている。Propionibacterium、Bacteroides intestinalis、Bacteroides vulgates、および空腹時グルコースの間の正の相関が別の研究で発見されている間に、クロストリジウムクラスターIVの増加は、空腹時インスリンとグルコースと負の関連があった35。
我々の研究のいくつかの制限を考慮に入れる必要がある。第一に、差のないベースライン特性を提供していないいくつかの試験を除外した。血漿グルコースとインスリンは曲線下の正の面積として計算されたため、さらなる解析のためにそれらの試験を除外したが、これは全体の結果の正確性に影響を与える可能性がある。第二に、いくつかのメタアナリシスでは、研究数が比較的限られているため、異質性の評価や発表バイアスの問題が生じ、結果の信頼性が低下する可能性がある。第三に、本研究ではBMIが25未満の被験者を含まず、RSの投与量と期間に応じたサブグループ分析を行った。第四に、本研究では有意な不均一性があり、発表バイアスの可能性がある。全ての解析において発表バイアスは認められなかったが、空腹時血糖、空腹時インスリン、HDL-c、HOMA-S%、HOMA-B%、HOMA-IRにおいて有意な不均一性が認められ、国やRSの種類、治療期間、その他の不測の要因に依存する非糖尿病患者を対象とした試験の解析においても、この不均一性は依然として有意であった。最後に、食事摂取量は個人内でも個人間でも異なる可能性があり、それがインスリン、グルコースホメオスタシス、脂質の変化につながる可能性がある。もう一つ考慮すべき重要な問題は、代謝改善の主な目標である腸内細菌叢の構成である。
まとめ
以上をまとめると、本メタ解析では、RSは過体重または肥満の成人において、HOMA-S%を増加させ、空腹時インスリン、空腹時グルコース、LDL-c濃度、HbA1c、HOMA-B%を減少させ、また、糖尿病を有する過体重または肥満の成人において、空腹時グルコースおよびHOMA-IRを減少させることが示された。ただし、交絡因子の可能性、個人差、腸内細菌叢の組成などを考慮して、本結果を慎重に検討し、さらなる研究で確認する必要があると考えられる。
耐性デンプンの栄養補給に対するヒトマイクロバイオームの応答の可変性
Variable responses of human microbiomes to dietary supplementation with resistant starch
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4928258/
要旨
背景
食物繊維から様々な有機酸への発酵は、ヒトの大腸の微生物群が提供する有益な機能である。特に酪酸は、上皮の完全性の維持を促進し、炎症を調節し、大腸細胞の遺伝子発現に影響を与えることで、宿主の健康に貢献している。本研究では、20 名の健康な若年成人を対象に、抵抗性デンプン（無修正ポテトデンプン抵抗性デンプン（RS）2 型）の栄養補給により酪酸濃度を増加させることを試みた。
方法
糞便サンプルを個体から採取し、液体クロマトグラフィーによる酪酸塩濃度と、イルミナMiSeqプラットフォームからの16S rRNA-エンコード遺伝子配列の調査による微生物相の組成を特徴づけるために、糞便サンプルを採取した。ランダムフォレスト解析およびLEfSe解析を用いて、酪酸産生の反応を微生物相の特徴に関連付けることができた。
結果
このコホートでは、RS補給により糞中酪酸塩濃度が8～12mmol/kgの湿潤糞から増加したが、反応は個体間で大きく異なっていた。RS前とRS中の酪酸塩濃度に基づいて、個体は3つのグループに分類された：強化群、高群、低群（n = 11,3,および6）。糞中酪酸は、高群では9mmol/kgから15mmol/kgまで67%増加したが、高群では11mmol/kg以上、低群では8mmol/kg以下であった。微生物学的解析の結果、RS分解菌であるRifidobacterium adolescentisやRuminococcus bromiiの相対的な存在量は、高群では2～9%まで増加したが、低群では1.5%程度に留まった。低群ではRS分解菌が増加しなかったことから、RSに反応して糞中酪酸が増加しなかった理由を説明できるかもしれない。高群の個体のマイクロバイオータは、研究期間中、酪酸分解菌Eubacterium rectaleの豊富さが特徴的であった（高群では～6%、強化群と低群では～3%）。
結論
我々は、RS補給時の酪酸濃度の不均一な反応を文書化し、この変動の根底にあるように見える腸内細菌叢の特徴を特定した。この研究は、腸内マイクロバイオームが提供する有益な機能を管理するための個別化されたアプローチを求める他の研究を補完し、拡張するものである。
背景
大腸の微生物群は、短鎖脂肪酸の産生、一次胆汁酸から二次胆汁酸への修飾、およびいくつかの腸内病原体に対するコロニー化抵抗性を提供するなど、人間の健康に有益ないくつかの機能を提供している[1, 2]。これらの有益な機能を維持・改善するために微生物のこのコミュニティを管理することで、健康を促進し、肥満や2型糖尿病[3]、大腸がん[4]、慢性・急性栄養不良[5]、クロストリジウム・ディフィシル[6]による感染症などの予防可能な疾患の発症率を減らすことができる。
大腸微生物叢に由来する有益な機能の一つは、食物繊維の発酵から生成される酪酸の産生である。酸の共役塩基である酪酸は、大腸細胞にとって好ましいエネルギー源である[7]。酪酸は、密結合の形成を促進することで腸管バリアを改善し [8]、結腸調節性T細胞の分化を誘導することで炎症反応やアレルギー反応を抑制し [9]、細胞のアポトーシスを調節し [10]、肛門ホルモンの産生を刺激する [11]。実際、酪酸の濃度低下は、移植片対宿主病[12,13]、クワシオルコル[14]、結腸癌[15]、肥満[11]の発生率と関連している。特にこれらの状況下では、大腸での酪酸産生の増加は、ヒトの健康に有益である可能性がある。
酪酸産生を増加させるための1つのアプローチは、より多くの発酵性炭水化物を腸内マイクロバイオームに送達することである。ここでは、20名の健康な若年成人の糞便中酪酸濃度と腸内細菌叢の組成に、抵抗性デンプン（未修飾馬鈴薯デンプン;RSタイプ2）の食事補給が与える影響について報告する。RSは、ヒトの酵素による加水分解に抵抗性のあるデンプンから構成され、吸収されることなく小腸を通過する。大腸では、RSは代謝され、微生物によって発酵して酪酸を含む様々な生成物になる[16]。この研究では、RS補給に対する反応は、少なくとも一部ではあるが、微生物相の組成のばらつきによって説明できる方法で個人間で異なることがわかった。繊維補給への反応における個人間のばらつきを認識し、それを支えるマイクロバイオータの特性を決定することは、酪酸の生産を含む望ましい機能性のために腸内マイクロバイオームを管理するための個別化された計画に向けた重要な第一歩である。
方法
以下省略
議論
20名の健康な若年成人を対象に、抵抗性デンプンによる食事補給が糞便酪酸塩濃度および微生物相の組成に与える影響を調べた。このコホートでは、RS補給前と補給中の酢酸塩：プロピオン酸塩：酪酸塩の平均比率はそれぞれ58:25:15と58:22:20であった。これらの比率は、以前に文書化されたヒト糞便中の~60:20:20:20の比率とよく一致している[26-29]。RS補給に反応して、糞中酪酸塩の濃度は、試験集団全体で8から12 mmol/kgの湿った糞便に増加した（反復測定ANOVA p = 0.02）。RS前とRS中の酪酸塩濃度の個体間変動は顕著であった（図2）。RSに関するこれまでの研究のほとんどは、酪酸塩濃度の集団全体での反応のみを記録しているが [16]、他の研究では糞中酪酸塩濃度に関して個人間でかなりの不均一性があることを報告している [30]。このような個人間の顕著なばらつきは、マイクロバイオームから有益な機能を改善するための単一のアプローチが普遍的に成功する可能性が低いことを示唆している。むしろ、健康のためにマイクロバイオームを管理するためには、個別化されたアプローチが必要かもしれない。この試みに沿って、我々は、RSによる栄養補給に対するさまざまな反応を説明できるマイクロバイオームの特徴を特定することを試みた。
研究集団における酪酸塩濃度とOTUの関係を特定するためにランダムフォレストを使用した。RS前の酪酸塩濃度とOTU 4（E. rectale）の豊富さとの間には弱い関係が確認された。ランダムフォレストでは、RS補給中のOTUの豊富さと酪酸塩濃度との間の関係を明らかにすることはできなかった。この研究の個体数（n = 20）が少なすぎて、個体群レベルでの酪酸塩とOTUの豊富さとの間のロバストな相関関係を検出できなかった可能性がある。あるいは、単一生物の豊富さが酪酸塩濃度と相関している必要はない。結局のところ、酪酸を産生する可能性はFirmicutes属[31]の中でかなり広く存在している。むしろ、ブチリル-CoA:酢酸CoAトランスフェラーゼ(but)とブチレートキナーゼ(buk)をコードする遺伝子の豊富さがブチレート濃度と相関しているのではないかと期待している。
次のステップは、RSに対する類似した応答に基づいてデータをグループ化することであった。このクラスタリングアプローチは、各グループ内の変動を抑制し、各タイプの応答を特徴づける微生物の特徴を特定する確率を高めるはずである。RS前とRS中の酪酸濃度を用いたK-meansクラスタリングにより、3つのグループ（強化、高、低）が同定された。酪酸塩濃度は、高値群では平均して9～15mmol/kgの湿潤便中に増加したが、他の2群では一貫して高値または低値を示した（それぞれ11mmol/kg以上、8mmol/kg以下、図3）。これらのクラスターから、3群を区別する微生物群集の特徴を明らかにすることができた。
その結果、RS分解菌B. adolescentisやR. bromiiの相対的な存在量は、RS添加量が多い群と多い群では2～9%増加したが、少ない群では増加しなかった（全体で1.5%程度、図4）。この知見は、RS補給がヒトの腸内細菌叢の組成に及ぼす影響に関する以前に発表された報告を補完し、拡張するものである。過体重の成人男性を対象とした研究では、その腸内マイクロバイオータ中のR. bromiiの検出可能な豊富さを有する個体のみがRSを分解することができた（タイプ3-ノベロース330;Walkerら[32]）。10人のヒト被験者（5人の男女;28～38歳）を対象とした別の研究では、4型RS（FiberSym RW）または2型RS（HiMaize260）のいずれかの栄養補給は、それぞれB. adolescentisおよびR. bromiiの相対的な豊富さを増加させた（Martinezら[33]）。これらの生体内試験の研究は、R. bromiiとB. adolescentisの分離株がいくつかの形態のRSを分解する能力があることを示した試験管内試験のミクロコズム研究によってうまく補完されている[23]。このように、異なるタイプの耐性デンプンがB. adolescentisまたはR. bromiiの成長を促進する可能性が高く、両生物はRSのタイプと供給源に応じて基質特異性を示している。
RS分解菌の相対的な存在量と酪酸濃度は低群では増加しなかった。このことは、RSを分解しない微生物群では、酪酸生産量の増加にはつながらなかったことを示唆している。この示唆は、低群ではアセテートもプロピオン酸も濃度が上昇しなかったことからも裏付けられている。では、なぜ低群ではRSを分解する生物の豊富さが1.5%にとどまっているのであろうか？その理由としては、拮抗性微生物による制限や相乗性微生物の不足などが考えられる。RS分解菌と他のOTUとの相関ネットワーク[34]を構築して拮抗的・相乗的相互作用を同定しようとしたが、説得力のある関係は得られなかった。
RS分解生物に加えて、高次群と低次群を区別する別のOTU（OTU＃4）が同定された（表3,図5）。そのV4配列は、ヒトの腸内マイクロバイオームで著名な酪酸菌として確立されているE. rectaleの配列と同一である[24, 35]。その相対的な存在率は、他の2つのグループでは3%であったのに対し、高グループでは一貫して約6%であった。驚くべきことに、E. rectaleの存在量はどの群でもRSに反応して変化しなかったが、高濃度群では酪酸濃度がかなり上昇した（湿った糞便9mmol/kgから15mmol/kg）。E. rectaleはアセテートから酪酸を生成し、その過程でATPの純利得がある[35]。したがって、もしE. rectaleがRSを用いて強化されたグループで酪酸産生の増加に関与していたとすれば、その相対的な豊富さの増加を期待することができるかもしれない。E. rectaleの存在量が測定可能な増加を伴わずに強化群で酪酸産生が増加したことについては、2つの可能性があると考えられる。第一に、E. rectaleの相対的な個体数の変化は、RS分解生物の個体数が劇的に増加した（強化群では2〜10%）ことによって、微妙な変化が隠されている可能性がある。また、E. rectaleの個体群がRS補給に反応するまでに時間がかかる可能性もある。我々は3日間の順化期間を用いて、食事中のRS量を徐々に増加させ、この期間の後に4回の糞便を採取した。RSの摂取期間を長くした場合に、E. rectaleの検出可能な個体数の増加が見られるかどうかは、今後の課題である。また、先に述べたように、ヒトの腸内マイクロバイオームではFirmicutes属の中で酪酸産生が広く行われていることがよく知られている。したがって、単一の生物ではなく、より多くのアセテートが酪酸塩に変換されている場合、ブチリル-CoA:アセテートCoAトランスフェラーゼ（but）および酪酸キナーゼ（buk）をコードする遺伝子は、RSの補給により豊富さが増加するはずである。
結論
我々のデータによると、RS タイプ 2 を無修正馬鈴薯澱粉として食事に添加すると、糞中酪酸塩濃度が増加するが、個人差が顕著であることが示された。微生物相の組成を調査することで、これらの差のある効果のいくつかの潜在的な説明を推測することができた。糞便中酪酸塩濃度は、調査集団の一部（n = 20 人中 11 人、湿った糞便 9～15mmol/kg）で平均 67%上昇した。
このグループのほとんどの個体では、RS分解生物であるB. adolescentisまたはR. bromiiの相対的な存在量が劇的に増加した。これらの個体のうち5個体では、顕著な酪酸分解性微生物であるE. rectaleもまたその量が増加していた。
この集団の別のサブセット（20 人中 3 人）では、RS 投与前と投与後の両方で一貫して高い酪酸濃度を維持していた（湿性糞便 12 mmol/kg 以上）。このサブセットでは、RSを分解する生物の量が増加しており、RSが分解されていることを示唆している。
しかし、糞便中の酪酸塩濃度の増加は見られなかった。これらの個体は、RSが投与される前であっても酪酸産生のプラトー効果[36]を経験している可能性がある。実際、これらの個体のマイクロバイオータ構造も、強化群のマイクロバイオータの変化（ANOSIM R = 0.64）と比較して、RSではそれほど変化しなかった（ANOSIM R = 0.17）。
これらの個体のマイクロバイオータは酪酸産生に関しては良好に機能しており、発酵性炭水化物の追加の食事摂取から恩恵を受けていないことを示唆したくなる。我々の研究集団の3番目のサブセット（20人中6人）では、RSを摂取しても酪酸の濃度が一貫して低かった（8mmol/kg以下の湿った糞便）。このグループではRS分解菌の数は増加しておらず，微生物相がRSを分解していないことが示唆された。この結果に基づいて、これらの個体で酪酸を増加させるには、
- (i)イヌリンやアラビノキシランなど、微生物相が分解する可能性のある別の形態の食物繊維を試験するか、
- (ii)食物繊維と適切な食物繊維分解菌を組み合わせたシンバイオティックアプローチを行うか、
- (iii)RS分解菌と拮抗する微生物があれば標的的に除去するか
のいずれかが必要であることを提案する。本研究の知見は、食生活の改変に対する個々の反応を研究することの重要性を示している。これにより、これらの反応の根底にあるメカニズムが明らかになり、やがてマイクロバイオームの精密管理に向けた実用的な洞察が得られることになるだろう。