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トキシコマイクロバイオミクス ヒトのマイクロバイオームと医薬品、食事、環境中の異種生物学的物質との比較

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Toxicomicrobiomics: The Human Microbiome vs. Pharmaceutical, Dietary, and Environmental Xenobiotics

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7179069/

要旨

しかし、ヒトの個人間および個人内の遺伝的変異は、主に外来生物の代謝と解毒の結果を調節することによって、害の程度を調節している。ヒトゲノムプロジェクトでは、宿主の遺伝的、エピジェネティック、および制御的変異は、外来物質代謝における個人間変動の複雑さを十分に説明できないことが明らかになったため、その続編であるヒト微生物プロジェクトでは、この変動がヒトに関連した微生物群集によってどのように影響されるかを調査している。

異生物学的-微生物学的関係は相互にかつ動的である。ヒトマイクロバイオームは、外来生物に対して直接的な代謝能力を持つだけでなく、宿主代謝遺伝子の発現や宿主酵素の活性にも影響を与えることができる。一方で、異生物学的物質はマイクロバイオームの構成を変化させ、生物多様性の異常状態を引き起こす可能性があり、これは複数の疾患や、いくつかの異生物学的物質の毒性の増加を含む健康上の有害な結果と関連している。

Toxicomicrobiomicsは、変化し続けるマイクロバイオーム雲と様々な起源の外来物質との間の相互影響を、その運命と毒性、および微生物の外来物質修飾酵素の様々なクラスに重点を置いて研究している。

本総説では、腸、皮膚、泌尿生殖器、口腔のマイクロバイオームと医薬品、食品由来、環境由来のキセノバイオティクスとの相互作用の例を挙げながら、トキシコマイクロバイオミクスにおける古典的な知見と最近の知見を論じている。毒性マイクロバイオミクス研究の現状と将来の展望を論じ、そのためのツールと戦略を徹底的に批判的に比較している。

キーワード

マイクロバイオータ、マイクロバイオーム、ファーマコマイクロバイオミクス、代謝、二次代謝、シトクロム

Xenobioticsとその代謝

非生物学的物質とは、生物の環境には通常存在しない化学物質のことである。これらは主に合成物質と考えられているが、自然界に存在する化学物質や、通常よりも高濃度に存在する場合や、特定の生物が防御機構として産生する場合、例えば一部の真菌、細菌、さらにはハーブが産生する毒素のようなエンドバイオティクスを含む場合もある(Soucek, 2011)。代謝の観点からは、生物の正常な代謝には外因的な化学物質と定義することができる(Koppel et al 2017)。様々な食物化合物を含む食品、環境化学物質や汚染物質、医薬品などは、人体にとっての異生物学的物質と考えられる(Koppel et al 2017)。

異生物性物質の代謝はそれらの水溶性を増加させ、その結果、体内からの排泄を促進する(Clarke et al 2019)。異生物学的物質の経口摂取は上部消化管に通過し、吸収されたものは肝門脈を介して肝臓に移動し、一般的にファーストパス効果として知られているプロセスである。ヒトの肝臓は、酵素のチトクロームP450(CYP 450)ファミリーを用いて、内因性化合物と外因性化合物の両方を化学的に変換する(Nelson, 2005; Michalopoulos, 2007)。肝代謝には、第Ⅰ相(酸化、還元、または加水分解による活性化)、第Ⅱ相(極性部位への共役化)、第Ⅲ相(化学修飾を伴わない輸送)の3つの段階がある(Soucek, 2011)。代謝・排泄されない異生物学的物質は体内に蓄積され、慢性疾患や炎症を引き起こす可能性がある(Jain et al 2005)。

吸収不良の異生物学的物質は、小腸から大腸へと通過し、そこで腸内微生物の代謝ニッチにさらされる。循環中に放出された代謝物は腎臓で排泄されるか、胆道を通って腸に戻る。これらの代謝物の最終的な運命は、便中に排泄されるか、小腸で再吸収されるかのいずれかである(Koppel et al 2017)。

宿主の遺伝的多様性とトキシコゲノミクス

宿主の代謝酵素の効率は、個人の遺伝的構造に応じて個人によって異なる。一塩基多型(SNP)は、個人が異種生物学的物質や薬物に対して異なる反応を示す理由の一つである(Soucek, 2011)。ファーマコゲノミクスは、個人間の遺伝的不一致(通常はSNP)が薬物に対する反応に与える影響を研究する(Rizkallah et al 2010; Saad et al 2012)。例えば、ウリジン5′-ジホスホ-グルクロン酸転移酵素(UGT)の遺伝的変異は、一部の患者を、より低いグルクロン酸化率のために、NSAIDsやイリノテカンのような特定の薬物の代謝が遅くなるようにしている(Lankish et al 2008;Stingl et al 2014)。

同様に、トキシコゲノミクスは、個人間の遺伝的不一致が毒性物質に対する反応に与える影響を研究する。哲学的に言えば、トキシコゲノミクスとファーマコゲノミクスは、すべての薬物が無毒な用量で使用される毒物とみなすことができることを考えると、1つの現象の2つの現れである(Aziz, 2018)。極端に言えば、パラケルススの古典的な原則に従って、すべての化学物質を毒物とみなすこともできるかもしれない。「Sola dosis facit venenum」(Lt:用量だけが毒を作る(Uppal et al 2016年に引用))。

宿主酵素(特に肝酵素)は可変性があり、異生物学的物質を代謝することができるが、その可変性だけでは、難消化性の異生物学的物質および食事性化合物の生物変換を説明することはできない。ヒトと微生物の化学変換は複雑な交換可能なネットワークを形成しており、その中で相互に影響し合っている(Soucek, 2011)。

マイクロバイオーム

ヒトのマイクロバイオーム 謎に包まれた雲

微生物相とは、ある特定の生物系上に、またはその中に生息するすべての微生物群集のことであり、以前はフローラまたはミクロフローラと呼ばれてた。ヒトの体には、ヒトのコード化遺伝子の少なくとも100倍以上の数の遺伝子を持つ何兆個もの微生物が生息していると推定されている。マイクロバイオームという用語は、他の場所では区別されていないが(Saad er al)。 2012)、マイクロエコシステム(micro.biome)または微生物相とそのメンバーのゲノムの総和(microbial metagenome)を指す。場合によっては、微生物が存在する環境全体を指すこともある(Marchesi and Ravel, 2015)。最後に、マイクロバイオミクスは、「ハイスループット分子技術を用いて微生物群集を研究する」分野と定義されている(Rajendhran and Gunasekaran, 2010)。

ヒトのマイクロバイオームは、生まれた時から生涯を通じて継続的に進化し、健康状態と病気の状態の両方で体に影響を与えている。マイクロバイオーム内の変動は、発生的なものだけでなく、空間的、時間的なものもあり、食生活、ホルモン、ストレス、さらには日周周期にも影響を受けている。この連続的で多次元的な変動性は、個人のマイクロバイオームを雲のようなものにしており、どの時点でも正確な組成や遺伝子プールの不確実性がある(Elrakaiby et al 2014)。

ヒトのマイクロバイオーム。歴史を振り返る

2003年にヒトゲノムプロジェクト(HGP)が終了した後、研究者たちはその予想外の結果に困惑した(Relman and Falkow, 2001)。ヒトゲノムのコード化遺伝子の数は、以前に予想されていたよりもはるかに少ないことが判明したのである。

ヒトゲノムの遺伝的、エピジェネティック、制御的変異は、個体間変動の複雑さとそれに関連した表現型を説明するには十分ではなかった。そこで、ヒトのマイクロバイオームが注目されるようになり、その構成、変動性、機能的な可能性を研究することで、ヒトの表現型の変動の景観や、ヒトの健康、免疫、薬物反応への影響を完全に理解できるようになると期待されている。

 

2008年には、ヒトマイクロバイオームの影響を受ける個人内および個人間の変動性を研究するために、NIHの資金提供によるヒトマイクロバイオームプロジェクト(Human Microbiome Project: HMP)が開始された(Turnbaugh er al)。 このプロジェクトの立ち上げ時の目標は、(i)250人以上の健康なボランティアの複数の体の部位(消化管、口、膣、皮膚)から採取したサンプルを分析することで、現在のハイスループット技術を活用してヒトマイクロバイオームを研究すること、(ii)様々な病状下でのマイクロバイオームの変動性を研究することで、健康と疾病におけるマイクロバイオームの役割を探求すること、(iii)研究コミュニティに最新のデータソース、新しい知見、標準化された技術、技術的アプローチを提供するネットワークを構築することであった。

現在、HMPは第二期(Integrative Human Microbiome Project、iHMP)の段階にあり、特定の健康障害(早産、炎症性腸疾患、2型糖尿病)に焦点を当てて、マイクロバイオームの役割と宿主のマイクロバイオームへの関与と相互作用を理解することを特徴としている。この第二段階では、様々な高度なデータ、査読付き論文、ニュースの特集などが氾濫し、ほぼすべての健康状態におけるマイクロバイオームの役割に取り組み続けている。

マイクロバイオーム研究の盛り上がりと並行して、確立された科学と宣伝が混在することもあるが、特にプロバイオティクス、機能性食品、栄養補助食品の利用など、一握りの応用が活性化され、新しい研究分野が形作られている。

これらのうち、宿主が曝露される化学物質と微生物の相互作用に関連する2つの研究分野が拡大している:ファーマコマイクロバイオミクスは、ヒトに関連する微生物と薬物との相互作用を調査する比較的新しい分野であり(Rizkallah et al 2010)、トキシコマイクロバイオミクスは、トキシコゲノミクスを拡張して異種生物と微生物の相互作用を調査する毒性学の一分野である(Aziz et al 2018)。

健康と疾病におけるマイクロバイオームクラウド

HMPから収集された初期のデータ(Turnbaugh et al 2007)では、異なる体の部位(口腔、皮膚、消化管、および泌尿生殖器管)から採取されたサンプルには、同じ個人に特有の微生物群集が含まれていることが示されていた。驚くべきことに、研究者たちはまた、2人の異なる個体からサンプルを採取した場合、一方の個体の口腔サンプルは、自分の皮膚サンプルよりも他方の個体の口腔サンプルによく似ていることを発見した(Turnbaugh et al 2007)。

人間のゲノムとは異なり、腸内マイクロバイオームは人間の生涯を通じて安定しているとは言い難い。実際には、食生活や異なる外来物質への暴露を含む複数の要因に反応するため、それは常に変化している(Clarke er al)。

人の誕生から成人期を通じて、人間のマイクロバイオームは、多数の要因の影響を受けて無限のサイクルで変化し続けている。出生時には、新生児は体のすべての部分にわたって同じ微生物を持っていることが示されたが、出産の方法に基づいて、最初に獲得した微生物は大きく異なる(Dominguez-Bello et al 2010)。経膣分娩で生まれた赤ちゃんは、腸内細菌叢の典型的なプロファイルと適切な母乳消化サポートとともに、最初の微生物として乳酸菌を持っている。一方、帝王切開で生まれた赤ちゃんは、腸内細菌叢に異常があり、様々な食物アレルギーやその他の疾患(喘息、アトピー性疾患、アレルギー性鼻炎、セリアック病など)の素因があると同時に、最初の微生物としてブドウ球菌を持っている。

また、母乳育児が正常な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ことも研究で明らかにされている。2017年に107組の母新生児ペアを対象に行われた研究では、新生児の腸管内の有益な細菌の30%が母乳育児中の播種によって獲得されることが明らかになった(Pannaraj et al 2017)。2016年の先行研究では、新生児における早期の抗生薬物使用は、微生物の多様性の喪失と、マイクロバイオームにおける耐性遺伝子の早期の過剰発現をもたらすことが実証された(Langdon et al 2016)。

健康な乳児が成長するにつれて、微生物群集は、成人のそれに似たものになるまで、さまざまな身体部位にわたってより多様性を持つようになる。しかし、成人のマイクロバイオーム雲は、年齢、食生活、遺伝子構成、環境要因、生理的変化、心理的変化などの他の要因のために変化し続ける。成人になると、活動頻度や運動性の低下、環境因子への曝露量の低下、慢性疾患などにより、マイクロバイオームは安定した状態になる傾向がある。(Spor et al 2011)。食生活の長期的な変化(Wu er al)。 2011)と極端な短期的な変化(David er al)。 2014)の両方とも、腸内マイクロバイオームを劇的に変化させる。腸-脳マイクロバイオームのコミュニケーション軸は、人の心理的・生理的状態の変化によって影響を受ける(Grenham et al 2011)。

成人期の抗生物質の過剰な使用は、ヒトのマイクロバイオームに不可逆的な変化をもたらすことが判明している(Dethlefsen and Relman, 2011)。前述したすべての要因に加えて、さらに多くの要因(環境要因、生活習慣、衛生面など)が、微生物の多様性の喪失に寄与し、微生物の雲は生物学的に異常な状態に移行する。

健康な体の状態では、ヒトに関連する微生物は、外因性微生物から体を守り、それに対する非特異的な免疫反応を誘発する(防御効果)、人体に必要な必須代謝物を産生する(生産効果)、食物や外来物質の消化・代謝を助ける(消化・代謝効果)など、有益な役割を担っている。微生物相は、共生または共生の状態にあるといわれている。一方、病的な身体の状態は、微生物の共生異常への移行が先行する。腸内環境の異常では、異なる微生物間のバランスが乱される。多くの場合、常在菌や日和見性微生物が水平遺伝子移入(HGT)を介して病原性微生物に転換したり、臓器のバリアが壊れることで無菌状態の体の一部に細菌が感染したり、免疫不全の患者を利用して日和見性微生物が病気を引き起こすことがある(Petersen and Round, 2014)。

過去10年間にいくつかの研究で、マイクロバイオームの変動と様々な健康上の有害な転帰との間の関連性が記述されている。マイクロバイオームは、軽症から炎症性および変性疾患(例えば、肥満(Maruvada et al 2017)、炎症性腸疾患(Kostic et al 2014年;Moustafa et al 2018)、ステージ4のC型肝炎(Aly et al 2016)、および様々な癌(Elinav et al 2019)に至るまでの多様な疾患の発症に関連している。このような関連性が報告されている場合、因果関係の問題が提起されている:マイクロバイオームの変動が疾患の因果関係に役割を果たしているのか、あるいは単に健康上の有害な転帰のバイオマーカーとして使用され得る関連性に過ぎないのか(Maruvada et al 2017; Rosato et al 2018)。例えば、因果関係は、炎症性腸疾患(Moustafa et al 2018)および大腸がん(Tjalsma et al 2012;Scott et al 2019)において実証されている。

いずれの場合も(相関性または因果関係)、微生物主導のバイオマーカーは貴重な診断法である。単なる相関性の場合には、これらのバイオマーカーは、特定の健康上の有害な転帰への曝露の兆候であるが、因果関係が立証される場合には、マイクロバイオームバイオマーカーは予測価値がある(例えば、大腸がんの予測因子としてのFusobacterium nucleatum(Kostic et al 2013;Rubinstein et al 2013)およびシグネチャー微生物代謝物(VipperlaおよびO’keefe、2016))。

微生物主導のゼノバイオティクス代謝

膨大な多様性を持つヒトのマイクロバイオームは、宿主の代謝能力をも凌駕する強力な代謝能力を持っている。特にヒトの腸内マイクロバイオームは、食事性化合物から医薬品原料に至るまでの異種生物の生物変換能力を持っている。マイクロバイオームは、異生物性物質の半減期、人体に対する潜在的な生物学的影響、および異生物性物質が血液循環またはその生物学的標的/受容体に到達する速度と程度を変化させることができる(Koppel et al 2017)。異生物学的物質が吸収不良で宿主の小腸から大腸へと通過しても、排出タンパク質のいずれかに結合しても、循環に吸収されても、何らかの段階で微生物相およびその酵素に曝されることになる(Hall et al 1999)。異生物性物質が吸収されないか、またはタンパク質との結合が多ければ多いほど、腸内に長く存在し、変動する微生物酵素にさらされることになる(Hall et al 1999)。微生物酵素は、プロドラッグを活性化し、薬物を不活性化し、または他の薬物の毒性を増加または緩和し得る(Spanogiannopoulos et al 2016;KuntzおよびGilbert、2017;WilsonおよびNicholson、2017)。腸内マイクロバイオームはまた、外来生物学的物質または薬物を代謝する宿主の能力に間接的に影響を与える可能性がある(Koppel et al 2017)。

腸内微生物叢の代謝酵素能力は、微生物による異生物学的代謝が宿主の生体内変換とは時に逆になる程度に、宿主の代謝能力とは明確に区別される。宿主の酵素は主に酸化と共役を行うが、微生物の酵素反応は主に還元と加水分解である(Spanogiannopoulos et al 2016; Wilson and Nicholson、2017)。脱メチル化は、宿主と微生物の外来生物代謝の間の不一致の別の例である:宿主の脱メチル化が外来生物を体外に排泄されるためにより極性の高いものにするのに対し、微生物にとっては、脱メチル化は、さらなる成長および分裂のための炭素源を生成する(Sutton et al 1997;熊野 et al 2016)。

ヒト腸内の微生物酵素レパートリーは複雑であり、β-グルコシダーゼ、β-グルクロニダーゼ、アリールスルファターゼ、アゾレダクターゼおよびニトロレダクターゼなどの発散性酵素タイプから構成されている(表1)。ヒトのマイクロバイオームは、個人内の微生物タイプの多様性だけでなく、微生物酵素が種によって配列、活性、および豊富さが異なるため、個人間変動に寄与している(Spanogiannopoulos et al 2016;WilsonおよびNicholson、2017)。

表1 マイクロバイオームにコードされているいくつかの腸内細菌酵素ファミリーとそのXenobioticsへの影響

微生物酵素/酵素ファミリーのゼノバイオティクスへの影響 参考文献

  • β-グルコシダーゼ 植物のグルコシド中の糖部分を加水分解する (Dabek et al 2008)
  • β-グルクロニダーゼ ポリサッカライドや薬物代謝物からグルクロン酸成分を加水分解する(Pellock er al)。
  • スルファターゼは、第II期宿主代謝の硫酸エステルを分解する(Ulmer et al 2014年
    アゾレダクターゼがアゾ染料を減らす(Misal and Gawai, 2018
  • ニトロレダクターゼ 極性代謝物が少なくなり、より毒性の高い代謝物や不活性な代謝物が生成される(Swanson, 2015
  • プロテアーゼ ポリペプチド鎖を加水分解する(Tozaki er al)。
  • グリコシダーゼ 分子の極性を低下させる (Saitta et al 2014)
  • C-S β-リアーゼは細菌の増殖のためにアンモニアを生成する(Rossol and Puhler, 1992)
  • トランスフェラーゼ メチル基またはアシル基をトランスファーする(Koppel et al 2017年

加水分解、リアーゼ触媒による結合の切断、還元、および基の移動は、腸内微生物酵素が触媒することができる化学反応の一部である(Koppel et al 2017)。微生物加水分解酵素としては、グリコシダーゼ、プロテアーゼ、スルファターゼなどが挙げられる。グリコシダーゼは、水を用いてグリコシダーゼ結合を切断して糖を放出する(Kallemeijn er al)。 異生物学的分子は、極性が低くなり、その結果、ジクロフェナクやケトプロフェンのような非ステロイド性抗炎症薬に見られるように、ヒトの体内での半減期が長くなり、毒性が増す可能性がある(Saitta et al 2014)。プロテアーゼは、異なる特異性でポリペプチド鎖のアミノ酸間の結合を切断する(Tozaki er al)。 第II期宿主代謝は、スルファターゼによって分解される硫酸エステルをもたらす(Ulmer et al 2014)。

酸素も水も必要としない結合開裂は、リアーゼによって触媒される。微生物のC-S-β-リアーゼは炭素-硫黄結合を切断し、生成されたアンモニアは細菌の成長のための栄養源となる(Rossol and Puhler, 1992)。還元は、有害物質をより少ない極性にするか、または薬物をそれらの不活性または活性形態のいずれかにするような宿主代謝メカニズムに対抗する役割を果たしている(PeppercornおよびGoldman、1972; Lavrijsen et al 1995; Haiser et al 2013)。メチル基またはアシル基は、微生物トランスフェラーゼ酵素によって、キセノバイオティクスからまたはキセノバイオティクスに移行される(Koppel et al 2017)。例えば、5-アミノサリチル酸のアシル化は、薬剤の不活性化をもたらす(Delomenie et al 2001)。

腸内微生物叢の存在または非存在は、宿主代謝酵素に対する微生物代謝物の競合を介して、またはこれらの酵素の発現の変化を介して、宿主代謝酵素の調節に間接的な影響を与え得る。潔癖症マウスを通常のマウスと比較して研究したところ、活性アンドロステイン受容体を含む肝酵素遺伝子の発現は、潔癖症マウスではアップレギュレーションされていた(Bjorkholm et al 2009)。マウスのCYP3A(チトクロームP450ファミリー3サブファミリーA)の発現レベルは、シプロフロキサシン抗生物質の投与により低下した。この発現低下は、腸内細菌がリトコール酸を合成していることに起因しており、このリトコール酸がCYP発現に影響を与えると考えられていた(戸田 et al 2009)。無菌マウスでは、ヒトCYP3A4のマウスホモログであるCYP3a11の転写および翻訳が有意に減少した。しかし、CYP1a2およびCYP4a14の両方の遺伝子発現は、無発芽マウスにおいて上昇した(Selwyn et al 2016)。

エレミシンは、食品および栄養補助食品に組み込まれた精油成分であり、CYP1A2(マウスCYP1a2のヒトホモログ)による活性化に伴い、より潜在的な細胞毒性代謝物に変換される(Wang et al 2019)。CYP1A2は、テオフィリン、精神障害薬、ワルファリン、および他の抗がん剤としての強力な薬物に影響を与える(Wishart et al 2018)。CYP4a14は、アラキドン酸および脂肪酸代謝に主に関与し、非アルコール性脂肪性肝疾患の予後に重要な役割を果たす可能性があるヒトCYP4Aのホモログである(Zhang et al 2017b)。グルタチオンペルオキシダーゼ、スルホトランスフェラーゼ、エポキシドヒドロラーゼ、およびN-アクテートランスフェラーゼなどの宿主解毒酵素のいくつかの遺伝子発現調節は、腸内細菌の不在によって影響を受けることが示された(Meinl et al 2009)。

腸内細菌由来のステロイドホルモンの代謝物、食事性タンパク質分解物または生薬の尿毒症溶質、または胆汁酸は、CYP3A4発現を低下させる可能性がある(Bjorkholm et al 2009; Devlin et al 2016)。CYP3A4が低いと、複数のCYP3A4依存性薬物、例えばエリスロマイシンおよびベラパミルのクリアランスが低下し、それらの作用および副作用に影響を及ぼす(Barnes et al 2014)。

医薬用ゼノバイオティクス

医薬品の使用は、過去数十年間で間違いなく増加傾向にある。ヒューマンデータサイエンスのIQVIA Instituteが発表した「医薬品の世界使用状況」レポートによると、医薬品の世界市場は2018年に1兆2,000億ドルに達し、2017年から1,000億ドル増加している(The Iqvia Institute, 2019)。市販の医薬品を提供する薬局がいたるところにあり、慢性疾患の患者が増加していることから、医薬品を利用することは私たちの日常生活に欠かせないものとなっている。医薬品の人体への影響は古くから研究されていたが、最近ではマイクロバイオームの重要性が再認識され、医薬品とマイクロバイオームの相互作用に関する研究結果が出てきている。

これまでに確立されているように、体の異なる部位(口腔、皮膚、消化管、泌尿生殖器管)には、それぞれが異なる方法で医薬品と相互作用する(医薬品に影響を与え、影響を受ける)ユニークな微生物群集が存在している(Turnbaugh et al 2007)。いくつかの相互作用は、活性の増加または減少につながることがあるが、他のものは、医薬品の有害物質の毒性の増加をもたらすことになる(表2)が、これはトキシコマイクロバイオミクスの範囲に該当する。

表2 キセノバイオティクス-微生物相互作用(医薬品毒性微生物相互作用)に起因する有害作用/毒性。

異生物学的微生物効果リファレンス

  • カルボプラチン Prevotella copri ラットモデルでは、嫌気性P. copriを標的としたメトロニダゾール処理後、カルボプラチン誘発性腸粘膜炎が減少した。 (Yu et al 2019)
  • ドキソルビシン 腸内マイクロバイオータ ドキソルビシン誘発性粘膜炎では腸内マイクロバイオータが大きな役割を果たしていることが明らかになった。腸内細菌叢を標的にするとダメージが減少した。 (Rigby et al 2016)
  • イリノテカン 腸内細菌叢 SN-38G(イリノテカン薬理活性誘導体)の腸内でのβ-グルクロニダーゼによる脱コンジュゲーションは腸毒性を示した(Takasuna er al)。 (Takasuna et al 1996)
  • 5-フルオロウラシル 腸内細菌叢 5-FUを投与したラットモデルでは、腸内細菌叢とムチン分泌に有意な変化が見られた。これらの変化は、5-FU誘発性粘膜炎の発症に寄与した。 (Stringer et al 2009年)
  • アセトアミノフェン 腸内細菌叢 p-クレゾール(すべての個体に均等に存在するわけではないいくつかの腸内細菌叢によって産生される)のレベルが上昇すると、o-スルホン化代謝でアセトアミノフェンと競合し、アセトアミノフェンの毒性が増加する。 (Clayton et al 2009年)
  • 腸内嫌気性細菌によるソリブジンの加水分解により、5-(E)-(2-ブロモビニル)ウラシルの血中濃度が高くなり、化学療法中の5-フルオロウラシルの濃度と毒性が上昇する。 (Nakayama et al 1997)
  • Cycasin 腸内細菌叢 Cycasin の腸内微生物による加水分解は、肝毒性および発がん性のあるメ チラゾキシメタノールをもたらした。 (Spatz et al 1967)
  • インドメタシン結膜菌 経口NSAIDであるインドメタシンと腸内細菌との相互作用により、腸管粘膜の損傷が生じた。 (Basivireddy et al 2005年)
  • ニトラゼパム Clostridium leptum ニトラゼパムのクロストリジウムニトロレダクターゼ酵素による還元が妊婦に催奇形性をもたらすことが報告されている(Rafii er al)。 (Rafii et al 1997)
  • オキサリプラチン 腸内マイクロバイオータ 腸内マイクロバイオータはオキサリプラチン誘発性の機械的痛覚過敏に関与しており、これは細菌を含まないマウスおよび抗生物質で前処理したマウスで減少することが示された。 (Shen et al 2017)
  • L-カルニチン 腸内微生物叢 L-カルニチンは腸内微生物叢によってトリメチルアミン(TMA)に代謝され、肝臓でさらに代謝されて有毒代謝物TMA-N-オキシド(TMAO)を生成し、動脈硬化や心血管疾患のリスクを増加させる。 (Koeth et al 2013)

腸マイクロバイオーム

先に定義したように、人体最大の微生物群集である腸内微生物叢は、1,000種類以上の細菌(ほとんどの場合、BacteroidetesとFirmicutesが二大菌叢)を含む数兆個の微生物(細菌、古細菌、微小胞体)が存在し、300万個以上の遺伝子を持っている。腸内細菌叢は個人ごとに特徴があり、そのうち3分の1は人によって共有されていると言われている。腸内マイクロバイオータに関する研究は、ヒトのマイクロバイオームに関する出版物全体の80%以上を占めており(Cani, 2018)、これは、ヒトの健康における腸内マイクロバイオータの役割の重要性と、その分野における研究の活発化の両方を反映している。

薬物薬理学および毒性のマイクロバイオーム主導の調節の古典的な事例は、Eggerthella lentaのいくつかの系統による心臓配糖体であるジゴキシンの減少であり、その結果、代謝、濃度および毒性が変化した(Haiser et al 2013)。この差異的な減少は、ジゴキシン代謝における北米人と南インド人の間でのジゴキシン代謝の変動性についての以前の報告を説明するものである(Mathan et al 1989)。もう一つの古典的なケースは、鎮痛、解熱、弱い抗炎症薬であるアセトアミノフェン(表2)の場合である。アセトアミノフェンの個人間での変動する毒性は、一部の腸内細菌によって産生され、肝臓でアセトアミノフェンのオースルホン化と競合するp-クレゾールの量の変動によるものである(Clayton et al 2009)。現在のガイドラインでは、アセトアミノフェンの投与前にマイクロバイオーム活性を評価することが推奨されている。

H2ブロッカーであるラニチジンは、N-オキシド結合を切断する能力を持つ腸内細菌の存在に応じて、異なる方法で分解されることが判明した(Basit and Lacey, 2001)。インスリンは、同化ホルモンであり、ペプチド医薬品であるが、腸内細菌によって生成されるタンパク質分解酵素によって分解され、効果がないことが明らかになった(Tozaki et al 1997)。抗糖尿病薬であるメトホルミンは、腸に基づく薬理作用により、非経口よりも経口の方が効果的であることが判明した(Napolitano et al 2014)。

皮膚マイクロバイオーム

人間の皮膚は最大の身体器官であり、それはその関連する微生物群集とともに身体の自然免疫において重要な役割を果たしている。皮膚微生物群は19以上の主要な菌叢を有し(Grice et al 2009)、病原体から人体を防御している。これらの防御機構には、抗菌ペプチドの放出、pHの維持、利用可能な栄養資源を求めて病原体と競合することが含まれる。

環境との直接の接触により、皮膚微生物叢は継続的に環境中の有害物質と相互作用し、その結果、環境中の有害物質に適応している。最近の研究では、皮膚微生物叢に対する局所的な外来物質の役割が明らかにされている。例えば、乳児を対象とした研究では、エモリエント剤は皮膚pHの低下をもたらし、ストレプトコッカス・サリバリウスの細菌の豊富さ、多様性、および豊富さを増加させ、アトピー性皮膚炎の治療を改善するように思われることが明らかになった(Glatz et al 2018)。キトサンは、免疫調節性および抗菌性を有する天然のバイオポリマーである。コーティングテキスタイルにキトサンを含有させることは、皮膚のブドウ球菌群集を調節することにより、アトピー性皮膚炎の重症度を低下させる可能性がある(Lopes er al)。 さらに、アトピー性皮膚炎におけるコールタールの局所治療は、皮膚上の黄色ブドウ球菌の豊富さを減少させ、プロピオニバクテリウムのそれを増加させ、マイクロバイオームをより健康的な状態にシフトさせることが判明した(Smits et al 2019)。

泌尿器系マイクロバイオーム

女性の泌尿器系は、微生物の増殖を抑制する尿素量、尿による病原体の機械的な洗い流し、膣乳酸菌から分泌される乳酸と過酸化水素の結果、正常な状態では無菌状態にある。

他の身体部位と同様に、尿路性器の微生物群は医薬品の外来生物学的物質と相互に作用している。例えば、HIVの治療に使用される抗ウイルス剤であるテノホビルは、アフリカの女性において、Gardnerella vaginalisおよび他の嫌気性細菌によって代謝的に枯渇することが判明した(Klatt et al 2017)。併用経口避妊薬は、健康な乳酸菌による膣のコロニー化の増加と関連し、別の研究では細菌性膣炎関連分類の減少と関連していることが示された(Brooks et al 2017)。避妊リングは、膣内乳酸菌の増殖を促進し、Gardnerella vaginalisおよびAtopobium vaginaeの豊富さを減少させることで、アフリカの女性における細菌性膣症の重症度を減少させることが示された(Crucitti et al 2018)。

口腔内マイクロバイオーム

口腔内の微生物群集が日常的に口腔内マイクロバイオームに影響を与え、変化させる飲食や喫煙の習慣に常にさらされていることから、口腔内マイクロバイオームと外来生物学的物質との相互作用が長年研究されてきた。

最近の研究では、銀、二酸化チタン、および鉄のナノ粒子は、他のナノ粒子含有溶液、抗生物質、およびクロルヘキシジンと比較して、ストレプトコッカス・ミュータンスおよびストレプトコッカス・サンギニスのような虫歯原因菌に対して最も低い抑制性および抗生物質濃度を有することが明らかにされた(Lavaee et al 2016)。インプラント周囲炎におけるヒアルロン酸治療は、コロニー化細菌の豊富さを減少させることにより、疾患の重症度を低下させることが見出された(Soriano-Lerma et al 2019)。ストレプトコッカス・ミュータンス菌の増殖に対するアビエチン酸の抗菌・抗バイオフィルム活性は、う蝕に対する潜在的な保護手段として認識されていた(伊藤 et al 2019b)。注目すべきは、銀ナノ粒子は、粘膜および腸内マイクロバイオームとの複雑な相互作用を有することである(Bi et al 2020年にレビューされている)。

食品添加物と食事性ゼノバイオティクス

食糧は、人間の身体が成長し、発達し、日常活動を行うためのエネルギーや栄養素の源である。世界の人間の人口は時間の経過とともに増加しており、継続的な食糧資源に対するニーズは増加の一途をたどっている(Eshel et al 2014)。このような大きな需要に伴い、人々はライフスタイルの急速なペースに追いつくために、より多くの加工食品や人工的な製品を食事に取り入れている。腸内微生物叢の酵素予備群は、天然、加工、または人工物由来の食物化合物を代謝し、それらの代謝産物を炭素またはエネルギー源として利用する際に極めて重要な役割を果たすことが証明されており、微生物叢自体だけでなく、ヒト宿主にとっても重要な役割を果たしている(Sharon er al)。

食品の調理または加工は、多環芳香族炭化水素、複素環式アミン、ニトロソアミンなど、生の食品に元々存在しない望ましくない外来生物を放出する可能性がある(Nogacka et al 2019)。前述の異種生物学的物質の遺伝毒性の結果は、ヒトと微生物の遺伝物質の両方にとって表裏一体である(Nogacka et al 2019)。腸内マイクロバイオームは、これらの有害物質をより毒性の低い化合物に生物変換するか、またはそれらの排泄を促進することにより、これらの有害物質の発がん性および遺伝毒性の影響から保護する可能性がある(Vanhaecke et al 2008; Carmody and Turnbaugh、2014)。一方、腸内微生物はまた、複素環式アミンを、例えば、ジェノトキシンに変換するか、または宿主の代謝によって暗示される解毒を逆にすることもある(Kassie et al 2001)。赤肉調理中に生成される複素環芳香族アミンの一つであるMeIQx(2-アミノ-3,8-ジメチルイミダゾ[4,5-f]キノキサリン)は、大腸癌と関連していると考えられている。腸内微生物は、MelQxを大腸細胞への毒性や変異原性が低いMelQx-M1に変換することができるため、がんの可能性を減らすことができる可能性がある(Zhang et al 2017a)。これらの多様で時に矛盾する効果の結果は人によって異なり、動物モデルおよび試験管内試験(in vitro)システムでのさらなる研究では、これらの化学物質の混合物に対する異なる微生物群集の効果に対処すべきである。

別の面では、腸内マイクロバイオームは、E171や二酸化チタンなどの食品添加物によって悪影響を受ける可能性がある。大腸上皮の無傷性に対するE171の影響を観察するために実施された最近の研究では、E171が腸内細菌によって産生される代謝物を変化させ、バイオフィルムの形成を助けることが示された(Pinget et al 2019)。粘液層の厚さや上皮の透過性のアンバランスは、大腸炎や大腸がんの発症に関与している(Kim, 2014)。

現在、ノンカロリーの人工甘味料は、はるかに少ない、またはゼロカロリーで甘い味を与えるために消費されている。ある実験では、サッカリン、スクラロース、またはアスパルテームをマウスの飲料水に投与した。その結果、マウスは、明確に変化した微生物組成物を有する著しいグルコース不耐症を開発した(Suez et al 2015)。齲蝕から保護するために使用される別の食品添加物であるキシリトールは、マウスの腸内微生物叢を変化させることができ、特に、バクテロイデテス属を減少させ、フィルミキュートス属およびプレボテラ属を富化させる(Uebanso et al 2017)。安息香酸は、細菌や真菌の増殖を防ぐために食品に添加される防腐剤である。食事およびサプリメントの安息香酸は、豚の腸内の乳酸菌および大腸菌を減少させることが証明された(Mao et al 2019)。カルボキシメチルセルロースやポリソルベート-80などの乳化剤は、マウスの微生物異常を引き起こし、メタボリックシンドロームの原因の一つである低悪性度炎症を促進した(Chassaing et al 2015)。

環境化学物質と汚染物質

環境汚染物質や化学物質は、人々の身の回りになくてはならないものとなっている。これらの化合物の安全性や毒性を考える上で、微生物の酵素が半減期や動態を変化させる可能性があるため、微生物を含めることが必要になってきている(Koppel et al 2017)。メラミンは、接着剤、塗料、テーブル、人工木材の製造のための原料として使用されている。メラミンの痕跡は、メラミン工場の近くの土壌や廃水から発見された(Wang et al 2014a)。2008年には、メラミンの毒性により、腸内微生物がメラミンをシアヌル酸に変換したことが原因で、小児の死亡につながった。後者の形態は、腎臓で沈殿して腎臓結石を引き起こす不溶性複合体であり、Klebsiella terrigenaによって、Pseudomonas spp. 菌株A(NRRL B-12227)、Rhodococcus corallinus(NRRL B15444R)、Klebsiella terrigena DRS-1(ATCC 700372)、Rhodococcus sp.菌株Mel、Nocardioides sp.菌株ATD6、および新規細菌CY1またはMelaminivora alkalimesophila gen. sp. nov(Zheng et al 2013; Wang et al 2014b)。

ハロゲン化化合物は、農薬、医薬品、漂白剤、消毒剤として農業で使用される化学物質の別のクラスである。ハロゲン化合物は腸内マイクロバイオームに悪影響を及ぼし、FirmicutesとBacteroidetesの比率を異生物学的なものに変化させ、その結果、人間を肥満や免疫システムの障害にさらすことになる。腸内マイクロバイオームは、オルガノハロゲンのためのニトロ還元的代謝および還元的脱ハロゲン化が可能である(Atashgahi et al 2018)。これらの化合物の一つである2,4-D(2,4-ジクロロフェノキシ酢酸)は、世界中で最も一般的に使用されている除草剤の一つである(Peterson et al 2017)。それは、植物のホルモン経路を混乱させ、最終的には植物の死につながる。したがって、それは農業や家庭での雑草の制御に使用されている。マウスの腸内細菌叢に対する2,4-Dの影響を観察するための研究では、2,4-Dを処理したマウスでは、職業用量曝露でジスビオーシスの状態が観察された。腸内細菌叢の異常は、αの多様性や豊富さといった分類学的レベルだけでなく、微生物代謝経路や代謝物にも強く現れていた。影響を受けた微生物代謝経路の中には、尿素、アミノ酸、炭水化物の代謝があった(Tu et al 2019)。

ポリ塩化ビフェニル(PCBs)は、その毒性のために1977年に禁止されたにもかかわらず、現在でも環境中に存在している(疾病対策予防センター(CDC)、2009)。PCBへの曝露は主に摂取によるものであり、特に小児では神経学的機能や行動の障害につながる可能性がある(Rude et al 2019)。動物実験では、マウスの2つのグループ、野生型のグループと、RyR1遺伝子とFMR1遺伝子に変異があるグループにPCBを暴露した。PCBは、特に遺伝子変異を持つグループでは、子孫にジスビオシスの状態、炎症状態の増加、およびより透過性のある胃腸関門を引き起こした。後者のグループはまた、神経行動発達の欠陥を発症する傾向が強かった(Rude et al 2019)。

興味深いことに、妊娠中の母親のマイクロバイオーム組成は、胎児の腸内細菌群集の変動にもつながるPCBへの曝露時に変化する(Laue et al 2019)。その場合、PCBへの胎児の暴露は、オーダーBacillalesと家族Propionibacteriaceae、彼らの出生後8年まで続いたシフトに向かって子供のマイクロバイオームをシフトした(Laue et al 2019)。

環境曝露、個々の遺伝子メイク、およびヒトの健康に対する腸内マイクロバイオータ異常の複合力を強調する別の例は、有機リン酸系殺虫剤クロルピリホス(CPF)の影響である。アポリポタンパクE(APOE)遺伝子型が異なるマウスモデルにおいて、出生後にCPFを投与したところ、曝露後に明確な分類学的パターンが観察された。APOE遺伝子型とCPF曝露は、脳内の短鎖脂肪酸の種類に多様な影響を与えた(Guardia-Escote et al 2020)。腸と脳の短鎖脂肪酸の間には以前に相関関係が確立されており、脳機能への影響が観察されていた(Sun er al)。

グリホサートは、世界中で使用されている除草剤として使用されている(Green, 2018)。単独または組み合わせであるかどうかにかかわらず、グリホサートは、その2つの主要な菌叢、BacteroidetesとFirmicutesの豊富さをシフトすることにより、腸内微生物ニッチを大幅に変更する。その結果、脳の可塑性、母性行動、子育てに影響を与える(Dechartres et al 2019)。

微生物によるアミノ酸および炭水化物の処理の混乱は、宿主のアミノ酸および炭水化物代謝のバランスのとれた状態に影響を与え、2型糖尿病または肥満などの代謝性疾患に寄与する可能性がある(Flint et al 2008年;Neis et al 2015)。一方、微生物ウレアーゼ活性は、潰瘍や胃癌などの消化管疾患と関連している(Mora and Arioli, 2014)。

ヒ素は自然界に存在する金属ロイドであり、特にその無機物の形態では人間の健康に有害な影響を及ぼす。それは、肺、腎臓、肝臓、皮膚、膀胱のための潜在的な癌の原因となる化学物質である。また、心血管系、神経系、免疫系の機能に悪影響を及ぼすことが証明されている(Naujokas et al 2013)。マウスを用いて行われたヒ素代謝における腸内細菌叢の役割の調査では、腸内細菌叢の異常がヒ素負荷の増加と一炭素代謝の促進を介したヒ素の毒性効果を増強することが示された。しかし、バランスのとれた腸内微生物叢はヒ素を吸収し、そのメチル化を促進する(Chi er al)。 また、腸内細菌叢の異常は、p35シグナル伝達に関与する一部の遺伝子や肝細胞癌の発生に関与する多くの遺伝子の発現を変化させる可能性がある(Chi et al 2019)。ヒ素はそれ自体が腸内微生物群集を撹乱する可能性があるが(Lu et al 2014)、Bacteroides、Clostridium、Alistipes、Bilophila、および他の細菌属はヒ素をメチル化することができ、それらのゲノムにコードされた複数のヒ素抵抗性遺伝子のおかげでヒ素への曝露を生き延びることができる(Yin et al 2015; Yu et al 2016)。

カドミウムと鉛は、分解されず、生態系に蓄積する傾向のある無機重金属である(Daisley er al)。 これらは、汚染された食品、水、さらには呼吸器系で除去された粒子を摂取することで人体に侵入する(Satarug et al 2003)。農薬、肥料、鉛を含む配管の腐食、鉱業、鉛電池、石炭の燃焼は、鉛およびカドミウム汚染の異なる発生源である(Wuana and Okieimen, 2011; Li er al)。 カドミウムへのヒトの暴露は、高血圧、糖尿病、心筋梗塞、および腎機能の障害を引き起こし、その結果、ミネラルの恒常性のバランスを崩す可能性がある(Satarug et al 2010)。鉛は、神経系の神経伝達物質に影響を与え、ミトコンドリアのカルシウムを阻害することで神経毒性を引き起こし、それ故に酸化ストレスとミトコンドリア死を増加させる可能性がある(Mason et al 2014)。ラクトバチルス・ラムノサスGR-1は、重金属を結合または隔離し、その結果、糞便中のそれらの排泄を改善することによって、ヒトの曝露を最小限に抑えることが示された(Daisley et al 2019)。その結果、乳酸菌は、重金属への曝露およびヒトの健康に対するその重大な負の可能性を減少させるための安全で費用対効果の高い解決策と考えられている(Daisley et al 2019)。

アゾ化合物は、製薬、繊維、食品、化粧品の製造において広く使用されている。アゾ化合物は、ヒトDNAの突然変異、アレルギー反応、および癌を引き起こす可能性がある(Gičević et al 2020)。腸内微生物は、アゾ染料を代謝するためのアゾレダクターゼ酵素を発現している。アゾ還元菌としては、クロストリジウム属、シュードモナス属、バチルス属、ゲオバシラス属、リシニバシラス属、エンテロコッカス属、ユーバクテリウム属、エシェリヒア属が挙げられる(Misal and Gawai, 2018)。Escherichia coli、Enterococcus faecalis、Enterococcus avium、およびBacillus cereus/thuriengensisは、最近、可変のアゾレダクション率を有するヒトの便サンプルから分離された(Zahran et al 2019)。

トリクロカルバン(3,4,4,9-トリクロロカルバニリド、TCC)は、歯磨き粉やハンドソープなどのパーソナルケア製品に含まれる抗菌成分である(Halden et al 2017)。最終的には、難分解性の非分解性有機汚染物質として廃水を介して環境に統合される(Petrie et al 2015)。TCCは最近、低用量TCC曝露ラットにおいて、腸内微生物組成をFirmicutesとLactobacillus taxaの増加とBacteroidetesの減少にシフトさせることが示された。微生物代謝レベルでは、TCCは短鎖脂肪酸濃度を増加させ、細菌の発酵を促進したことが示唆された。これらの変化は、直接的または間接的に肝臓による脂肪酸の合成に役割を果たしている(Poole et al 2016)。

トリクロサン(5-クロロ-2-(2,4-ジクロロフェノキシ)フェノール、TCS)は、化粧品および玩具を含む個人使用製品に添加される別の広汎な抗菌剤である(Halden、2014;Poule et al 2016)。マウスを対象とした最近の研究では、TCSは、ビフィズス菌などの有益な腸内微生物叢に影響を与えた。また、TCS治療は、従来飼育されていたマウスで大腸の炎症を引き起こし、腸内細菌叢がTCSによって引き起こされた炎症に役割を果たしているという証拠を支持している(Yang et al 2018)。

トキシコミクスの研究

ツールと技術

毒物マイクロバイオミクスやファルマコマイクロバイオミクスを研究するためのツールは、様々なレベルでマイクロバイオームを解読するために使用される一般的なツールと変わらない:その分類学的およびゲノム構成、遺伝子の内容、機能的な可能性、その遺伝子の実際の発現(RNAまたはタンパク質レベルでの)、そして最終的には微生物由来の代謝物によって反映される実際の機能である。このように、アンプリコンシークエンシング、ショットガンマイクロバイオームシークエンシング、メタゲノミクス、メタトランスクリプトミクス、メタプロテオミクス、メタボロミクス、メタボノミクスによるマイクロバイオームプロファイリングは、すべて外来生物-微生物相互作用の解析に有効なツールです(表3)。

表3 トキシコミクス研究で使用されるオミックスのツールと技術

原文参照

新規異生物学的・微生物学的相互作用の発見のための実験戦略

上述の「オミックス分析技術」(表 3)を用いて、新たな毒性微生物学的相互作用を発見するための系統的な研究を実施する必要がある。これらの研究のための戦略は、例えば、生分解能力を有する微生物および酵素を発見しようとする環境メタゲノムアプローチ(Sayed et al 2014;Bouhajja et al 2016;NgaraおよびZhang、2018)、またはファーマコマイクロバイオミクス発見方法論(Bisanz et al 2018)からの恩恵を受けるべきである。顕著な例は、特定の薬物-細菌相互作用を検出し、薬物-宿主相互作用から分離するための最近のハイスループットシステマティックファルマコマイクロバイオミクススクリーニングである(例えば、Zimmermann et al 2019a; Zimmermann et al 2019b)。全体的に、(湿潤な)実験室と計算(in silicoアプローチ)を組み合わせた実験戦略は、培養に基づく戦略、配列決定に基づく戦略、機能的スクリーニングに基づく戦略、および革新的なハイブリッド戦略に分類され得る。

培養に依存しないシークエンシングベースの方法

  • アンプリコンシーケンシング。マイクロバイオームプロファイルを決定するためにアンプリコンシーケンシングを使用することは、異なるin silico機能予測ツール[例えば、PICRUST (Langille et al 2013)やFishTaco (Manor and Borenstein, 2017)]と連携しているが、分類学的マーカーからの機能予測の信頼性は依然として限られている(表3、制限事項)。一連の分類群が外来生物代謝物として予測されると、それらはバイオマーカーとして、また、さらなる培養ベースまたはハイブリッドアプローチ(各分類群の代表的なものに焦点を当てたシステムベースまたは還元主義的な研究、またはそれらの組み合わせ)のターゲットとして提案することができる。
  • ショットガンメタゲノミクス。ショットガン配列決定は、酵素および経路[例えば、生合成または生分解オペロン(Mohamed et al 2013;Ziko et al 2019)]の配列ベースの発見という利点を提供する。心臓グリコシド分解遺伝子座の発見は、ほとんどがショットガンおよびメタトランスクリプトーム配列解析に基づいていた(Haiser et al 2013)。この戦略は、遺伝子および経路の同定だけでなく、密接に関連した遺伝子バリアントを決定することができるという、遺伝子レベルでの解析の利点を持っている。しかし、すべてのDNAベースの方法と同様に、配列決定された遺伝子がサンプリングされた環境で発現したことがないという保証はなく、研究者を誤解させる可能性がある。例えば、口腔内マイクロバイオームから配列決定された新規な解毒酵素をコードする遺伝子は、そのコードされた酵素が特定のpHまたは塩濃度で作用することを示唆しているかもしれないが、実際の酵素は口腔内では発現していない可能性があり、したがって、バイオレメディエーションの価値がないかもしれない。
  • PCRライブラリー。ここでは、すべてのメタゲノムDNAを配列決定する代わりに、所望のタンパク質(例えば、酵素、抵抗因子、排出ポンプ)をコードする遺伝子ファミリーのメンバーを増幅するためのプライマー(多くの場合、変性)を用いてDNAを増幅する。生成されたPCR産物は、次いで抽出され、ライブラリー(通常はプラスミドライブラリー)を構築するために使用され、増殖され、次いで配列決定される。この戦略は、微生物群集内の所望の遺伝子ファミリーの多数の可能なバリアントを決定するのに役立つ。このアプローチは、例えば、新規な耐熱性メルカリ還元酵素の発見および特徴付けのために使用された(Maged et al 2019)。すべてのDNAベースのアプローチと同様に、この戦略による有用な遺伝子の発見は、その遺伝子がその細胞の自然な生息地で実際に発現していることを保証するものではない。

培養ベースの戦略

  • マイクロバイオームの培養

ヒト微生物叢のメンバーを増殖させるための様々な好気性および嫌気性培養方法および技術の最適化のための進歩が継続的に行われており、長い間未培養または未培養と考えられてきたものに重点を置いている(Forster et al 2019; Ito et al 2019a)。

この技術のバリエーションは、体の部位または組織に対する試験管内試験(in vitro)モデルの使用であり、ex vivoモデルともみなされ、例えば、ヒトの腸をシミュレートする発酵チャンバまたは反応器(Molly er al)。 1993; Minekus er al)。 1999; Takagi er al)。 2016)である。

体の部位をシミュレートする同じ概念のバリエーションである革新的な技術的ブレークスルーは、自然の生息地から細菌を単離するために開発されたiChipである(Nichols et al 2010; Berdy et al 2017)。将来的には、ヒトの便やヒトの粘液/体液から細菌を単離するための同様のin situ技術が見られる可能性がある。これらのiChipsは、最終的には、より小型化された、ナノスケールの、またはロボット型のデバイスに進化する可能性がある。

  • システマティック・スクリーン

これはシンプルでありながら手間のかかるハイスループットスクリーニングであり、異なる常在菌(通常、ヒトの体の部位から直接分離されたもの:腸、皮膚、膣)を一連の外来物質(薬物、重金属、環境毒素)と共培養し、これらの外来物質に対する化学変化/修飾を検出し、クロマトグラフィー分離後に分光法を用いて定量するものである。典型的な例は、Zimmermanおよび同僚の最近の印象的な研究である(Zimmermann et al 2019a)。

すべての培養に基づく方法は、実際の実験およびスクリーニングを可能にするので、大きな利点を提供する;しかしながら、この戦略は、すでによく研究されている多くの生物についての知識を豊かにするので、偏ったままである。培養に依存しない技術は、この種の知識の偏りを克服するために特別に開発された。

機能ベース(機能性メタゲノミクススクリーニング)

  • 機能ベースのメタゲノムアプローチでは、環境試料の全DNAを抽出し、断片化し、発現ライブラリー(コスミド、フォスミド、または他のプラスミド中)をプローブし、ポジティブまたはネガティブ選択によって所望の機能をスクリーニングする(Ngara and Zhang, 2018; Liu er al)。 これらのアプローチは、タンパク質を実際に発現させるという大きな利点を提供し、これにより、その生産微生物が正常に培養できなくても、その機能性を試験することができる。例えば、土壌、廃水、河川河口、または極端な環境(例えば、紅海のブラインプール(Mohamed et al 2013;Sayed et al 2014))からのメタゲノムライブラリーは、極端な条件下で機能する能力を有する新規酵素の生物学的探索、またはネガティブセレクションを介した新規抗生物質または重金属耐性遺伝子の発見のための良いソースとなってきた。応用微生物学および環境微生物学において確立されたこのアプローチは、例えば耐性遺伝子(Pehrsson et al 2016)および生分解酵素コード化遺伝子(Cecchini et al 2013)のための腸内マイクロバイオームのスクリーニングにおいて探索されてきた。このアプローチの限界の一つは、可能な代替宿主(例えば、大腸菌、ラクトコッカス、および酵母)の数が限られていることである;しかしながら、腸内マイクロバイオータに最も関連性の高い嫌気性系が開発されている(例えば、バクテロイデス(Lam et al 2018))。

ハイブリッド法(配列/培養ベース)

  • シーケンスガイドによる微生物群集の増強 最近、汚染された環境における微生物群集の構造と機能をよりよく定義するために、組成誘導型のアプローチが採用されている。精密バイオレメディエーションへの革新的なステップとして、Redfernら(2019)は、アンプリコンベースのマイクロバイオーム解析と汚染サイトの化学的プロファイリングを組み合わせて、標的とする微生物群集の生分解能力を向上させた。汚染レベルが異なる複数の場所から収集した環境サンプルの微生物群集を、ハイスループットシーケンシングによって分類学的に分類した。この新しい枠組みは、バイオスティミュレーション、バイオオーガメンテーション、遺伝子バイオオーガメンテーションの候補を選択するために、化学物質と分類群の関係を確立することに依存していた。具体的には、バイオスティミュレーションターゲットであるGeobacterは、汚染物質分解者として記録されており、すべてのサンプリング地点で高濃度に検出された。バイオオーグメンテーションターゲットは、迅速かつ長期的な細菌の適応を保証するために、K 戦略であるマイコバクテリウムと r 戦略である Thauera で構成されていた。遺伝的バイオオーグメンテーションターゲットであるスフィンゴモナスは、オーグメンテーションドナーから異化プラスミドを受け取る能力を有していた(Redfern et al 2019)。
  • リバースゲノミクス。もう一つのかなり最近のアプローチは、培養が困難な細菌の表面抗原性マーカーを同定するためのリバースゲノミクスの使用であり、これはリバースワッキーノロジーにインスパイアされたアプローチである(Cross et al 2019)。これらのin silicoで同定された特異的抗原は、次に、クローン化され、異種システムで発現され、抗体を生成するために使用され、次いで、精製され、単細胞レベルであっても、それらの天然のマイクロバイオーム生息地で所望の細菌を捕獲するために展開される。このような微生物の濃縮は、最も希少な菌株の培養を可能にする(Cross et al 2019)。
  • 最後に、ハイスループットシステマティックスクリーン、機能的メタゲノミクス、およびハイスループットシーケンシングを組み合わせたハイブリッドアプローチが開発され、植物のポリマー分解酵素を発見するために採用された(Nyyssonen et al 2013)。上述の戦略のいくつかを統合したこのアプローチは、メタゲノムライブラリをスクリーニングするために多重化されたフルオロメトリックおよび比色アッセイを使用し、有望な所望の表現型を有するDNA挿入物のみを配列化する。このアプローチは、ヒトのマイクロバイオームサンプル、特に糞便サンプルに簡単に適応でき、特にまだ培養できない生物から、外来生物代謝酵素を発見することができる。

課題と今後の展開

個人のマイクロバイオームに関する信頼できる情報を収集することは、特定の疾患の予防や治療に役立つかもしれない(Kosyakovsky, 2017)。また、いくつかの薬剤の毒性の低下や、他の薬剤の有効性の改善につながる可能性もある(Haiser and Turnbaugh, 2012)。

包括的な「マイクロバイオームパネル」は、最終的には、個人のマイクロバイオームプロファイルを提供し、「健康な」マイクロバイオームのための様々な選択肢を定義するのに役立つように、ルーチンのラボラトリースクリーニングとして利用できるようになるかもしれない。

健康なマイクロバイオームのバリアントとそのバイオマーカーが定義されれば、生物学的異常と疾患感受性のバイオマーカーも定義されるかもしれない。その結果、異生物分解性細菌の分類(またはそのバイオマーカー)も近い将来容易に分析でき、いくつかの治療法や毒性学的な決定に利用できるかもしれない。

 

免疫系を含む体内のあらゆるシステムと相互作用しているヒトマイクロバイオームの非常にばらつきのある種および亜種は、コアマイクロバイオームについての疑問を提起した(Kuntz and Gilbert, 2017; Lloyd-Price et al 2017)。

コア代謝経路は、特定の身体部位におけるマイクロバイオームの機能および適応を理解するために、より懸念されている(Cardona et al 2016)。研究者は、微生物群集の全ゲノムを解析するために16S rRNA遺伝子プロファイリングよりもショットガンメタゲノミクスを支持している(Cardona et al 2016)、それは宿主-微生物代謝能力と相互作用のより良い解読に向けてより多くの情報を提供する(表3)。

しかし、ショットガンメタゲノミクスは、より高いコストとより複雑さを有する。さらに、ファーマコマイクロバイオミクス(および同様にトキシコマイクロバイオミクス)に基づく信頼性の高い個別化治療を達成するためには、標準的な再現性のあるアプローチを採用する必要がある(Kashyap et al 2017)。

 

これらの課題は、ファーマコマイクロバイオミクスとトキシコマイクロバイオミクスを臨床応用するために、マルチオミクスから駆動されるビッグデータを統合するための学際的な国内および国際的な共同研究を必要としている。

マイクロバイオーム研究は、発散する地理や民族性を持つ集団を含むべきである(Lloyd-Price et al 2017)。マイクロバイオインフォマティクスと統計解析の標準化と検証を可能にするために、マイクロバイオーム研究のデータとメタデータは、査読付きジャーナルのガイドラインに従って、時間をかけて自由にアクセスできるようにすべきである(Langille er al)。

 

このレビューの最終セクションでは、マイクロバイオーム研究とそのヒトの健康への影響の分野における実践者、臨床医、研究者のためのアイデアを提案する。

オープンアクセスでキュレーションされたデータベース

実務家や研究者が知識を抽出するためのデータベースが不足しており、貴重な時間を要し、研究の妨げになったり、研究者の調査の妨げになったりしている。そのため、この分野の発展のためには、このような知識を蓄積したデータベースの構築や、ボランティアチームのメンバー、クラウドソーサー、クラウドファンディングなどの形で、既に構築されているデータベースを支援することが必要である。

具体的には、毒物データベース、化学データベース、ドラッグバンクとファーマコゲノミクス、ファーマコマイクロバイオミクスのデータリソースとの連携が急務となっている。

予測モデルとソフトウェア開発

予測モデルを構築し、薬物-微生物相互作用をシミュレートするソフトウェアを開発することは、コストと研究者の時間を大幅に削減するために不可欠である。このようなモデルを開発するための唯一の限界は、蓄積された知識の利用可能性であり、そこからロバストな仮説を導き出し、モデルのトレーニングと検証に使用することができる。化学的類似性検索は、遺伝子/タンパク質の類似性検索と組み合わせれば、外来生物の化学的部位と異なる微生物酵素との間の新しい相互作用を予測することができるかもしれない。

精密医療における将来の非侵襲的ツールとしてのマイクロバイオームバイオマーカー

上で詳述したように、ヒトマイクロバイオバイオームは、疾患および不利な健康転帰のためのバイオマーカーの発見のための豊富なソースである。このようなバイオマーカーを、例えば、生検および内視鏡検査の非侵襲的な代替手段として使用することは、有望な未来的診断(Ren et al 2019)および予測/予防ツール(Penalver Bernabe et al 2018)となるであろう。

例えば、ヒト微生物叢は、がんの発症、進行、および治療に影響を与える分子および代謝物を放出することが判明した(Scott et al 2019; Rao et al 2020)。真の個別化がん治療は、化学療法(表2)および腫瘍形成に対するマイクロバイオームの影響を完全に理解することによってのみ達成される可能性があり、それにより、特定のバイオマーカー、マイクロバイオームタイプ、およびメタボタイプに基づく適切な患者層別化を可能にする(Rizkallah et al 2010; KuntzおよびGilbert、2017)。

個体間の微生物の多様性、新規かつ多剤耐性の微生物株の出現、および様々な微生物薬剤修飾メカニズムは、精密医療を複雑にしたり、遅らせたりする可能性があるが、将来のセラノスティックスのための正しい選択であることに変わりはない。

明快な診療ガイドライン

願わくば、オンラインリソースの利用可能性、バイオマーカーの発見、アッセイ、モデル、およびソフトウェアの開発、およびより多くの研究の実施が、臨床実践のための新しいガイドラインを開発し、確立されたいくつかの異生物-微生物および異生物-微生物酵素相互作用のためのガイドラインを実施するための実務家および研究者の助けになることを願っている。

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