炎症性腸疾患におけるマイクロバイオームとメタボローム

哉百名


ワイリー・オンライン・ライブラリー
消化器病学と肝臓病学ジャーナル38巻1号p.34-43
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炎症性腸疾患におけるマイクロバイオームとメタボローム
Khushboo G Upadhyay, Devendra C Desai, Tester F Ashavaid, Alpa J Dherai
初出：2022年10月26日
https://doi.org/10.1111/jgh.16043
引用文献 2
利益相反の宣言 著者らは、原稿で議論した主題や材料に金銭的な利害関係を持つ、あるいは金銭的に対立する組織や団体と、他に関連する所属や金銭的な関わりを持っていない。
著者の貢献 構想・設計。筆頭著者：Khushboo G. Upadhyay, Alpa J. Dherai. 原稿執筆。Khushboo G. Upadhyay, Alpa J. Dherai, and Devendra C. Desai. 原稿の最終承認。全著者
倫理的承認 本論文は総説であるため、倫理的な承認は必要ない。
インフォームドコンセント 本論文は総説であり、試料を採取していないため、患者の同意は必要ない。
金銭的支援 本論文は資金提供を受けていません。
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概要
炎症性腸疾患（IBD）は、腸内細菌と宿主免疫反応の複雑な相互作用が関与する、原因不明の慢性消化器疾患である。IBDでは微生物によるディスバイオーシスがよく知られており、宿主の代謝経路に大きな影響を及ぼしている。そのため、IBDにおける腸内細菌叢の影響から生じるメタボロームフィンガープリントは、疾患活動性の評価に役立つ可能性があります。PubMed、Medline、Science Direct、Web of Scienceで、過去5年間にIBD患者におけるマイクロバイオームとメタボロームの関連を調べた研究を検索した。さらに、引用された原著論文とレビューの参考文献をさらに評価し、関連する研究を探した。IBD患者を対象に行われた最近のメタボローム研究の文献的概要を提供します。その結果、これらの患者さんの代謝物レベルの変化が報告されています。また、IBDで観察される腸内細菌の異常と、脂質、アミノ酸、短鎖脂肪酸などの宿主代謝経路への影響についても議論しています。IBDは慢性の特発性疾患であるため、日常的なモニタリングが必要です。非侵襲的なマーカーには限界があります。代謝産物の変化は、ディスバイオシスとそれが宿主の免疫反応や代謝に及ぼす影響の両方を説明するものです。メタボロームアプローチは、疾患活動性を反映する代替代謝物マーカーの同定を促進することが期待されます。

はじめに
炎症性腸疾患（IBD）は、主に胃腸（GI）管が関与する免疫介在性炎症疾患の一群である。特にインドや他のアジア諸国で見られるこの増加は、食事やライフスタイルの変化に起因しています1。

IBDは、特徴的な臨床的・病理学的特徴に基づき、潰瘍性大腸炎（UC）またはクローン病（CD）に分類されます。10-15%程度の患者様は不定型大腸炎または炎症性腸疾患（IBD-U）に分類されます。IBDの病因は正確に特定されていませんが、IBDは遺伝的要因、環境要因、微生物要因が複雑に絡み合い、免疫反応が変化することで発症すると予想されています。腸内細菌叢の変化には、バクテロイデス、ファーミキューテス、クロストリジア、ラクトバチルスなどの必須細菌の減少、ガンマプロテオバクテリアや腸内細菌科細菌の著しい増加が含まれ、IBD発症に中心的な役割を担っています2。このような微生物の変化は、宿主の代謝プロファイルの変化を引き起こします。4 さらに、喫煙、抗生物質の過剰使用、精製された食品などの要因も、宿主の代謝を変化させ、炎症を促進します。この炎症は、免疫学的には好中球、マクロファージ、その他の免疫細胞の流入を招き、サイトカイン、タンパク質分解酵素、フリーラジカルの産生をさらに増加させます5。包括的メタボローム解析により、これらの宿主および微生物代謝の変動と、ディスバイオーシスによる免疫不均衡が特定されます。そこで、IBD患者のマイクロバイオームとメタボロームで観察される変化について考察します。

方法
PubMed、Medline、Science Direct、Web of Scienceで過去5年間に発表された論文を対象に文献検索を行った。索引語として以下のキーワードを用いた。「マイクロバイオーム」、「メタボローム」、「炎症性腸疾患」、「クローン病」、「潰瘍性大腸炎」。糞便メタボローム、血清メタボローム、血漿メタボローム、呼気メタボロームを評価する研究をレビューした。さらに、引用された原著論文やレビューの参考文献も、関連する研究がないかさらに評価しました。評価対象とした研究は、IBD患者におけるメタボロームおよびマイクロバイオームの評価のみに限定しました。動物実験、in vitroモデル研究、臨床試験、全文が掲載されていない抄録は除外されました。重複を排除した結果、71件の論文が選択され、本レビューに記載された。このレビューに含まれる研究を選択するための概略PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）フロー図を図1に示す。

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図1
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キャプション
炎症性腸疾患におけるマイクロバイオーム
腸内細菌叢は、細菌、真菌、ウイルスなどを含む多数の微生物から構成されている。微生物叢は、ヒトの皮膚、口腔、呼吸器、泌尿器、消化管にコロニーを形成している。中でも消化管は、多様な微生物が最も密に生息している場所です。メタゲノム解析の結果、腸内は主にグラム陰性のバクテロイデーテス属（17-60％）とグラム陽性のファーミキューテス属（35-80％）に支配されていることが明らかになった6。腸内細菌叢と宿主の共生関係は、宿主の代謝維持に重要な役割を担っている。腸内細菌叢は、ポリマーの分解、ビタミンの合成、短鎖脂肪酸（SCFA）の生産、および炭水化物の分解酵素の生産を担っています。また、胆汁酸（BA）代謝を調節し、腸管粘膜の健全性を維持しています7。

ヒトの腸は、4つの主要な細菌門によって支配されている。ヒトの腸は、バクテロイデーテス、ファーミキューテス、アクチノバクテリア、プロテオバクテリアの4つの主要な細菌門によって支配されている。8 腸内細菌叢は、Tヘルパー細胞（Th細胞）と制御性T細胞（Treg細胞）のバランスを維持し、炎症反応と抗炎症反応の間の均衡を保つのに役立っています（図2）。このように腸内細菌叢は、宿主の健康や代謝の維持に重要な役割を果たしていることが明らかになっている9。これらの微生物の組成や機能に何らかの変化が生じると、微生物の恒常性が乱れ、腸内炎症が引き起こされる。この炎症は、Clostridium difficile、大腸菌などの病原性細菌の増殖を促すと同時に、Clostridium leptum、Faecalibacterium prausnitzii、Bacteroides、Lactobacillus種などの有益な細菌の減少をもたらします（図2）10, 11）。

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図2
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微生物の多様性は、細菌のリボソームRNAを評価する16SリボソームRNAシーケンシングを用いたアンプリコンシーケンシング、または全ゲノムショットガンメタゲノムシーケンシングによって調べることができます12 IBDでは、生検または糞便サンプルから前述のいずれかの方法でマイクロバイオームが研究されてきました。CDとUCの両患者において、顕著な変動が観察されています。また、その変動は、炎症部位によって特徴的であることが分かっています。13-26 Clostridium species, Bacteroides, Roseburia, Bifidobacterium species, F. prausnitzii などの有益な微生物が減少する一方で、Proteobacteria members (invasive and adherent E. coli), Fusobacterium species, Ruminococcus gnavus など一部の病原体が増加することが示されている5, 13-25, 17-20, 23-26 多くの研究により、IBD患者においては、常在菌が減少し、微生物群集の多様性が低下していることが明らかにされています。また、IBD患者の生検サンプルにおいて、非IBD対照群と比較して特徴的な微生物変化が報告されています。17 しかし、UCとCD患者の包括的なシフトは観察されていません。18-20, 26

表1. マイクロバイオームに関する研究
細菌 バクテリアの増加を報告した研究 バクテリアの減少を報告した研究
Faecalibacterium prausnitzii - 5, 13-20
クロストリジウム 21 14, 15, 21
ルミノコッカス - 5, 18-22
ルミノコッカス・グナバス 5, 18, 23 ・・・。
バクテロイデス属 14, 15, 24 17, 20, 23, 25
Firmicutes（ファーミキューテス） 25 17, 20, 24
ビフィドバクテリウム属 17, 21 22
腸内細菌科（Enterobacteriaceae） 16, 17
大腸菌 19, 25
プロテオバクテリア（Proteobacteria） 17, 20, 24, 25
フソバクテリウム 18, 25 -
シアノバクテリア属 - 25
フラボバクテリウム属 - 25
オシロスピラ属 - 25
ストレプトコッカス属 21, 25
ヴェイヨネラ 19、25、26
ローズブリア - 5, 19, 20, 24
ラクトバチルス 17 22
ペプトストレプトコッカス 22
カンピロバクター 22
プレボテラ・コプリ - 16
コプロコッカス - 20, 21
アクチノバクテリア 21 24
肺炎桿菌（Klebsiella pneumonia） 19
キャンディダ・グラブラータ 20
ドレアとブラウチア - 20
ユーバクテリウム - 18, 19
エンテロコッカス 19 -
研究17, 26は生検試料を解析しているが、それ以外は糞便試料を用いたものである。
微生物叢は、微生物代謝の中間産物または最終産物である小分子を用いて宿主と相互作用する。変化した微生物叢は、宿主の葉酸生合成、デンプン分解経路、ヌクレオチド代謝、エネルギー代謝、アミノ酸代謝の中間体などに影響を与えることが報告されている27, 28 これらの微生物あるいは宿主代謝からのシグナルは、宿主の免疫成熟、免疫恒常性、エネルギー代謝、粘膜の完全性の維持に影響を与える。29 したがって、細菌代謝、食事基質、宿主代謝の代表である腸内メタボロームは、腸内細菌叢の変化により特徴的に影響を受けると思われる。

炎症性腸疾患におけるメタボローム
30 IBDにおける腸内細菌叢の異常と炎症は、アミノ酸、SCFAs、脂質、BAs、炭水化物、タンパク質など、いくつかの代謝経路の制御を変化させています。これらの変化は、IBDの病態と関連しています。メタボローム解析は、生体試料中の低分子を特徴づけ、定量化するものです。メタボロミクスとは別の用語で、メタボノミクスとも呼ばれます。メタボロミクスは、生体刺激や疾患に対する生体システムのグローバルで動的な代謝応答を測定することを目的としています。メタボノミクスは、複雑な多細胞系における疾患の経過中に生じる全身的な変化を理解することに焦点を当てています31。

メタボローム解析に最もよく使用される分析プラットフォームは、核磁気共鳴（NMR）分光法と質量分析（MS）です31。NMRは選択的で非破壊的であり、メタボロームフィンガープリントに使用された最初の技術である。化合物の分子構造とサンプル中の相対濃度が得られる。MS は NMR に比べて感度が高く、1000 倍の感度で代謝物を同定することができます35。分離技術の中でも、ガスクロマトグラフィー（GC）31、液体クロマトグラフィー（LC）36、超高圧液体クロマトグラフィー（UPLC）37、選択的イオンフロー管質量分析法（SIFT-MS）38は最もよく使用されています。NMR分光法およびMSとクロマトグラフィーの組み合わせは、いずれもハイスループット技術であり、利点と限界があります39。

2001 年、メタボローム毒性コンソーシアムが、Standard Metabolic Reporting Structure initiative (SMRS), Architecture for Metabolomics (ArMet), Metabolomics Standards Initiative (MSI) などの製薬企業とともに、動物モデル体液の 1H-NMR スペクトルのデータベースを作成する取り組みを開始した。MSIは、データを評価するため、あるいは拡張をサポートするために他の人が利用できるように、作業を記述するための共通のメカニズムを提供し、また、重複を避け、公共のリポジトリで共通の基準を定義することを目的としています40。

メタボロミクスには、主にターゲットとアンターゲットの2つのアプローチがあります。メタボロミクスには主にターゲットとアンターゲットの2つのアプローチがあり、ターゲット研究では、仮説に基づいて、あらかじめ定義された代謝物セットを高い精度で測定することが特徴です。一方、アンターゲットメタボロミクスは、試料から多数の代謝物を同時に測定する研究です。メタボローム解析に用いる試料からは、それぞれ異なる生化学的な情報が得られます。血漿または血清は全身代謝を示し、尿は外来性代謝（薬物や食事性化合物など）および内因性代謝のエンドポイントプロファイルを提供し、便のプロファイルは微生物または宿主-微生物共代謝物や食事成分の微生物変換など消化器代謝をより示唆する33。さらに、呼気サンプルもIBD患者の呼気中VOC（揮発性有機化合物）独特のパターンを評価するために分析されている41。

先に述べたように、IBDで観察されるディスバイオーシスは、いくつかの代謝経路に影響を及ぼし、顕著なバリエーションをもたらします。複数の研究者がこれらの変化を同定しており、その結果はほぼ一致しています。影響を受ける主な経路を以下にまとめました。

炎症性腸疾患における脂質代謝
脂質は、生きている細胞の構造と機能を構成する非極性炭化水素である。脂質は、代謝されることによりエネルギーを貯蔵し、放出します。脂質代謝の過程で、トリグリセリドはモノグリセリドと遊離脂肪酸に分解され、腸管粘膜を通過して運ばれる。粘膜を通過した後、再合成されて肝臓や脂肪組織へ運ばれます。脂肪酸は、β酸化により炭素数2のアセチルCoA分子に酸化される。アセチルCoA分子はその後、クレブスサイクルに入り、ATPを生成する。これらの代謝経路は、粘膜の炎症を引き起こすエンドトキシンの放出によって起こる炎症性分子と抗炎症性分子のアンバランスによって変化する。エンドトキシンは、リポ多糖（LPS）とも呼ばれ、グラム陰性菌の外膜に存在する構造要素である。LPSは、マクロファージなどの免疫細胞や、肝細胞、脂肪細胞など多くの細胞に発現しているToll-like receptor 4（TLR4）を活性化することにより、炎症を引き起こします。腸管上皮は、細菌由来の因子が移動するのを防ぐバリアとして機能しています。しかし、体重が増え、高脂肪食を摂取し、より多くの脂肪酸にさらされると、腸管バリアの機能が損なわれ、LPSの移行が可能になる（図1）42。代謝性エンドトキシ血症、脂質異常症、インスリン抵抗性は、血中のLPSレベルが中程度に上昇した結果である42。まず、LPSは様々なメカニズムで血中トリグリセリド濃度を上昇させる。高密度リポタンパク質（HDL）がLPSと結合することで、炎症から身を守ることができるかもしれない。このことは、ヒトにおいて、LPSチャレンジの前にHDLを注入すると、炎症性サイトカインの放出が減少するという観察結果から支持される。ディスバイオーシスは、門脈のTLRリガンドレベルを上昇させ、肝クッパー細胞や星状細胞を活性化し、炎症性サイトカインを介して炎症性・線維化促進経路を誘発する43。

腸内細菌叢と脂質異常症との関連については、多くの研究がなされている。Le Chatelierらは、微生物遺伝子数が少ない個体では、微生物遺伝子数が多い個体よりもトリグリセライドが高く、HDLレベルが低いことを示しました44。オランダの一般人口コホート研究からの糞便微生物叢の分類学的データ、生体指標、および代謝測定値についてクロスバリデーション分析を行ったところ、Fuらは血清トリグリセリドの分散の6％とHDLコレステロールの4％が腸内細菌叢組成の変化に関連しているとすることができた45。

表2. IBD 患者における脂質およびその代謝物の分析
代謝物 観察対象者 試料技術 参照先
ドコサヘキサエン酸 低下 CD活動期10例、寛解期10例、対照期10例 血清 LC/MS 42
小児CD9人、小児UC10人、対照群10人 血清LC/MS 46
CD15名、UC13名、対照群17名 血清GC/MS 47
アラキドン酸 低下 CD活動期 10 名、寛解期 10 名、対照群 10 名 血清 LC/MS 42
小児 CD 9 名、小児 UC 10 名、対照群 10 名 血清 LC/MS 46
アラキジン酸減少 CD173名、UC107名、対照群42名 糞便LC/MS48†。
リノレン酸 減少 5 CD, 17 UC, and 24 controls Serum UPLC/MS 49†.
15 CD, 13 UC, and 17 controls Serum GC/MS 47
CD活動中10名、寛解CD10名、対照群10名 血清LC/MS 42
173 CD, 107 UC, and 42 controls Fecal LC/MS 48† Oleic acid
オレイン酸 CD、UC、非IBD患者（n = 155）において減少 Fecal LC/MS 4†.
長鎖脂肪酸 減少 CD20名、UC20名、非IBD患者20名 血清 UPLC/MS-MS 34
CD患者10名、寛解CD患者10名、対照群10名 血清LC/MS 42
中鎖脂肪酸減少 CD173名、UC107名、対照群42名 糞便LC/MS 48 †。
CD、UC、および非IBD患者（n = 155） Fecal LC/MS 4 †（英語版のみ
20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC/MS-MS and GC/MS 34†.
オメガ6脂肪酸の増加 CD54名、コントロール11名 糞便LC/MS 35†.
治療歴のないUC 21名、深い寛解のUC 12名、および対照群 14名 大腸生検 UPLC/MS 36 †。
スフィンゴミエリン 小児CD9名、小児UC10名、対照群10名 血清 LC/MS 46
減少 UC患者20名、非IBD患者20名 血清 UPLC/MS-MS 34 † （CD活動中10名、寛解CD10名、コントロール10名
活動性CD10名、寛解CD10名、対照群10名 血清LC/MS 42
スフィンゴシン-1-リン酸減少 CD98名、対照群25名 血漿LC/MS 50
スフィンゴ糖脂質 CD、UC、非IBD患者（n = 155）で増加 糞便LC/MS 4† 小児CD9人、小児CD10人、対照10人
小児CD9名、小児UC10名、対照群10名 血清LC/MS 46 †（※2
5 CD, 17 UC, and 24 controls Serum UPLC/MS 49†.
有意に変化 CD、UC、および非IBD患者 (n = 155) 糞便LC/MS 4 †。
エイコサトリエン酸 増加 15 CD, 13 UC, and 17 controls Serum GC/MS 47† Eicosapentaenoic acid Increased 15 CD, 13 UC, and 17 controls Serum GC/MS 47† Sept.
エイコサペンタエン酸 CD、UC、非IBD患者(n = 155)で減少 糞便LC/MS 4 †。
ドコサペンタエン酸 CD、UC、非IBD患者(n = 155)で増加 Fecal LC/MS 4†.
グリセロ脂質 減少 CD20名、UC20名、非IBD患者20名 血清 UPLC/MS-MS 34
小児CD9名、小児UC10名、対照群10名 血清LC/MS 46
グリセロリン脂質減少 CD50名、UC78名、対照群60名 血漿LC/MS 51名
有意に変化 CD24名、UC16名、対照群84名 血漿中LC/MS 41† リン脂質
リン脂質 増加 未治療のUC21名、深い寛解のUC12名、対照群14名 大腸生検 UPLC/MS 36† 尿中レボグルコサン減少
尿中レボグルコサン CD患者38名増加 尿中LC/MSおよび1H-NMR 52† † 研究では、レボグルコサンの評価が不十分である。
代謝経路の変化に対する併存疾患や疾患の重症度の影響を評価する研究はない。
1H-NMR, proton nuclear magnetic resonance; CD, Crohn's disease; GC/MS, gas chromatography/mass spectrometry; IBD, inflammatory bowel disease; LC/MS, liquid chromatography/mass spectrometry; UC, ulcerative colitis; UPLC/MS, ultra high-pressure liquid chromatography/mass spectrometry.com による。
Scoville ら35 は、302 種類の脂質代謝物を同定し、そのうち 286 種類の代謝物が CD 患者の血清試料で対照群と比較して有意に変化していた（54 種類が増加、232 種類が減少）のに対し、UC では 5 種類のみが有意に減少していた。さらに、長鎖多価不飽和脂肪酸、分岐鎖脂肪酸、モノヒドロキシ脂肪酸は、IBD患者、特にCD患者でかなり減少していました。Laiら49名は、CD患者およびコントロールの血清サンプルを用いて、LC-MSによる研究を行いました。CD患者には、対照群と比較して、ドコサヘキサエン酸（DHA）の濃度が変化していました。De Preter ら 47 は、UC および大腸 CD 患者の糞便サンプルにおいて、14 種類の代謝物の有意な差を確認した。彼らは、患者の糞便サンプルにおいて、DHA、アラキドン酸、リノール酸、および長鎖脂肪酸のレベルの有意な減少を観察した。Dryahinaら52は、IBD患者の呼気メタボロームについて研究し、DHA、リノール酸、長鎖脂肪酸の減少とともに、コントロールと比較して、患者のペンタン（脂質過酸化に関連する）の高い濃度を観察しました。Alghamdiら、Manfrediら、Keshteliらも、IBD患者におけるDHA、アラキドン酸、リノール酸、長鎖脂肪酸、中鎖脂肪酸の濃度低下を報告している。

胆汁酸
胆汁酸は肝臓で合成され、グリシンやタウリンと結合して、それぞれグリココール酸（GCA）、タウロコール酸（TCA）、グリコチェンデオキシコール酸（GCDCA）、タウロチェンデオキシコール酸（TCDCA）という共役胆汁酸を形成する。胆嚢はBAを蓄積してから腸に分泌し、腸内細菌叢が食後にさらに代謝を行う。共役型BAsの大半は回腸末端で再吸収され、残りのBAsは大腸菌によって脱共役化される。未抱合BAsはさらに7-デヒドロキシル化により二次BAs（デオキシコール酸［DCA］およびリトコール酸［LCA］）に変換され、最終的に糞便中に排出される。IBDの場合、腸内細菌の異常がこの代謝に影響を与え、脱共役と7α-デヒドロキシル化が減少し、二次的なBAが枯渇します。50 腸内細菌の異常とBAプロファイルの乱れ、特に二次BAレベルの低下は、Th17細胞とTreg細胞の間のアンバランスを引き起こします。また、グループ3自然リンパ系細胞（ILC3）とグループ1自然リンパ系細胞（ILC1）の分化が亢進しています。さらに、マクロファージや樹状細胞においてFXRやTGR5が不活性化または欠損すると、インターロイキン-22（IL-22）、IL-17、インターフェロン-γ（IFN-γ）などの炎症性サイトカインの産生が増加する。

共役型BAsは、胆汁酸塩ヒドロラーゼ（BSH）を介した加水分解を受け、非共役型BAsを形成する。BSHは、Lactobacillus属、Bifidobacterium属、Clostridium属、Bacteroides属、Enterococcus属などの細菌に多く含まれています。BA誘導性酵素（BAI）は、Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, Eubacteriumに存在し、二次BAsへの変換を担っている。腸内細菌叢の変化により、二次BA（DCA、LCA、tauro-LCAなど）は減少し、一次BAや共役BA（CA、CDCA、G/TCAなど）は増加した。このように、腸内細菌叢はBA合成と代謝を大きく制御している57。多くの研究者がBAsの存在量の違いを観察しており、その概要は表3の通りである。

表3. IBD患者における胆汁酸およびその代謝物の分析
代謝物 観測対象者 サンプル 技術 参考文献
一次胆汁酸増加 CD67名、UC32名、対照27名 糞便中LC/MS 5† Glycochenodeoxy-channel
Glycochenodeoxy-cholate glucuronide UC20名、非IBD患者20名減少 血清 UPLC-MS/MS 34† Deoxycholate
デオキシコール酸減少 20 UC and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34 † タウロリトコール酸 3
Taurolithocholate 3-sulfate 減少 20 UC and 20 non-IBD patients 血清 UPLC-MS/MS 34 †。
コール酸塩
チェノデオキシ-コレート
CD、UC、非IBD患者（n = 155）増加 糞便LC/MS 4 † Glycochenoeoxy-cholate
Glychenoeoxy-cholate UC107名及び対照群42名減少 Fecal GC/MS 48† Glycolithocholate
Glycolithocholate UC患者20名と非IBD患者20名が増加した 血清 UPLC-MS/MS 34†.
減少 107 UCと42人の対照群 糞便GC/MS 48†。
グリコルデオキシコール酸
ウルソデオキシコール酸
UC患者20名と非IBD患者20名が増加 血清 UPLC-MS/MS 34† リトコール酸
リトコール酸 減少 173 CD, 107 UC, and 42 controls Fecal GC/MS 48† CD, UC, and non-IBD patients 血清
CD、UC、および非IBD患者（n = 155） 糞便LC/MS 4 †。
チェノデオキシコール酸 低下 173 CD, 107 UC, and 42 controls Fecal GC/MS 48† Taurolithocholic acid
タウロリトコール酸 減少 173 CD, 107 UC, and 42 controls Fecal GC/MS 48†.
UC20名、IBDでない患者20名 血清 UPLC-MS/MS 34 †（英語版のみ
Taurocholenate sulfate 減尐 20 UC and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34 †.
デオキシコール酸塩
減少

20 UC and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34† デオキシコール酸塩 減少

代謝経路の変化に対する併存疾患や疾患の重症度の影響についての評価が欠如している。
CD, Crohn's disease; GC/MS, gas chromatography/mass spectrometry; IBD, inflammatory bowel disease; LC/MS, liquid chromatography/mass spectrometry; UC, ulcerative colitis; UPLC/MS, ultra high-pressure liquid chromatography/mass spectrometry.CDはクローン病、MSはガスクロマトグラフ質量分析、UCは液体クロマトグラフ質量分析、UPLCは超高圧液体クロマトグラフ質量分析、IBDは炎症性腸炎。
Wengら58、Bazarganipourら59、Franzosaら4による最近の研究では、IBD患者における一次および二次BAsの濃度が対照群と比較して低いことが確認されています。Murakamiら60は、いくつかの細菌群の割合が糞便中のBA変換マーカーと有意な相関があることを示している。患者のサブセットにおいて、細菌の割合と血清BAとの間に同様の相関があることが明らかにされた。IBD患者の血清および糞便サンプルにおいて、彼らは、デオキシコール酸／デオキシコール酸＋コール酸［DCA／（DCA＋CA）］の比率とClostridium XIVaの比率の増加との間に強い相関関係を観察している。一方、Rodaら61は、IBD患者において、対照群と比較して二次的なBAsの増加が確認された。Lloyd-Priceら(5)は、dysbiotic IBDサンプルとdysbioticでないIBDサンプルを比較し、一次BAであるグリコール酸およびタウロコール酸がdysbiotic CDにおいて非dysbioticサンプルと比較して著しく増加し、リトコレートおよびデオキシコレートが減少していることを観察している。これらの変動は、IBDの疾患活動性の特徴的なマーカーとして現れるかもしれません。

短鎖脂肪酸
短鎖脂肪酸は、直鎖または分岐した脂肪族テールを含むカルボン酸の一群である。ヒトの大腸では、嫌気性菌が食物繊維を代謝し、酢酸、酪酸、プロピオン酸、吉草酸などの直鎖のSCFAを生成します32。酢酸は50-70%を占め、複数の細菌群によって生産される。プロピオン酸はBacteroidetesとFirmicutesの種によって生産され、10-20%しか占めないが、少数のClostridiaが酪酸を生産し、残りの5-10%を占めている29。SCFAは腸管バリアーを強化し、腸のホメオスタシスを維持する役割を担っています。細胞レベルでは、細胞増殖、分化、遺伝子発現などのプロセスに直接または間接的に影響を与えることが知られている。SCFAは、GPR41、GPR43、GPR109Aなどの細胞表面Gタンパク質受容体（GPCR）と結合することにより、抗炎症シグナルのカスケードを活性化します62。IBD患者では、F. prausnitziiやRoseburia intestinalisなどのSCFA生産菌が著しく減少していることが指摘されています29。これらの微生物の変化は、IBD患者の糞便サンプル中の酢酸、酪酸、プロピオン酸の減少、乳酸とピルビン酸の増加をもたらします。63 これらの変化は、IBD発症に重要な役割を果たすと提唱されています。IBD患者における酪酸濃度の低下は、Franzosaら、4 Bjerrumら、33 Diabら、64らによって報告されています。Alothaimらは、寛解期の患者の尿サンプルからは、活動期のUC患者と比較して酪酸の濃度が高いことを報告しています65。

表 4. IBD 患者における短鎖脂肪酸の分析
代謝物 観察対象者 サンプル 手法 参照先
酪酸 CD、UC、非IBD患者（n = 155） 糞 LC/MS 4† 18 未治療 UC
治療歴のないUC 18名、寛解期10名、対照群14名 大腸生検 UPLC/MS および GC/MS 60†.
83 CD, 68 UC, 13 pouchitis, and 40 controls Fecal GC/MS 43†.
プロピオン酸減少 155 CD、UC、および非IBD患者 糞便LC/MS 4 †。
44 CD, 48 UC, and 21 controls Feces 1H-NMR 30†.
代謝経路の変化に対する併存疾患や疾患の重症度の影響を評価する研究はない。
1H-NMR, proton nuclear magnetic resonance; CD, Crohn's disease; GC/MS, gas chromatography/mass spectrometry; IBD, inflammatory bowel disease; LC/MS, liquid chromatography/mass spectrometry; UC, ulcerative colitis; UPLC/MS, ultra high-pressure liquid chromatography/mass spectrometry.NMR は、CD、クローン病、ガスクロマトグラフ、質量分析計、液体クロマトグラフ、質量分析計を含む。
アミノ酸
タンパク質の構成成分であるアミノ酸には、必須アミノ酸と非必須アミノ酸があります。アミノ酸は、エネルギー源、成長、発達、治癒、修復、消化など、さまざまな機能に関与している。アミノ酸は、それぞれ糖新生と脂質合成のためのさらなる代謝に基づいて、糖新生とケトジェニックに分類されます。アミノ酸は、アンモニウムイオンを生成し、炭酸水素塩と反応してカルバモイルリン酸を形成する。これは尿素サイクルに入り、尿素の生成につながる。メタゲノム研究により、IBD患者の腸内細菌叢では、アミノ酸生合成遺伝子がダウンレギュレートされ、アミノ酸トランスポーター遺伝子がアップレギュレートされていることが分かっています。このことは、腸内細菌叢がアミノ酸の産生を減らし、その利用速度を速めることを示しています。66 炎症時には、宿主免疫細胞と細菌の両方がアミノ酸を異なる形で利用します。例えば、一部のアミノ酸は、マクロファージの増殖とT細胞のエフェクター活性の両方に必須である。したがって、炎症の結果、宿主細胞および腸内細菌叢による特定のアミノ酸の需要が増加する可能性がある。

Baoら67 は、IBDにおける食事性アミノ酸の役割に関する総説で、UCとCDの両方においてアミノ酸代謝が乱れ、イソロイシン、メチオニン、リジン、グリシン、アルギニン、プロリンが増加し、バリン、チロシン、セリンが減少していると提唱しています。Piestanskyら68、Probertら69、Lins Netoら70、その他による、IBD患者におけるアミノ酸レベルの差を示す同様の研究を表5にまとめました。

表5. IBD 患者におけるアミノ酸およびその代謝物の分析
代謝物 観測対象者 試料技術 参照先
トリプトファン 81 CD, 67 UC, and 100 controls Serum LC/MS 71†.
69人のIBDと非IBD、29人の対照群 血清 UPLC/MS 70 † （単位：百万円
PCDAI > 10で経腸栄養の54人のCDの子供と11人のコントロールが増加 Fecal LC/MS 35 *† Nアセチルアミノ酸
N-アセチルアミノ酸 著しく減少 CD13名、対照群10名 尿 CE/MS-MSおよびLC/MS 64
減少 203 CD, 213 UC, and 100 controls Urine 1H-NMR 66 † Urine 1H-NMR 66 † Urine 1H-NMR 66 † Urine 1H-NMR 64
アスパラギン酸
グリシン
セリン
クレアチン
キヌレニン
ヒスチジン
PCDAI > 10 の経腸栄養の CD 子供 54 例と対照群 11 例で増加 宿便 LC/MS 34 †（*1）。
5-ヒドロキシ-l-トリプトファン
インドール-3-プロピオン酸
インドール-3-アクリル酸
エルゴチオネイン
減少 CD活動期10名、CD寛解期10名、対照群10名 血清LC/MS 42
フェニルアラニン 増加 PCDAI>10で経腸栄養のCDの子供54人と対照群11人 糞便LC/MS 35† UC48人、CD44人、対照群10人
48 UC, 44 CD, and 21 controls Fecal 1H-NMR 30† Decreased 10 active CD, 10 CD, 10 controls.
減少 CD活動期10名、CD寛解期10名、対照群10名 血清LC/MS 42
ロイシン 減少 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients 血清 UPLC-MS/MS 34† 増加 48 UC, 44 CD, and 21 controls
増加 48 UC, 44 CD, and 21 controls Fecal 1H-NMR 30 † για
イソロイシン
アラニン
グリシン
タウリン
チロシン
増加 48 UC, 44 CD, and 21 controls Fecal 1H-NMR 30† Valine Decreased 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34†.
バリン 減少 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34†.
増加 48 UC, 44 CD, and 21 controls Fecal 1H-NMR 30†.
40 UC患者 血漿中1H-NMR
グルタミン
アルギニン
セリン
減少 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34† Lysine Decreased 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34† リジン
リジン 減少 20 CD, 20 UC, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34 †増加 48 UC, 44 CD, and 20 non-IBD patients Serum UPLC-MS/MS 34 †減少
増加 48 UC, 44 CD, and 21 controls Fecal 1H-NMR 30†.
代謝経路の変化に対する併存疾患や疾患の重症度の影響についての評価が欠如している。
1H-NMR, proton nuclear magnetic resonance; CD, Crohn's disease; CE/MS-MS, capillary electrophoresis/tandem mass spectrometry; IBD, inflammatory bowel disease; LC/MS, liquid chromatography/mass spectrometry; PCDAI, Pediatric Crohn's Disease Activity Index; UC, ulcerative colitis; UPLC/MS, ultra high-pressure liquid chromatography/mass spectrometry.DEFA, LC, MSDS; MSDS; MSDS
アミノ酸の中でも、必須芳香族アミノ酸であるトリプトファン（Trp）の炎症における役割は広く報告されている72, 73。約85-90％のTrpは腸管細胞でキヌレニン（Kyn）経路を経てインドールアミン2，3ジオキシゲナーゼ1（IDO1）により代謝され、腸クロムスタッフ細胞ではセロトニン経路でTrp水酸化酵素1（TPH1）がTrpを代謝している。ニコラウスら74 は、IBD 患者の血清 Trp 濃度を HPLC で分析した。さらに、彼らは、疾患が活発な患者のサブセットにおいて、16SリボソームDNAアンプリコンシークエンスによって糞便中のマイクロバイオームを調査した。血清Trpの低レベルは、ディスバイオーシスの程度と正の相関があった。Sofia ら 75 は、UC 患者の血清中の Trp とその代謝物レベルを調べた。彼らはまた、粘膜生検における IDO1 の発現を調査し、疾患の重症度と相関させた。彼らは、疾患の重症度とIDO1発現の間に正の相関を観察した。また、KynレベルとKyn/Trp比が増加し、血清Trpが減少した。

結論
IBDの病因は未だ不明であり、この空白のために明確な疾患マーカーの同定が必要である。粘膜メタボロームとマイクロバイオームとの明らかな関連は、メタゲノム組成が微生物群集の代謝物プールを合理的に予測できることを示唆している。IBD患者では、脂質、β酸化、アミノ酸、尿素サイクル、脂肪酸など幅広い代謝経路の変化が観察され、その他にも多くの代謝物が観察されています。ある種の代謝物が微生物群集の構造と強い相関を示すという発見は、これらの代謝物が微生物に関連した疾患活動性の直接的なメディエーターとして調査する価値があることを示唆しています。これらの代謝産物の同定は、IBDにおける微生物機能をモニタリングするための直接的なターゲットとなる可能性があります。しかし、これらの代謝の変化が、IBD患者に観察される慢性的で持続的な炎症の原因であるのか結果であるのかは、まだ明らかではありません。

IBD患者の生体試料では代謝物の有意なパターンが一貫して異なるため、異なるタイプの生体試料を用いて、患者と対照、IBDの活動状態と寛解状態を区別するための標的代謝物分析の検証を行う必要があります。最後に、これまで多くの代謝物が同定されてきましたが、これらの化合物の同定とIBDにおける特定の役割の間には、まだ大きな隔たりがあることを考慮することが重要です。したがって、メタボロミクスに関する研究の増加に伴い、今後の研究では、微生物のアルゴリズムを評価し、影響を受ける代謝物群と相関させるような統合的なオミックスアプローチが必要です。この代謝産物は、IBDにおける微生物群集をモニタリングし、治療的に操作するための直接的なターゲットとなる可能性があります。また、この結果を裏付けるために、さらに臨床結果と相関させ、根本的なメカニズムについてより深い洞察を得ることができるかもしれません。

参考文献
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