分子量と腸内細菌叢が経口投与ヒアルロン酸のバイオアベイラビリティを決定する

第313巻、2023年8月1日、120880号
分子量と腸内細菌叢が経口投与ヒアルロン酸のバイオアベイラビリティを決定する
著者リンク open overlay panelMatěj Šimek a, Kristýna Turková b c, Martin Schwarzer e, Kristina Nešporová a, Lukáš Kubala b c d, Martina Hermannová a, Tereza Foglová a, Barbora Šafránková a, Martin Šindelář c d, Dagmar Šrůtková e, Sofia Chatzigeorgiou a f, Tereza Novotná e, Tomáš Hudcovic e, Vladimír Velebný a
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引用元
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120880Get 権利と内容
要旨
栄養補助食品としてのヒアルロン酸は、皮膚の水分を増加させ、膝の痛みを和らげる能力があることが、いくつかの臨床試験で証明されている。作用機序を理解するためには、ヒアルロン酸のバイオアベイラビリティとin vivoでの運命を決定することが重要である。ここでは、13C-ヒアルロン酸とLC-MS分析を組み合わせて、無菌マウスと従来の野生型マウスにおける経口ヒアルロン酸の吸収と代謝を比較した。腸内のBacteroides属の存在は、ヒアルロン酸の吸収に極めて重要であった。特定の微生物はHAを不飽和オリゴ糖（<3 kDa）に切断し、これは腸壁から部分的に吸収される。残りのHA断片は短鎖脂肪酸に代謝され、これが宿主に利用できる唯一の代謝物である。経口ヒアルロン酸の低いバイオアベイラビリティ（〜0.2%）は、その作用機序が遠位作用部位（皮膚、関節）におけるヒアルロン酸の直接的作用よりも、ヒアルロン酸またはその代謝物の系統的調節機能によるものであることを示している。

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はじめに
ヒアルロン酸（HA）は、グルクロン酸（GlcA）とN-アセチルグルコサミン（GlcNAc）からなる単純な繰り返し二糖ポリマーで、細胞外マトリックスの必須成分としてすべての脊椎動物の組織に存在する。(Rodrigues et al., 2015) 人体では、HAは膝関節、関節軟骨、皮膚に最も多く存在し、潤滑剤、衝撃吸収剤、保湿剤として機能しています(Gupta et al., 2019)。HAの代謝は非常に効率的で、多くの酵素が関与している。ヒトでは、HAは細胞表面でHA合成酵素1-3（HAS1-3）によって最も一般的に1-8 MDaの分子量（Mw）で合成され（Cowman et al., 2015）、異なるヒアルロニダーゼ（HYAL1、HYAL2、PH-20、CEMIP、CEMIP2）によって分解される（Sindelar et al, 2021）. 恒常性と充填機能とは別に、HAは細胞増殖、接着および移動に関与し、細胞表面レセプターおよび結合分子（例えばCD44、レイリン、LYVE-1）との相互作用により、様々なシグナル伝達経路を誘発する（Kobayashi et al.）
HAは、その抗炎症作用と皮膚の水分を増加させ、膝の慢性疼痛を緩和する能力から、長年にわたり栄養補助食品として使用されていた（Pan et al., 2021）。多くの臨床研究により、経口投与されたHAの有益な効果が実証されているが（Kawada et al., 2014; Oe et al., 2016）、そのバイオアベイラビリティと作用機序に関しては一貫性のない情報が得られている。HAの高Mwは、腸壁を自由に通過することを妨げると示唆されている。しかし、消化管には、HAをより短い断片に切断できる酵素を含む複雑な微生物集団、腸内細菌叢が存在する（Ndehら、2020）。したがって腸内細菌叢は、経口投与されたHAの吸収の重要なメディエーターとして働くかもしれない。さらに、HAは腸内細菌叢の基質として機能し（Panら、2021）、したがって微生物群集の組成を調節し（Maoら、2021）、宿主に有益な影響を与えるかもしれない。考えられるメカニズムを考えると、いくつかの提案がなされている：a）HAは吸収され、作用部位（皮膚、関節）で直接効果を発揮する（Oe et al., 2014）、b）腸内または生体内のHAまたはその断片が、特定の細胞反応を引き起こす（Kolar et al., 2015）、c）腸内または生体内のHAのさらなる代謝物が、特定の細胞応答を引き起こす。しかし、経口投与されたHAの作用機序を明らかにするためには、まずそのバイオアベイラビリティとin vivoでの運命を明らかにすることが肝要である。これまでの研究の結果、ラットやイヌに経口投与されたHA（～1 MDa、99mTcまたは14C標識）は血液、皮膚、関節に分布し（Baloghら、2008）、バイオアベイラビリティは16 %以上と推定された（Oeら、2014）。逆に、他の研究では、経口投与されたHA（～1 MDa、ネイティブ）（Asariら、2010）または99Tc/14C標識（Laznicekら、2012）は体内で全く分布しなかったと報告した。これらの不一致は、放射性プローブや蛍光プローブを用いた技術による人為的な結果に起因していると考えられる（Svanovsky et al.、2008）。これらの欠点を克服するために、我々は最近、静脈内経路で適用した後のHA代謝を調べるために、高感度LC-MS分析と組み合わせた13C標識を導入した（Šimek et al., 2021）。
この研究の目的は、ユニークな13C標識技術によって、HAがどのように消化管を通過し、どのように代謝され体内に分布するかを明らかにし、そのバイオアベイラビリティに関する矛盾した知見を解決することである。我々は、HAのバイオアベイラビリティはMwに依存し、それは消化管を通過する間に減少しているという仮説を立てた。さらに、我々はHAが本当に関節や皮膚の栄養剤として機能するのか、あるいは臨床的に証明された効果は別の治療メカニズムに起因しているのかを解明したいと思う。これらの疑問に対する答えは、経口投与されたHAのin vivoでの運命と作用機序に新しい視点を与えるかもしれない。
セクションの抜粋
材料
13Cで標識されたニュートリヒル®（高Mw HA）は、Contipro社（Dolní Dobrouč、チェコ）によりd-グルコース（U13C、99 %）（ Cambridge Isotope Laboratories、Tewksbury、アメリカ）からバイオテクノロジー的に調製した。低Mw HA (15 kDa)の調製には酸加水分解が用いられた。高Mw 13C-HA（10mgml-1）の溶液を硫酸でpH3.0まで酸性化し、100℃で240分間加熱した。室温まで冷却した後、溶液を水酸化ナトリウム水溶液で中和した。前処理
従来のWTマウスにおける経口投与されたHAの運命
我々は、安定同位体をHA構造に直接組み込んだ13C標識HA（S.Fig.1B）とLC-MS分析（Šimek et al., 2019; Šimek et al., 2021）を組み合わせて、胃腸管（GIT）を通る高Mw HA透過の動態、そのバイオアベイラビリティ、体内分布について決定するために使用した。安定同位体標識とLC-MS分析との組み合わせにより、内因性HAと外因性HAの分離、経口投与されたHAのMw変化のモニター、およびその同定が可能になりました。
結論
本研究では、経口投与されたHAのin vivoでの運命について新しい視点を提供するために、従来のWTおよびGFマウスにおいて経口投与された高MwのHAの薬物動態的挙動を詳細に明らかにした。我々の仮説通り、高分子量HAはGITを通過する間に解重合される。しかし、主な発見は、経口投与されたHAの腸内微生物による解重合は、そのバイオアベイラビリティを確保するために不可欠であり、GF動物では腸内細菌叢に完全に依存している、ということである。
CRediT著者による貢献声明
Matěj Šimek： 概念化、監修、可視化、形式的解析、データキュレーション、執筆（原案）、プロジェクト管理。Kristýna Turková： 調査、データキュレーション、執筆-原案、執筆-レビュー・編集。マーティン・シュヴァルツァー（Martin Schwarzer 視覚化、調査、概念化、執筆-レビューと編集。Kristina Nešporová： 概念化、監修。Lukáš Kubala： 資金獲得、監督、方法論、リソース、執筆-原案、プロジェクト
競合する利害関係の宣言
著者らは、競合する利害関係を宣言していない。
謝辞
この研究は、欧州地域開発基金-プロジェクトINBIO（No.CZ.02.1.01/0.0/16_026/0008451）の支援を受けています。MSchラボは、チェコ科学財団JUNIOR STAR助成金（GAČR 21-19640M）の支援を受けています。ウィーン工科大学のMartina Marchetti-Deschmann博士の研究室でMALDI-MS画像を測定する機会を与えていただいたことに感謝する。
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