寒冷ストレスは腸内細菌叢と代謝物を変化させることでマウスの大腸炎様表現型に誘導する

メインコンテンツへスキップ
トップバーナビゲーション
微生物学のフロンティア
セクション
論文研究トピックス編集委員会
ジャーナルについて
当研究所について
全ジャーナル全記事研究内容を投稿する
補足データ
465件閲覧総数
201ダウンロード
記事のインパクトを見る
オリジナリティのある研究論文
Front. マイクロビオール、2023年4月11日
Sec.システムズ・マイクロバイオロジー
第14巻～2023年｜https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1134246
この記事は、研究テーマの一部です。
ワンヘルスとマイクロバイオータの融合：消化管マイクロバイオータ、宿主、環境の相互作用
全8記事を見る
寒冷ストレスは腸内細菌叢と代謝物を変化させることでマウスの大腸炎様表現型に誘導する

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2023.1134246/full

Lijuan Sun1† Xueying Wang1† Yuankang Zou2† Yixuan He1, Changting Liang1, Juan Li1, Pu Li1,3* and Jianbin Zhang2*
1Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China, Ministry of Education, School of Medicine, Northwest University, Xi'an, China.
2中国西安市第四軍医大学公衆衛生学部職業環境衛生学科および教育部特殊作戦環境危険性評価制御重点実験室（中国西安市
中国山西省西安市空軍医科大学第二附属病院麻酔科
はじめに 近代化されたライフスタイルと並行して、炎症性腸疾患（IBD）が流行しています。特に冷たい飲み物の過剰摂取は、現代人に多く見られる。しかし、寒冷ストレスが腸管バリアや腸脳軸に直接寄与しているかどうかは明らかではない。
方法 冷水によって誘発される寒冷ストレスモデルを実施した。マウスに14日間連続で冷水または一般水を胃内投与した。その結果、大腸の腸管通過と腸管バリアの変化が観察された。また、RNAシークエンスを用いたトランスクリプトーム解析を採用し、腸管傷害を潜在的に促進する遺伝子を同定し、同時に腸内細菌叢と糞便中の代謝産物を検討した。
結果 寒冷ストレスが腸の機能を乱し、腸の透過性を高めることを発見した。免疫反応に関連する一連のコア遺伝子は、寒冷ストレス群で一貫して過剰発現していた。さらに、寒冷ストレスは、細菌の多様性、生態系ネットワークの低下を誘導し、主にプロテオバクテリアに属する病原体を増加させた。また、ドーパミンシグナル伝達経路に関連する代謝物は、寒冷ストレス群で大きく減少していた。
結論 本研究により、寒冷ストレスがマウスのIBD様表現型を誘発することが明らかになり、寒冷ストレスがIBD発症の危険因子である可能性が示唆された。
はじめに
近代化されたライフスタイルと並行して、1980年代から世界的にいくつかの消化器疾患が流行し、その中には腸のバリア機能障害を特徴とする過敏性腸疾患（IBD）が含まれている（Ananthakrishnan、2015；Khademi et al、2021）。特に、IBDの発症率は若年層、それも小児の間で継続的に上昇しています（Barnes and Kappelman, 2018）。IBDの患者は、不安や抑うつなど、過敏性腸症候群（IBS）の患者とある程度似た症状を呈する（Spiller and Major, 2016）。これらの知見は、近代化されたライフスタイル、腸のバリア、腸と脳の相互作用の間の潜在的な関連性を示唆しています。
冷たい飲料の過剰な消費は、現代の人口サブセット、特に若者に非常に多く見られます。飲料に含まれる甘味料、食品添加物、その他の食品成分がIBDに重要な役割を果たすことを示す証拠が増えている（He et al.、2021）。しかし、他の関連因子（例えば、腸内の寒冷ストレス）がIBDの発生に影響を及ぼすかどうかは、まだよく分かっていない。冷たい食事の摂取は胃の収縮活動を乱すことが示されている（Sun et al., 1995; Verhagen et al., 1998）。
興味深いことに、工業的および家庭的な冷蔵開発は、腸の炎症を悪化させる精神栄養細菌（Yersiniaなど）にヒト集団がさらされる機会を増やすため、IBDの病因における重要な環境因子とみなされている（Hugot et al., 2021）。しかし、IBD患者の約10%のみが腸内にYersiniaを保有していることが判明しており（Le Baut et al., 2018）、したがって、精神栄養細菌説はこれらの状態を完全に説明することはできない。その結果、いくつかの他の関連要因（例えば、腸内の寒冷ストレス）がIBDの発生に影響を与える可能性があります。
寒冷ストレス、腸のバリア、腸と脳の相互作用の関連を解明するために、マウスモデルで冷たい飲料の過剰摂取を模倣しました。メタボリックシンドロームは潜在的に重要な交絡因子であり、無数の生理・内分泌系を変化させることで腸脳軸に間接的に影響を与える可能性があります（Sun et al.、2018）。寒冷ストレスではなく、飲料からのカロリー過剰摂取によって直接引き起こされる代謝効果を切り離すために、マウスに冷水を14日間連続でガベージ投与しました。そして、マウスの消化管生理とストレス関連行動を評価しました。さらに、腸内細菌と代謝物は腸-脳軸の双方向の相互作用に不可欠であることから、寒冷ストレスが糞便中の細菌叢と代謝物に影響を与えるかどうかを検討した。これらの結果は、寒冷ストレスによる腸管バリア機能障害、腸内細菌叢、代謝物の乱れとの関連性を明らかにし、忍び寄るIBDの発症を抑制する新たな予防策を提供すると考えられる。
材料と方法
動物
本研究では、C57BL/6マウス（8週齢、雄）を使用した。16匹のマウスを2群に分けた： コントロール群（n = 8）では、室温の水（20-25℃）を用いた経口摂取を行った。寒冷ストレス群（n = 8）では、マウスに冷水（0-4℃）を与えた。
通常の飲料水と餌は、常にマウスに与えることができた。さらに、各マウスに合計1mlの冷水または室温の水を与えた。水は使用前にオートクレーブで滅菌し、滅菌容器を用いて取り扱った。ガベージで与える最大量は一度に200μlで、それを5回与えた。この処置は2週間続いた。2週間の経口投与後、腸管機能検査と行動検査を実施した。プロトコルは、西北大学動物研究倫理委員会の承認を得た（承認番号：20210204）。
糞便排出量、糞便水分量評価、ブリストルスコア
すべてのマウスを別々の清潔なケージに移し、午前8時から午前12時までの4時間、糞便を番号付けして採取した。採取した糞はすべてチューブに入れ、チューブの重量を測定して湿重量を記録した後、60℃で一晩乾燥させ、再度重量を測定して乾燥重量を記録した。最後に水分含有量を算出した。ブリストルスコアの基準は、以前の研究（Koh et al., 2010）に記載されているように評価された。
組織学的解析および疾患活動性指標スコア
マウスを頸椎脱臼により死亡させた。その後、マウスを解剖し、腹部から全腸を摘出した。回腸と結腸からそれぞれ数節を採取し、冷生理食塩水で洗浄し、4％ポリホルムアルデヒドで固定した。回腸と結腸のサンプルは、病変の組織学的検査用に準備した。切除したセグメントを縦に開き、パラフィンに包埋し、切片化した。回腸と結腸のヘマトキシリン・エオシン染色を行った。腸の炎症は、既報（Zielinska et al., 2017）に従い、潰瘍形成、上皮細胞の変化（杯細胞）、リンパ球浸潤、リンパ節形成を観察して評価した。DAIスコアは、既報（Kim et al.、2012）に従い、便の硬さ、血液、体重減少に応じて評価します。
腸の蠕動運動
簡単に説明すると、0.6gのカルミンを0.5%ヒドロキシメチルセルロース溶液に溶解し、6%カルミン溶液を得た。この6％カルミン溶液の200μlのアリコートをマウスにガベージで投与した。その後、動物を白い紙（赤い糞を認識しやすくするため）上の別々のケージに入れた。腸蠕動活性は、ガベージから最初に排泄された赤いボーラスまでの時間として定義した（Zielinska et al.、2017）。
間接カロリメトリー
本試験では、対照群から6匹、寒冷ストレス群から6匹のマウスをランダムに選択し、代謝試験を実施した。12匹のマウスを代謝ケージ（Columbus Comprehensive Lab Animal Monitoring System, Columbus, OH, USA）に移し、餌と水を自由摂取させながら24時間収容した。24時間の適応後、酸素量（VO2）、二酸化炭素量（VCO2）、呼吸交換比（RER；VCO2/VO2）、熱生産、食物摂取量、飲料摂取量が、その後の24時間、システムによって自動的に測定された。
免疫蛍光法
免疫蛍光は、記載されたように結腸組織からのパラフィン切片で行った（Dinallo et al.、2019）。一次抗体E-カドヘリン（1：1000；BD Biosciences）およびZO-2（1：1000；Cell Signaling Technology）とともに4℃で一晩インキュベートし、PBSで3回洗浄後、アレクサフルオロ色素（1：300；サービスビオ）と結合した特異的二次抗体とともにスライドは室温で1時間インキュベートされた。DNAをカウンターステインするためにDAPIを含むProLong Goldアンチフェード試薬を使用して、カバースリップをスライドガラスにマウントした。最後に、蛍光顕微鏡で画像を取得した。
うつ病・不安神経症様行動試験
抑うつ様行動の評価には、尾部懸垂試験（TST）を使用した。前述したように（Steru et al., 1985）、マウスは6分間吊り下げられるようにされた。すべてのセッションはビデオ録画された。6分間のセッションのうち、TSTでもがく時間(The mice have obvious struggling movements)を記録し、生存のための行動として評価した。もがく時間が短くなった行動を抑うつ様行動とした。また、不安様行動については、先に述べたようにOpen Field Test（OFT）を用いて検討した（Walsh and Cummins, 1976）。運動量は15分間モニターした。探索行動の指標として、中央部での滞在時間を記録した。中心部にいる時間が短くなった行動を不安様行動とした。
糞の採取、16S rDNA配列の決定、およびアンターゲットメタボローム解析
午前8時から午前11時の間に糞便を採取した。採取した糞便サンプルは-80℃で保存した。糞のDNA抽出、ポリメラーゼ連鎖反応、ライブラリ構築、およびシーケンシングは、以前に記載したように行った（Sun et al.、2019a）。多様性指標は、QIIME2を用いて算出した。主座標分析は、Calypsoオンラインツールを用いて実施した。相対存在量、スピアマン相関係数、ヒートマップは、Tパッケージを用いて計算し、比較した。属レベルのスピアマン順位相関は、我々の以前の研究（Sun et al., 2019b）と同様に計算した。
糞便メタボロームの解析には、液体クロマトグラフィー質量分析装置（LC-MS）を採用した。ACQUITY UPLCシステム（Waters Corporation, Milford, MA, United States）とAB SCIEX Triple TOF 6600システム（AB SCIEX, Framingham, MA, United States）を結合し、ポジティブおよびネガティブイオンモードで、以前に説明したように使用した（Su et al., 2020; Yan et al.、2020年）。
RNA配列決定およびバイオインフォマティクス解析
TRIzol試薬（Invitrogen, Carlsbad, CA, United States）を用いてRNAを抽出し、Bioanalyzer 2,100（Agilent, CA, United States）によりRNAインテグリティを評価しました。Poly(A) RNAを精製して細かく断片化し、逆転写してcDNAを合成し、U標識した二本鎖DNAを熱溶性酵素UDGで処理し、増幅した。最後に、生成物をIllumina NovaSeq 6,000 platform (LC-Biotechnology Co., Ltd., Hangzhou, China)で配列決定した。
品質管理にはFastpソフトウェアを使用し、リードのマッピングにはHISAT2を使用し、アセンブルにはStringTieを使用した。異なるmRNAは、以下の基準で選択した：ネステッドリニアモデルを比較するパラメトリックF-testにおいて、fold changeが>2または<0.5、p<0.05であるmRNAを。
統計解析
腸機能および行動試験におけるすべてのデータは、平均値±SEMとして示された。統計解析は、寒冷ストレス群とコントロール群の比較にStudent's t-testを用いることで行った。RNA-seq、腸内細菌叢、代謝物のバイオインフォマティクスデータの統計解析は、Rパッケージveganを使用して行った。p値が0.05未満を統計的有意とみなした。
結果
寒冷ストレスはマウスの腸の機能を乱し、腸の透過性を高める
1匹のマウスが経口摂取中に窒息死したため、合計15匹のマウス（コントロール群8匹、寒冷ストレス群7匹）が実験を完了することができた。両群間で熱産生量、摂餌量、飲水量、呼吸交換量に有意差はなかった（補足図S1A-D）。また、寒冷ストレス群では、空腸（補足図S1E）および結腸長（補足図S1F）に変化は認められなかった。カルミンレッド投与による消化管運動の評価では、寒冷ストレス群で消化管推進力が低下していることが確認された（補足図S1G）。寒冷ストレス群では、糞便排出量の低下（t = 2.493, p = 0.027; 図1A）、糞便水分率の低下（t = 4.815, p < 0.001; 図1B）、Bristolスコアの低下（t = 3.015, p = 0.010; 図1C）が観察されました。これらの結果は、寒冷ストレスが腸の機能を撹乱することを示唆している。IBDでは、便性状の変化、血便、体重減少が最も重要な特徴であることから、DAIスコアで大腸炎の重症度を評価しました。その結果、寒冷ストレス群のDAIスコアは、コントロール群に比べて有意に高いことがわかりました（t = -4.861, p < 0.001; 図1D）。これに対応して、ヘマトキシリン・エオシン染色では、腸絨毛がまばらで、空腸の腸絨毛に浮腫が見られ（図1E）、杯細胞の著しい減少、炎症反応の増強、大腸の組織スコアの上昇が認められた（t = -2.193, p = 0.047; 図1F). また、腸のバリアに関しては、免疫蛍光法によりE-カドヘリンとZO-2の発現がコントロール群と比較して低下していることが確認された（図1G）。
図1
図1. 寒冷ストレスはマウスの腸の機能を乱し、腸の透過性を高める。(A）4時間後の糞便の排出量（B）糞便の水分率。(C) Bristolスコア。(D) 体重と糞便の性状から算出したDAIスコア。(E,F）コントロールマウスおよび低温ストレス処理マウスのヘマトキシリン・エオジン染色した空腸および結腸切片とそれに対応する組織学的スコア。(G) 結腸における腸管バリアのマーカー、E-カドヘリン（左）およびZO-2（右）の代表画像 スケールバー＝50μm。すべてのデータは平均値±SEMで表される（対照群ではn = 8、寒冷ストレス群ではn = 7）。*p < 0.05.
寒冷ストレスはマウスの腸管組織の炎症反応を悪化させる
寒冷ストレス後の腸管組織の遺伝子発現の変化をさらに明らかにするために、2つのグループから6匹のマウスをランダムに取り出し、RNAシーケンサーを用いて腸管組織の遺伝子発現プロファイルを調査した（図2A）。その結果、対照群と比較して寒冷ストレス群で発現が上昇した遺伝子は330個、低下した遺伝子は102個であり、群間で発現に差がある遺伝子が合計432個同定されました（図2B）。Gene Ontology解析の結果、すべての遺伝子が、B細胞の活性化とB細胞受容体複合体、免疫グロブリン産生、免疫グロブリン複合体、補体活性化、抗原結合、細菌に対する防御反応など、自然免疫反応と適応免疫反応を含む免疫機能プロセスに最も強く富んでいることがわかった（図2C)。これらの結果に伴い、KEGGパスウェイ解析でも、原発性免疫不全、B細胞受容体シグナル伝達、IgA産生のための腸管免疫ネットワーク、NK細胞媒介細胞傷害経路など、大腸の免疫活性化に濃厚な遺伝子が示された、 白血球経内皮移動、Th1およびTh2細胞分化、Th17細胞分化、サイトカイン-サイトカイン受容体相互作用、ケモカインおよびFcガンマRを介した貪食作用など、いずれも大腸の免疫反応に深く関わっている（図2）。
図2
図2. 寒冷ストレスはマウスの腸管組織の炎症反応を増悪させる。(A）冷水処理群でアップレギュレートおよびダウンレギュレートされた遺伝子の数。(B)2群間で差分発現した遺伝子のVolcano plot。(C,D) 2群間のGOおよびKEGGパスウェイの濃縮解析。(E)コントロール群と比較した低温ストレス群の遺伝子セット濃縮解析。データは3回の生物学的反復の代表値である（n = 3）。
寒冷ストレスの大腸への影響をさらに明らかにするために、遺伝子セット濃縮解析を用いて遺伝子を解析したところ、BおよびT細胞受容体シグナル伝達経路、白血球経内皮移動、FCイプシロンRIシグナル伝達経路、ケモカインシグナル伝達経路、サイトカイン-サイトカイン受容体相互作用に関わる遺伝子が大幅に上昇した（図2E）。これらのことから、寒冷ストレスがマウスのIBD様表現型を誘発することが示唆された。
寒冷ストレスは腸内細菌叢の細菌多様性の低下と脆弱な生態系ネットワークにつながる
一般に、IBDは、免疫系が常在する腸内細菌叢に過剰に反応し、腸のバリアを破壊するような炎症イベントの連鎖を誘発することで発症すると考えられています（Eisenstein、2016）。これらの知見から、寒冷ストレス刺激下での糞便からの微生物叢または細菌代謝物の変化が、腸のバリアおよび腸と脳の相互作用を制御する可能性があるかどうかをさらに調査することが求められました。
対照群から8個体の糞便サンプル、寒冷ストレス群から7個体の糞便サンプルを採取し、塩基配列を決定しました。UniFrac distancesを用いた主成分プロットでは、寒冷ストレス群とコントロール群の間に明確な分離が見られ（図3A）、寒冷ストレスが腸内細菌叢の組成に大きな変化をもたらしていることが示唆された。また、Shannon indexでは、両群間に差は見られなかった（図3B）。しかし、操作分類単位（OTU）レベルでは、微生物相は有意に異なっていた（図3C）。OTU198（Lachnospiraceae_未分類）、OTU337（Clostridiales_Incertae_未分類）、OTU156（Muribaculaceae_未分類）、OTU254（Erysipelotrichaceae_未分類）、OTU88（Duncaniella）、OTU334（Muribaculaceae_未分類）は存在量に差があった、 OTU13（Paramuribaculum）、OTU433（Proteobacteria_未分類）、OTU215（Lachnospiraceae_未分類）、OTU258（Firmicutes_未分類）、OTU115（Paramuribaculum）、OTU272（Mailhella）およびOTU34（Ackermansia）は、低温ストレスグループで有意に増加した。さらに、OTU246（Anaerotruncus）、OTU15（Alistipes）、OTU209（Clostridiales_unclassified）の存在量は、低温ストレス下で減少した（図3）。詳細な情報は、補足表S1に示した。さらに効果量の線形判別分析により、寒冷ストレス群で存在量が増加した細菌は、主にProteobacteriaに属することが示された（補足図S2）。細菌のパターンを調べるために、2つのグループでそれぞれそのネットワークを構築したところ、寒冷ストレス処理マウスのネットワークはコントロールグループ（ノード/エッジ＝80/234）に比べて単純な性質（ノード/エッジ＝81/176）であり、寒冷ストレスが腸内細菌叢の環境ストレスに対する脆弱性を誘導する可能性を示していた（図3E）。
図3
図3. 寒冷ストレスは、腸内細菌叢において細菌の多様性が低く、生態系ネットワークが脆弱であることを示す。(A) 2群間の重み付けされていないUniFrac距離の主成分分析（PCoA）プロット。(B)シャノン多様性スコア。(C）主要な操作分類単位（OTU）のヒートマップ。 D）OTUレベルで存在量の異なる腸内細菌。(E)属レベルでのネットワーク解析。V：ノードの数。E：エッジの数。(対照群n = 8、寒冷ストレス群n = 7）。
寒冷ストレスは腸内細菌叢のドーパミン関連経路の代謝産物をダウンレギュレートする
微生物と宿主の橋渡し役である腸内細菌叢の代謝物の中には、血流に乗ることで宿主の生理機能に影響を与えるものがあります。そこで、LC-MSを用いて糞便中の代謝物を解析した。その結果、部分最小二乗法判別分析により、コントロール群と低温ストレス群の代謝データクラスターが、ポジティブイオンモードとネガティブイオンモードの両方で互いに分離されていることがわかりました（図4A,B）。また、ヒートマップでは、寒冷ストレスによって糞便中の代謝物量が大きく変化することが示されました（図4C）。1,179種類の代謝物がアップレギュレーションされ、1896種類の代謝物がダウンレギュレーションされて有意な変化を示しました（図4D）。最も強い影響を受けた代謝経路は、コカイン中毒、ドーパミン作動性シナプス、アンフェタミン中毒、アルコール依存症（図4E）で、いずれもドーパミン、L-ドーパミン、L-チロシン、ホモバニリン酸のレベルの著しい減少を伴っていた（図4F）。最も重要な神経伝達物質の一つとして、ドーパミンレベルの低下は、寒冷ストレスマウスの不安様行動やうつ様行動に寄与していると考えられる。さらに、IBDの患者は、不安や抑うつなど、IBSの患者と類似した症状をいくつか示す。そこで、これらの行動をさらに評価しました。
図4
図4. ドーパミン関連経路の代謝物は、寒冷ストレス処理によってダウンレギュレーションされる。(A) ポジティブイオンモードにおける全ピークフィーチャーの部分最小二乗判別分析（PLS-DA）スコア。(B) 負イオンモードにおける全ピークフィーチャーのPLS-DAのスコア。(C) 寒冷ストレス群で変化した代謝産物のヒートマップ。(D)2群間で差次的に発現した(DE)代謝物の数。(E) 影響を受けたパスウェイ。(F）ドーパミン関連経路の代謝物（ドーパミン、L-ドーパミン、L-チロシン、ホモバニリン酸）。*p < 0.05（コントロール群n = 8、寒冷ストレス群n = 7）。
寒冷ストレスはマウスのうつ病様行動を増加させる
尾部懸垂試験において、闘争時間は寒冷ストレス群で有意に減少し（t = 2.347, p = 0.035; 図5A）、寒冷ストレスに曝されたマウスではうつ病様行動が増加することが示唆された。さらに、オープンフィールド試験では、中心時間（t = 2.451, p = 0.029）が寒冷ストレス群で減少し（図5B）、寒冷ストレス群では探索行動が減少し、不安様行動が増加する傾向があることが示唆された。
図5
図5. 寒冷ストレスは不安様行動とうつ様行動を増加させる。(A)尾部吊り下げテストでのもがき時間(左)とモーショントラッキング(右)。(B)オープンフィールド試験におけるセンタータイムとモーショントラッキング。*p < 0.05. (対照群n = 8、寒冷ストレス群n = 7）。
腸内細菌叢と代謝の変化の相関性
最後に、寒冷ストレス処理群の腸内細菌叢における代謝物摂動の機能的意義を探るため、有意差のあるアノテーションされた97種類の代謝物を選択し、異なる細菌とのスピアマン相関係数を算出しました。その結果、腸内細菌叢と代謝物の間に有意な相関が認められ（補足図S3A）、また代謝物と腸機能の間にも相関が認められた（補足図S3B）。
考察
飲料消費の増加は、代謝性疾患や大腸がんの発症に重要な役割を果たすことが以前から認識されている（Yoshida and Simoes, 2018; Goncalves et al., 2019; Hur et al., 2021）。これらの疾患の発症には、乳化剤、着色料、二酸化チタン、アルミニウムなどの食品添加物が大きく寄与していますが、最近のエビデンスでは、食品添加物が大腸炎の発症因子であることも確認されています（He et al.、2021）。本研究では、冷水がIBD発症に寄与する可能性に着目しました。これらの知見から、腸内の冷温ストレスへの曝露は、ヒトにおけるIBDの新規リスクファクターでもあり、マウスにおける実験的IBD確立のトリガーとなる可能性が示唆されました。
IBDにおける腸管バリアの調節障害は、環境因子と遺伝的素因によって引き起こされるが（Graham et al., 2020）、特定の環境因子を特定することは困難であった。IBDの環境リスク因子として、特定の食品添加物が同定されています（Yang et al.、2018）。ここでは、低温が大腸炎の発症に直接影響するかどうかを特定することを目的としました。ヒトでの観察と同様に、マウスに冷水を投与すると腸の通過が減衰し、さらに、マウスは腸のバリア傷害という大腸炎に似た表現型を示しました。冷たい飲料の摂取量の増加がいくつかの胃腸症状に関連するという事実は、一見、寒冷ストレスと腸の障害との関連を示唆している。実際、我々の結果は、冷水への曝露が腸管通過障害を誘発するだけでなく、低グレードの炎症をも生じさせることを示している。これらのことから、冷水にさらされると、炎症シグナル伝達経路が活性化し、局所粘膜の免疫細胞の活性化や免疫細胞の移動が起こることが予想される。これらは、IBD患者の特徴でもある（Neurath, 2019）。
大腸炎における低グレードの炎症は、腸内細菌叢のディスバイオシスと関連し、それによって促進される可能性があります（Frank et al., 2007）。本研究の寒冷ストレス群で観察された低い細菌多様性と腸内細菌叢の変化は、IBDで観察されるものと極めて類似しています。例えば、微生物多様性研究では、IBD患者におけるProteobacteriaの過剰増殖が実証されています（Zhou et al.、2018）。正常な恒常性の下では、上皮細胞、タイトジャンクション、および局所免疫系が、腸内の病原体の移動を防止しています。しかし、遺伝的に影響を受けやすい人では、プロテオバクテリアが拡大して内腔をコロニー化し、薄層プロプリアに侵入して、腸管バリアの崩壊をさらに悪化させます（Mukhopadhya et al.、2012）。宿主は、ヌクレオチドオリゴマー化ドメイン様受容体、Toll様受容体、レチノイン酸誘導性遺伝子I様受容体を介して、プロテオバクテリアを認識する。さらに、プロテオバクテリアのリポ多糖、ペプチドグリカン、フラジェリンなどの微生物叢由来の産物は、粘膜における免疫反応の活性化を誘発する。本研究は、寒冷ストレスに伴う病原体の増加により、腸内の炎症が促進され、マウスの腸管バリア破壊に寄与している可能性を示唆しています。
微生物叢由来の産物とは別に、腸内細菌叢の代謝産物もIBDの発症や増悪に重要な役割を果たすものである。微生物の代謝産物からのシグナルが、粘膜の完全性や免疫のホメオスタシスに影響を与えることを示唆する証拠が蓄積されています。さらに、IBD患者では、胆汁酸、短鎖脂肪酸、トリプトファンなどの代謝物の組成と機能が深刻に乱されています（Lloyd-Priceら、2019；Lavelle and Sokol、2020）。本研究では、寒冷ストレス曝露下で腸内細菌叢の代謝物の有意な変化も確認された。興味深いことに、ドーパミン関連経路のいくつかの代謝物のレベルが著しく低下していることがわかりました。
ドーパミンは、末梢組織と中枢神経系に同時に存在する重要なカテコールアミン系神経伝達物質であり、血圧、ナトリウムバランス、グルコースの恒常性、認知、記憶、交感神経系、気分を調節しています（Pinoli et al., 2017）。ドーパミンは主に脳、T細胞、樹状細胞、およびクロストリジウム属などの腸内常在菌で合成されるが（Vidal and Pacheco, 2020）、近年、免疫系の重要な制御因子として認識されるようになってきている。ドーパミン経路の障害は、自然免疫と適応免疫の両方に大きく影響し、炎症性病態の発症を引き起こします（Vidal and Pacheco, 2020）。腸管バリアー損傷の患者のかなりの割合が不安やうつ病を患っており（Byrne et al., 2017）、腸と脳の合理的なつながりを暗示している。一貫して、彼らの行動を調べたところ、冷水ストレスがうつ病の傾向をもたらすことがわかりました。我々の発見は、冷水ストレスが腸内細菌叢の神経活性を低下させ、不安やうつ病を促進する炎症活性を高めることを示唆し、これはドーパミン経路の障害と関連している可能性があります。
しかしながら、本研究にはいくつかの限界がある。我々は、腸管バリア、微生物叢、および代謝物に対する寒冷ストレスの影響を調べるために、マウスを冷水で扱った。これらの結果は、冷温ストレスの重要な役割を認めている。しかし、使用した飲料の種類やヒトとマウスの生理学の違いから、ヒトで冷たい飲料を摂取した状態を完全に模倣することはできない。また、寒冷ストレス処理マウスでは、病原体の著しい過剰増殖やドーパミン関連代謝物の減少が認められるものの、腸内細菌叢の変化が腸管バリア傷害を引き起こしていることを完全に特定することはできない。また、腸内バリアや行動への影響と微生物叢やその代謝物の役割について、因果関係や随伴関係を深く解明するためのさらなる研究が必要である。本論文は、このモデルの系統的で詳細な表現型を記述する新しい試みであり、サンプルサイズがやや小さすぎるため、結論をより確かなものにするためには、さらなる研究が必要である。
結論
要約すると、本研究は、寒冷ストレスへの曝露がマウスの大腸炎発症を促進することを示した。また、冷たい飲み物や食べ物の習慣的な摂取がIBDの発症に関与していることから、本研究の結果はヒトにも影響を与える可能性がある。
データの利用可能性に関する記述
本研究で発表されたデータセットは、オンラインリポジトリで見ることができます。リポジトリ名とアクセッション番号は、https://www.jianguoyun.com/p/DRel6OYQuaiFChi1vOoEIAA で確認できます。
倫理に関する声明
この動物実験は、ノースウェスト大学の動物研究倫理委員会の審査と承認を受けた。
著者貢献
JZが研究を計画した。LS、XW、YZ、PLが研究を実施し、原稿を執筆した。YHはデータを分析した。CLとJLは方法とモデルについて貢献した。すべての著者は、論文に貢献し、提出されたバージョンを承認した。
資金提供
本研究は、中国国家自然科学基金（81900483）、有人宇宙飛行先行研究プログラム（18032020103）、陝西省優秀青年基金プロジェクト（2023-JC-JQ-65）、空軍医学大学インキュベーション事前研究プログラム（2022-phjsyxrc04）からの助成を受けている。
謝辞
Freescienceの言語編集サービスに感謝する。
利益相反
著者らは、本研究が潜在的な利益相反と解釈され得る商業的または金銭的関係がない状態で実施されたことを宣言する。
出版社からのコメント
本論文で表明されたすべての主張は、あくまでも著者のものであり、必ずしも所属団体や出版社、編集者、査読者のものを代表するものではありません。本論文で評価される可能性のある製品、またはその製造元が主張する可能性のある主張は、出版社によって保証または支持されるものではありません。
補足資料
本論文の補足資料は、オンラインにてご覧いただけます： https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2023.1134246/full#supplementary-material
略語
IBD、過敏性腸疾患、IBS、炎症性腸症候群、OTU、運用分類単位、TST、尾部懸垂試験、OFT、オープンフィールド試験、LC-MS、液体クロマトグラフィー質量分析計。
参考文献
Ananthakrishnan, A. N. (2015). ibdの疫学とリスクファクター．Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 12, 205-217. doi: 10.1038/nrgastro.2015.34.
クロスレフフルテキスト｜Google Scholar
バーンズ、E. L.、カッペルマン、M. D. (2018). 論説：フランスにおける小児炎症性腸疾患の発生率の増加：病因、診断、予後、および治療への影響。Am. J. Gastroenterol. 113, 273-275. doi: 10.1038/ajg.2017.431
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Byrne、G.、Rosenfeld、G.、Leung、Y.、Qian、H.、Raudzus、J.、Nunez、C.、その他（2017）. 炎症性腸疾患患者における不安とうつ病の有病率．Can. J. Gastroenterol. Hepatol. 2017:6496727. doi: 10.1155/2017/6496727
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Dinallo, V., Marafini, I., di Fusco, D., Laudisi, F., Franzè, E., di Grazia, A., et al. (2019). 好中球細胞外トラップは潰瘍性大腸炎における炎症シグナルを持続させる(Neutrophil extracellular traps sustain inflammatory signals in ulcerative colitis). J. Crohns Colitis 13, 772-784. doi: 10.1093/ecco-jcc/jjy215
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
アイゼンシュタイン、M. (2016). 生物学：スローモーションの伝染病。ネイチャー 540, S98-S99. doi: 10.1038/540S98a
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Frank, D. N., St Amand, A. L., Feldman, R. A., Boedeker, E. C., Harpaz, N., and Pace, N. R. (2007). ヒト炎症性腸疾患における微生物群集の不均衡を分子系統学的に特徴付ける。Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A.104、13780-13785. doi: 10.1073/pnas.0706625104
PubMedアブストラクト｜CrossRefフルテキスト｜Google Scholar
Goncalves, M. D., Lu, C., Tutnauer, J., Hartman, T. E., Hwang, S. K., Murphy, C. J., et al. (2019). 高フルクトースコーンシロップは、マウスの腸内腫瘍の成長を促進する。サイエンス 363, 1345-1349. doi: 10.1126/science.aat8515
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Graham, D. B., and Xavier, R. J. (2020). 炎症性腸疾患の遺伝学から明らかになった経路のパラダイム。ネイチャー578, 527-539.
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
He, Z., Chen, L., Catalan-Dibene, J., Bongers, G., Faith, J. J., Suebsuwong, C., et al. (2021). 常在菌によって代謝される食品着色料は、インターロイキン-23の発現が調節不能なマウスにおいて大腸炎を促進する。Cell Metab. 33, 1358-1371.e5. doi: 10.1016/j.cmet.2021.04.015
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Hugot, J. P., Dumay, A., Barreau, F., and Meinzer, U. (2021). クローン病：コールドチェーン仮説はまだ熱いか？J. Crohns Colitis 15, 678-686. doi: 10.1093/ecco-jcc/jjaa192
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Hur, J., Otegbeye, E., Joh, H. K., Nimptsch, K., Ng, K., Ogino, S., et al. (2021). 成人期および青年期における砂糖入り飲料の摂取量と、女性における早期発症大腸がんのリスク。Gut 70, 2330-2336. doi: 10.1136/gutjnl-2020-323450
PubMedアブストラクト｜CrossRefフルテキスト｜Google Scholar
Khademi, Z., Milajerdi, A., Larijani, B., and Esmaillzadeh, A. (2021). 総炭水化物、砂糖、砂糖入り飲料の食事摂取量と炎症性腸疾患のリスク：前向きコホート研究の系統的レビューとメタ分析。Front. Nutr. 8:707795. doi: 10.3389/fnut.2021.707795.
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Kim, J. J., Shajib, M. S., Manocha, M. M., and Khan, W. I. (2012). IBDのDSS誘発モデルにおける腸内炎症の調査。J. Vis. 60:3678、doi: 10.3791/3678
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Koh, H., Lee, M. J., Kim, M. J., Shin, J. I., and Chung, K. S. (2010). 医療現場におけるヒルスコアとブリストル便形スケールを用いた小児便潜血の簡易診断法．J. Gastroenterol. Hepatol. 25, 334-338. doi: 10.1111/j.1440-1746.2009.06015.x
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Lavelle, A., and Sokol, H. (2020). 炎症性腸疾患のキーアクターとしての腸内細菌叢由来代謝産物。Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 17, 223-237. doi: 10.1038/s41575-019-0258-z
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Le Baut, G., O'Brien, C., Pavli, P., Roy, M., Seksik, P., Tréton, X., et al. (2018). クローン病患者およびコントロールの回腸におけるヤルシニア種の有病率。Front. Cell. Infect. Microbiol. 8:336. doi: 10.3389/fcimb.2018.00336
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Lloyd-Price, J., Arze, C., Ananthakrishnan, A. N., Schirmer, M., Avila-Pacheco, J., Poon, T. W., et al. (2019). 炎症性腸疾患における腸内細菌生態系のマルチオミクス。ネイチャー 569, 655-662. doi: 10.1038/s41586-019-1237-9
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Mukhopadhya, I., Hansen, R., El-Omar, E. M., and Hold, G. L. (2012). Ibd-プロテオバクテリアはどのような役割を果たすのか？Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 9, 219-230. doi: 10.1038/nrgastro.2012.14
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Neurath, M. F. (2019). 炎症性腸疾患における免疫細胞回路とトラフィッキングの標的化。Nat. Immunol. 20, 970-979. doi: 10.1038/s41590-019-0415-0
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Pinoli, M., Marino, F., and Cosentino, M. (2017). 自然免疫のドパミン作動性調節：レビュー。J. Neuroimmune Pharmacol. 12, 602-623. doi: 10.1007/s11481-017-9749-2
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Spiller, R., and Major, G. (2016). Ibsとibd - 別個の存在か、スペクトル上か？Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 13, 613-621. doi: 10.1038/nrgastro.2016.141
クロスレフフルテキスト｜Google Scholar
Steru, L., Chermat, R., Thierry, B., and Simon, P. (1985). 尾部懸垂試験：マウスにおける抗うつ薬のスクリーニングのための新しい方法。心理薬理学 85, 367-370.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Su, X., Yin, X., Liu, Y., Yan, X., Zhang, S., Wang, X., et al. (2020). プロピオン酸によるバセドウ病患者のtregとth17細胞のアンバランスに腸内細菌異常が寄与している。J. Clin. Endocrinol. Metab. 105, 3526-3547. doi: 10.1210/clinem/dgaa511
クロスレフフルテキスト｜Google Scholar
Sun, L., Ma, L., Ma, Y., Zhang, F., Zhao, C., and Nie, Y. (2018). 肥満における腸内細菌叢の役割に関する洞察：病因、メカニズム、および治療の展望。Protein Cell 9, 397-403. doi: 10.1007/s13238-018-0546-3.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Sun, L., Ma, L., Zhang, H., Cao, Y., Wang, C., Hou, N., et al. (2019a). Fto欠損は腸内細菌叢の変化を介してマウスの不安およびうつ病様行動を軽減する。Theranostics 9, 721-733. doi: 10.7150/thno.31562.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Sun, L., Zhang, H., Cao, Y., Wang, C., Zhao, C., Wang, H., et al. (2019b). フルオキセチンは、マウスの慢性的な予期せぬ軽度ストレスによって誘発されるうつ病モデルにおけるディスバイオシスを改善する。Int. J. Med. Sci. 16, 1260-1270. doi: 10.7150/ijms.37322.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Sun, W. M., Penagini, R., Hebbard, G., Malbert, C., Jones, K. L., Emery, S., et al. (1995). 飲み物の温度がヒトの反回転十二指腸運動と胃の電気活動に及ぼす影響。(1995)飲酒温度がヒトの前腸管運動と胃電気活動に及ぼす影響.
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Verhagen, M. A., Luijk, H. D., Samsom, M., and Smout, A. J. (1998). 胃の筋電気活動の頻度に及ぼす食事温度の影響。Neurogastroenterol. Motil. 10, 175-181. doi: 10.1046/j.1365-2982.1998.00089.x
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Vidal, P. M., and Pacheco, R. (2020). 自己免疫におけるドーパミン系を標的とする。J. Neuroimmune Pharmacol. 15, 57-73. doi: 10.1007/s11481-019-09834-5.
クロスレフフルテキスト｜Google Scholar
Walsh, R. N., and Cummins, R. A. (1976). オープンフィールド・テスト：批判的レビュー。サイコル．ブル。83, 482-504.
クロスレフフルテキスト｜Google Scholar
Yan, X., Jin, J., Su, X., Yin, X., Gao, J., Wang, X., et al. (2020). 高塩分誘発性高血圧において腸内フローラは腸管由来コルチコステロンの合成を制御することで血圧を調節する。Circ. Res. 126, 839-853. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.119.316394.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Yang, H., Wang, W., Romano, K. A., Gu, M., Sanidad, K. Z., Kim, D., et al. (2018). 一般的な抗菌剤添加物は、マウスの大腸炎症と大腸炎に関連した大腸腫瘍の発生を増加させる。Sci. Transl. Med. 10:eaan4116. doi: 10.1126/scitranslmed.aan4116.
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Yoshida, Y., and Simoes, E. J. (2018). 子どもや青少年における砂糖入り飲料、肥満、2型糖尿病：政策、税制、プログラム. Curr. Diabetes Rep. 18:31. doi: 10.1007/s11892-018-1004-6
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
Zhou, Y., Xu, Z. Z., He, Y., Yang, Y., Liu, L., Lin, Q., et al. (2018). 腸内細菌叢は、炎症性腸疾患診断およびインフリキシマブ反応予測において、民族を超えた普遍的なバイオマーカーを提供する。 mSystems 3:e00188. doi: 10.1128/mSystems.00188-17
PubMedアブストラクト｜クロスリファレンス全文｜Google Scholar
Zielinska, M., Jarmuz, A., Wasilewski, A., Cami-Kobeci, G., Husbands, S., and Fichna, J. (2017). メチルオルビノール-二活性オピオイド受容体リガンドは、下痢優勢過敏性腸症候群を模倣したマウスモデルにおいて、胃腸の通過を阻害し、腹痛を緩和させる。薬理学 Rep. 69, 350-357. doi: 10.1016/j.pharep.2016.12.001.
PubMed Abstract｜CrossRef Full Text｜Google Scholar
キーワード：寒冷ストレス、炎症性腸疾患、腸内細菌叢、腸-脳軸、動物実験
引用元：日本経済新聞 Sun L, Wang X, Zou Y, He Y, Liang C, Li J, Li P and Zhang J and (2023) Cold stress induces colitis-like phenotypes in mice by altering gut microbiota and metabolites. Front. Microbiol. 14:1134246. doi: 10.3389/fmicb.2023.1134246
Received： 2022年12月30日、受理：2023年3月20日；
発行：2023年4月11日。
編集者
ホイ・イン・タン（トゥンク・アブドゥル・ラーマン大学カレッジ、マレーシア
Reviewed by：
Hai Li, University of Science and Technology of China, China（中国科学技術大学、中国
Hooi Chia Tang, Manipal University College University, マレーシア
ZhigangRen、鄭州大学第一附属病院、中国
Copyright © 2023 Sun, Wang, Zou, He, Liang, Li and Zhang. これは、クリエイティブ・コモンズ表示ライセンス（CC BY）の条件の下で配布されるオープンアクセス記事です。他のフォーラムでの使用、配布、複製は、原著者および著作権者のクレジットを記載し、本誌の原著を引用することを条件に、学術的に認められた慣例に従って許可されます。本規約を遵守しない使用、配布、複製は許可されません。
*Correspondence： Jianbin Zhang, zjbin777@fmmu.edu.cn; Pu Li, 515680196@qq.com
これらの著者は、この作品に等しく貢献しています。
免責事項：本記事で表明されたすべての主張は、あくまでも著者のものであり、必ずしも所属団体や出版社、編集者、査読者のものを代表するものではありません。この記事で評価される可能性のある製品、またはその製造元が主張する可能性のある主張は、出版社によって保証または支持されるものではありません。
こんな人も見ています
異なるフェザーペッキング表現型を持つ産卵鶏の末梢・中枢代謝物および腸内細菌叢の差異
チャオ・ワン、ヤリン・リー、ハオリャン・ワン、ミャオ・リー、ジンシェン・ロン、シンディ・リャオ、インバオ・ウー、ヤン・ワン
レイヤーチキンセカルにおける抗生物質耐性遺伝子の存在量と多様性は農場環境と関連している
王燕、蕭沙迦、美建瑞、陳英信、馮昆賢、梁美、廖新迪、呉殷宝
オマーンの蛇紋岩を含む帯水層におけるMeiothermusのパラパトリックな種分化
メイソン・マンロー・アーリック，ダニエル・B・ノタフト，エリザベス・M・フォーンズ，ユルグ・M・マター，アレクシス・S・テンプルトン，エリック・S・ボイド
光学顕微鏡および電子顕微鏡による健常者の血中細菌叢の形態学的評価
Borislava Tsafarova、Yordan Hodzhev、Georgi Yordanov、Vladimir Tolchkov、Reni Kalfin、Stefan Panaiotov
代謝機能障害に伴う脂肪肝患者におけるヒト口腔内および腸内真菌の微生物叢のマッピング
Chenguang Niu, Ye Tu, Qiaoqiao Jin, Zhanyi Chen, Keyong Yuan, Min Wang, Pengfei Zhang, Junyuan Luo, Hao Li, Yueyi Yang, Xiaoyu Liu, Mengying Mao, Ting Dong, Wenduo Tan, Xuchen Hu, Yihuai Pan, Lili Hou, Rui Ma and Zhengwei Huang
フッター
ガイドライン
探検する
アウトリーチ
接続
フォローする
© 2023 Frontiers Media S.A. All rights reserved.
プライバシーポリシー|利用規約