炎症性腸疾患における腸内アシルカルニチンによる腸内細菌増殖促進、ディスバイオシスのバイオマーカー

メインコンテンツへスキップ
細胞分子消化器肝臓学
ログイン

検索...

原著論文|プレスリリース
炎症性腸疾患における腸内アシルカルニチンによる腸内細菌増殖促進、ディスバイオシスのバイオマーカー

https://www.cmghjournal.org/article/S2352-345X(23)00167-4/fulltext?utm_medium=Social&utm_campaign=AGA-posts&utm_source=twitter

ヨハンナ M.S. レモンズ
メール・コンラッド
セイラン・タネス
スティーブン・R・マスター
リンシュウ・リュウ
ゲイリー・D・ウー
すべての著者を表示
オープンアクセス掲載:2023年9月20日DOI:https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2023.09.005
PlumXメトリクス

背景と目的
血漿アシルカルニチンレベルの変化は、様々なミトコンドリア脂肪酸酸化障害のバイオマーカーとしてよく知られており、短鎖脂肪酸が少ない場合には腸管上皮の代替エネルギー源として利用される。これらの膜透過性脂肪酸中間体は胆汁を介して腸管内腔に排泄され、炎症性腸疾患（IBD）患者の糞便中に増加する。
方法と結果
本論文では、ヒト、動物モデル、および細菌培養を用いた研究に基づき、in vitroおよびin vivoの両方で細菌に消費される可能性のあるIBDにおいて、糞便中のカルニチンおよびアシルカルニチンと腸内細菌科細菌の存在量との間に強い正の相関があることを示す。カルニチンの代謝は、caiオペロンに依存する嫌気性呼吸を介して大腸菌の増殖を促進し、アセチルカルニチンの食事補充は、腸内病原体Citrobacter rodentiumの腸内コロニー形成を促進し、糞便中カルニチン濃度を増加させる。
結論
以上の結果から、IBD患者におけるカルニチンおよびアシルカルニチンの腸管内濃度上昇は、腸内細菌科に属する病原体の増殖を促進し、疾患発症に寄与する可能性が示唆された。
図解抄録
図サムネイルga1
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
キーワード
微生物叢
炎症性腸疾患
代謝
カルニチン
本稿で使用した略語：
BHI（脳心筋注入）、CD（クローン病）、CoA（補酵素A）、DSS（デキストラン硫酸ナトリウム）、DYNAMIC（Dysbiosis Inflammatory Bowel Disease and Antibiotics in the Microbiome）、EEN（経腸栄養）、 FARMM（Food and Resulting Microbiota and Metabolome）、IBD（inflammatory bowel disease）、IBD-U（inflammatory bowel disease unclassified）、LB（lysogeny broth）、SCFA（short-chain fatty acid）、UC（ulcerative colitis）。
概要
慢性疾患に伴う腸内細菌叢組成の変化は、「ディスバイオーシス」と呼ばれることもあるが、炎症性腸疾患（IBD）のような免疫学的に媒介される腸炎症性疾患状態や、Clostridioides difficileのような感染症において最もよく特徴づけられている1、 2, 3, 4 これらの変化は疾患のバイオマーカーとして機能するだけでなく、げっ歯類モデルでの研究により、ディスバイオティクスの微生物叢が疾患発症に関与しているという証拠が得られている5、 7, 8 一般的に、腸内細菌異常症は細菌の多様性が減少し、プロテオバクテリア門、特に腸内細菌科に属する分類群の割合が増加することを特徴とする9。
腸内細菌叢異常症の病因は、腸内細菌科細菌による嫌気性呼吸の亢進と酸化ストレス耐性に部分的に依存している10,11。一方、腸内細菌叢異常症は、短鎖脂肪酸（SCFA）産生および一次胆汁酸から二次胆汁酸への変換の低下を含む糞便メタボロームの変化と一貫して関連している12。
アシルカルニチンの機能は、哺乳類の生理学においてよく特徴付けられている。脂肪酸は細胞内に取り込まれると、コエンザイムA（CoA）にエステル化されてアシルCoAを形成する。長鎖アシル-CoA（>C12）は、第4級アミンであるカルニチンの存在下、カルニチンパルミトイル基転移酵素の活性を介してミトコンドリア外膜でアシルカルニチンに変換され、β-酸化が起こるミトコンドリアマトリックスに輸送される。肝臓で産生されたアシルカルニチンは、全身循環のために血漿中に輸送されるか、あるいは排泄のために胆汁中に分泌される。血中および尿中のアシルカルニチン濃度の増加は、先天性脂肪酸代謝異常のバイオマーカーとして機能し、新生児スクリーニングパネルでモニターされている14,15。さらに、血漿中アシルカルニチン濃度の増加は、糖尿病、敗血症、がん、非アルコール性肝疾患、心不全と関連している16, 17, 18, 19 血漿中アシルカルニチン濃度は、空腹時や運動時にも上昇し、不完全な脂肪酸酸化を示すと考えられている4,20,21。さらに、これらの分子は、褐色脂肪組織では熱発生時のエネルギー源として、腸管上皮ではSCFA非存在時のエネルギー源として機能する。
IBDは腸内脂肪酸代謝の変化と関連している。23 脂肪酸酸化阻害剤を直腸投与したラットは急性大腸炎を発症し、コエンザイムAやカルニチンのような脂肪酸酸化に必須な補因子の細胞内濃度を低下させる摂動はIBDへの感受性を高める。最近、我々は、ミトコンドリアの機能障害により、腸管炎症時にSCFAと長鎖アシルカルニチンの酸化が低下すると、アシルカルニチンが大腸上皮の代替エネルギー源となることを明らかにした13。
ここでは、小児IBDに関連するカルニチンとアシルカルニチンの詳細な特徴を明らかにする。カルニチンおよびアシルカルニチンの濃度は、便中カルプロテクチン値で定量される腸内細菌異常症および疾患活動性と正の相関を示した。マウスモデルを用いて、腸管内腔におけるカルニチンおよびアシルカルニチンの増加は、胆汁分泌の増加や、おそらく腸管損傷に起因する宿主細胞物質の腸管内腔への放出を含む、宿主依存性因子の結果であることを証明した。通常飼育マウスと無菌マウスの比較分析、およびヒトを対象とした介入試験から、カルニチンとアシルカルニチンは腸内細菌叢によって消費されることが示唆された。いくつかの通性および偏性嫌気性細菌株を用いた細菌スクリーニングでは、カルニチンとアシルカルニチンの消費に種特異的なパターンが見られた。特に、試験管内で大腸菌によって消費されたカルニチンは、IBD患者および雑食性食を摂取する健康なヒトの糞便サンプル中の大腸菌の存在量、および嫌気的条件下で細菌のカルニチン代謝を制御するcaiオペロンの遺伝子の存在量とも正の相関を示した。我々は、caiオペロンに依存したカルニチンの代謝が、代替炭素源上での大腸菌の嫌気性増殖を促進することを示した。さらに、アセチルカルニチンを食事で補給すると、腸内のカルニチンレベルが上昇し、腸内病原性大腸菌感染モデルであるネズミのCitrobacter rodentiumの増殖が促進される。これらの結果から、宿主由来の脂肪酸酸化中間体がIBDの腸内細菌叢に影響を与えることが明らかとなった。
研究結果
カルニチンおよびアシルカルニチンは小児IBDにおけるディスバイオーシスと相関する
最近、便中アシルカルニチン濃度がIBDの頑健なバイオマーカーであることが示されたが、その際、多くのアシルカルニチン種と腸内細菌叢異常との間に一貫して強い相関が観察された。小児潰瘍性大腸炎（UC）/IBD未分類（IBD-U）28およびクローン病（CD）の前向きコホートにおいて同様の関連が観察されるかどうか、また疾患の表現型や活動性との相関を明らかにするため、DYsbiosis, iNflammatory bowel disease, and Antibiotics in the MICrobiome (DYNAMIC) pediatric IBD studyにおいて糞便アシルカルニチンを分析した2。UC、IBD-U、CD、健常対照の患者数と臨床的特徴は表1および表2に示した。ベースライン時、4週間後、8週間後の糞便サンプルを採取し、ショットガンメタゲノムシークエンシングと液体クロマトグラフィー/質量分析の両方で解析した。ベースライン時に、以前に記載されたdysbiosis scoring法12を用いて、dysbiiotic microbiotaを有する患者を同定した（図1A）。主成分分析の結果、dysbiosisはCDとUCの両方で観察され、抗生物質の使用と関連していた（図1B）。本研究に用いたDYNAMICコホートでは、CDの炎症性B1表現型を有する患者が最も多かったが、CDまたはUC/IBD-Uのいずれにおいても、ディスバイオシス微生物叢と臨床表現型との間に統計学的に有意な相関は認められなかった（図1C）。腸内細菌叢異常はまた、ヒト糞便DNAの量とも関連しており、これは、腸内細菌叢異常の患者ではより多くのヒト細胞性物質が腸管内腔に放出されるという考え方と一致しており、我々が以前に報告した観察結果29と同様であった（図1D）。線形混合効果モデリングを用いて、抗生物質の使用を共変量に含めた試験群間の対数アシルカルニチンレベルの差を推定した。カルニチンだけでなく、測定された25種類のアシルカルニチンすべてが、3つの時点すべてにおいて微生物叢の異常と関連していた（図1E）。線形効果モデリングにより、アシルカルニチンもまた、便中カルプロテクチン値で定量される疾患活動性と高い相関があることが示された（図2A）。最後に、カルニチンおよび多くのアシルカルニチンは、3つの時点で一貫して多くの細菌種と負の相関を示した（図2B）。対照的に、大腸菌を含む腸内細菌科は、カルニチンおよびこれらのアシルカルニチンと正の相関を示した。興味深いことに、これらの相関は最長鎖アシルカルニチン（>C20）では観察されなかった。細菌種によるアシルカルニチンの代謝に関する情報は限られているが30、腸内細菌科のcaiオペロンによるカルニチンの嫌気性代謝は以前に報告されている30,31。これと一致して、caiオペロンの様々な遺伝子の存在量は、IBDのdysbiosisと正の相関を示した（図2Cおよび表4）。これらの結果は、カルニチンおよびアシルカルニチンの糞便中濃度がIBD小児患者におけるdysbiotic microbiotaと相関していることを示す証拠となる。
表1DYNAMICコホートの患者集団の属性
健康なIBD
小児患者、n 37 69
登録時年齢の中央値（範囲） 14.08 (5.60-19.74) 14.81 (7.53-19.89)
女性, n (%) 27 (72.97) 29 (52.83)
民族：ヒスパニックではない、n（％） 33 (89.19) 65 (94.20)
人種, n (%)
 白人 27 (72.97) 55 (79.71)
 アジア系 2 (5.41) 1 (1.45)
 黒人/アフリカ系アメリカ人 7 (18.92) 10 (14.49)
 混血 0 (0.00) 3 (4.35)
 回答拒否 1 (2.70) 0 (0.00)
登録時の現在の抗生物質使用 n (%) 12 (32.43) 14 (20.29)
登録前90日以内の抗生物質使用 n (%) 8 (21.62) 12 (17.39)
新しいタブで表を開く
表2DYNAMICコホートにおける小児の炎症性腸疾患患者の臨床的特徴
診断名, n (%)
 クローン病 55 (79.71)
 潰瘍性大腸炎 8 (11.59)
 IBD-U 6 (8.70)
診断時年齢の中央値、年（範囲） 12.97 (7.52-17.74)
登録時の診断からの経過年数、中央値（範囲）0.02（0.00-9.66）
クローン病-パリ分類による下部消化管の位置、n（%）。
 回腸L1 12 (22.64)
 大腸L2 9 (16.98)
 IIeocolonic L3 30 (56.60)
 なし 2 (3.77)
クローン病-パリ分類表現型, n (%)
 炎症性B1 48 (87.27)
 硬直性B2 5 (9.09)
 硬直性/貫通性B2/B3 2 (3.64)
潰瘍性大腸炎の範囲/IBD-U, n (%)
 E2 左側大腸炎 5 (41.67)
 E4 膵炎 7 (58.33)
登録時に治療を開始した患者、n (%) 31 (44.93)
現在IBDのために服用している薬、n (%)
 メサラミン 26 (37.68)
 生物学的製剤 44 (63.77)
 ステロイド 8 (11.59)
 免疫調節薬 15 (21.74)
カルプロテクチン値、ug/dL、中央値（IQR）
 ベースライン 689 (180-1702.5)
 4週目 421 (94-998)
 8週目 300（48-809）
疾患活動性指数、中央値（範囲）
 小児クローン病活動性指数
ベースライン 30 (0-50)
第4週 7.5 (0-37.5)
第8週 7.5（0-55）
 小児潰瘍性大腸炎活動性指数
ベースライン 45 (0-75)
第4週 10 (0-40)
第8週 10 (0-45)
GIは消化管、IQRは四分位範囲。
新しいタブで表を開く
図サムネイルgr1
図1IBDにおけるディスバイオーシスと便中アシルカルニチン濃度の相関解析。(A)全患者サンプルの診断名別微生物ディスバイオーシススコアの分布： CD、UC、IBD-U。点線は、検体がdysbioticと分類される閾値を示す。(B）腸内細菌叢のBray-Curtis非類似度に基づく主成分分析（PCoA）プロット。全サンプルを用いて共通のプロットを作成し、診断別のサンプルをそれぞれ個別に表示した。ディスバイオーシスのスコアは色分けされ、記号は抗生物質の使用を示す。(C）ディスバイオーシスとIBD臨床表現型との関連。(D）ヒトゲノムにアライメントされたシークエンスリードの割合とディスバイオーシスの有無との関連。(E)26種類の代謝物は、非生理的サンプルと比較して、生物多様性障害サンプルで有意に増加した。X軸は、生物多様性グループと非生物多様性グループ間の代謝物レベルの推定対数差である。アシルカルニチンの様々な構造カテゴリーを色分けした。偽発見率： ∗P＜0.05、P＜0.01、P＜0.001。Abxは抗生物質。
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
図サムネイルgr2
図2アシルカルニチン値と糞便カルプロテクチンおよび細菌分類群との相関。(A）小児IBD患者におけるアシルカルニチンとカルプロテクチンとの関連。アシルカルニチンの様々な構造分類を色分けした。(B)全小児患者における個々の時点における便中アシルカルニチンと細菌分類群とのスピアマン相関。各円の大きさは相関の強さを示し、相関はパネルに示すように色分けされている。青は負の相関、赤は正の相関を示す。(C)非生物的および生物的異常とラベル付けされたサンプル間のcaiオペロンの遺伝子のキロベース百万あたりの読み取り数(RPKM)。偽発見率： ∗P＜0.05、P＜0.01、P＜0.001。
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
マイクロバイオームの枯渇はカルニチンおよびアシルカルニチンの管腔内濃度の上昇と関連している
我々は以前、特定のアシルカルニチンであるパルミトイルカルニチン（C16）が複雑な腸内微生物群集によって消費されることをバッチ培養で証明した13。ヒトにおいて腸内細菌叢がカルニチンおよびアシルカルニチンを消費するかどうかを調べるため、FARMM（Food and Resulting Microbiota and Metabolome）研究32の被験者から採取した糞便サンプルを分析した。食餌期（1～5日目）の後、ポリエチレングリコールによる腸内パージと2種類の経口抗生物質による治療（6～9日目）が行われ、その後、微生物叢の回復が9～15日目までモニターされた。9日目終了時の腸内パージによって腸内細菌叢のバイオマスが約5ログ32減少すると、糞便中のカルニチンおよび測定されたほぼすべてのアシルカルニチンが有意に増加した（図3A）（測定された21種類のアシルカルニチンはすべて、5日目から9日目の間に菜食群と雑食群で有意差があり、18種類のアシルカルニチンはEEN群で有意差があった；偽発見率補正を加えたペアのウィルコクソン検定、調整後P＜0.05）（表3）。この効果は3つの食餌すべてにわたって生じたが、カルニチン、C2、C3、C4、およびC5アシルカルニチンのレベルは、パージ後の西洋食の方が高かった（菜食者およびEEN群に対して雑食群ですべて高い；Dunn多重比較検定を用いて調整したP＜0.05）。カルニチンは赤肉やその他の動物性食品に特に多く含まれ、以前の研究では、菜食主義者やベジタリアンと比較して雑食主義者の方が循環レベルが高いことが示されている33。15日目までに、EENと比較して、欧米食および菜食主義者の方が多数のアシルカルニチンレベルも低く（Dunn多重比較検定、調整後P < .05）（表3）、これはEENにおける食物繊維非存在下での腸内細菌叢の回復の遅れと一致している32。
図サムネイルgr3
図3ヒトの食事介入研究期間中の糞便アシルカルニチンとそれに対応する大腸菌量の変化。(A）FARMM研究におけるアシルカルニチン濃度の対数変換平均値のヒートマップ。検出限界以下の値は、各カルニチン種について検出された最低レベルの2分の1としてインプットされた。(B）FARMM試験期間中の大腸菌の平均相対存在量。データは平均値±SEMで表した。(C）FARMM試験期間中のcaiオペロン遺伝子のRPKM（reads per kilobase million）。AUC、▪▪▪。
View Large ImageDownload 高解像度画像
表3FARMM試験（図3A）における糞便中カルニチンアシルカルニチン濃度の時間および食餌依存的変化に関する統計解析
FDR補正を伴う一対のウィルコクソン検定 EEN Vegan Omnivore
5日目 vs 9日目、群内
 カルニチン 0.021 0.000 0.002
 C2カルニチン 0.012 0.000 0.002
 C3カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C3-DC-CH3カルニチン 0.033 0.000 0.002
 C4カルニチン 0.016 0.000 0.002
 C4-OHカルニチン 0.005 0.000 0.002
 C5カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C5:1カルニチン 0.008 0.023 0.002
 C5-DCカルニチン 0.008 0.000 0.002
 C8カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C9カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C10カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C10:2カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C12カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C12:1カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C14カルニチン 0.041 0.000 0.002
 C14:1カルニチン 0.009 0.000 0.002
 C14:2カルニチン 0.005 0.000 0.002
 C16カルニチン 0.271 0.000 0.002
 C18カルニチン 0.092 0.000 0.002
 C18:1カルニチン 0.064 0.000 0.002
 C18:2カルニチン 0.033 0.000 0.002
Dunn多重比較検定 EEN対菜食者 EEN対雑食者 菜食者対雑食者
15日目、群間
 カルニチン >0.9999 0.7912 >0.9999
 C2カルニチン 0.1426 >0.9999 0.3824
 C3カルニチン 0.0752 >0.9999 0.6092
 C3-DC-CH3カルニチン 0.5854 0.0089 <0.0001
 C4カルニチン 0.1512 0.8924 0.0081
 C4-OHカルニチン 0.8753 0.001 0.0332
 C5カルニチン 0.0564 >0.9999 0.0045
 C5:1カルニチン 0.0582 >0.9999 0.0168
 C5-DCカルニチン >0.9999 0.2252 0.0274
 C8カルニチン 0.0356 >0.9999 0.3282
 C9カルニチン 0.0002 0.0144 0.6683
 C10カルニチン 0.001 0.015 >0.9999
 C10:2カルニチン >0.9999 >0.9999 >0.9999
 C12カルニチン 0.0002 0.0033 >0.9999
 C12:1カルニチン 0.0645 >0.9999 0.3637
 C14カルニチン <0.0001 0.0082 0.3121
 C14:1カルニチン 0.0287 0.0287 >0.9999
 C14:2カルニチン >0.9999 0.147 0.7911
 C16カルニチン<0.0001 0.0024 >0.9999
 C18カルニチン 0.0001 0.0384 0.2961
 C18:1カルニチン 0.0357 0.0069 >0.9999
 C18:2 カルニチン 0.0925 0.0034 0.8241
DC, ▪▪▪; FDR, 誤発見率; OH, ▪▪▪.
新しいタブで表を開く
DYNAMICコホートにおける腸内細菌科および大腸菌と糞便中カルニチンおよびアシルカルニチンとの正の関連（図2B）、およびcaiオペロンとdysbiosisとの関連（図2C）を考慮し、FARMM試験における3食にわたる大腸菌の存在量を調べた。その結果、9日目以降、主に西洋食を摂取している被験者において、大腸菌の高レベルが観察された（図3B）。混合効果線形モデリングでは、雑食と他の2食との間に有意な時間効果（P = 0.0051）および群効果（P = 0.0042）が認められた。大腸菌はcaiオペロンを介してカルニチンを代謝することができることから、試験期間を通じてcaiオペロン遺伝子の存在量を調査した34。これらの遺伝子の相対的存在量は、マイクロバイオーム枯渇前はすべての食餌で同程度であったが、回復期にはすべての食餌群で遺伝子存在量が増加した（図3Cおよび表4）。しかしながら、11日目以降、caiオペロンの遺伝子の存在量は、ビーガンおよびEENグループと比較して、雑食試験参加者の糞便マイクロバイオームにおいて有意に多かった（図3Cおよび表5）。
表4FARMM試験における時間依存性変化の線形混合効果モデリング 抗生物質投与前後のcaiオペロン遺伝子の相対的存在量の変化を3つの食餌間で比較した（図3C）。
KO KO名 ターム値 SE DF t値 P値 FDR
抗生物質処理 K05245 caiT 試験日 -0.70 0.26 41 -2.72 .01 0.022
K08299 caiD 試験日 -1.13 0.25 41 -4.43 .00 0.00018
ポスト抗生物質 K02182 caiC Study day 0.43 0.08 157 5.32 .00 1.1e-06
K05245 caiT Study day 0.56 0.08 157 7.19 .00 1.9e-10
K05245 caiT Study day -0.36 0.11 157 -3.19 .00 0.036
K08277 caiF Study day 0.60 0.08 157 7.18 .00 1.9e-10
K08279 caiE Study day 0.54 0.08 157 6.96 .00 4.6e-10
K08297 caiA Study day 0.50 0.08 157 6.12 .00 2.6e-08
K08298 caiB Study day 0.58 0.08 157 7.18 .00 1.9e-10
K08299 caiD 試験日 0.51 0.08 157 6.63 .00 2.1e-09
FDR、偽発見率。
新しいタブで表を開く
表5caiオペロンの遺伝子の相対的存在量における雑食とEENまたはビーガン食を比較したFARMM研究における食餌依存性変化の線形混合効果モデリング（図3C）
KO KO名 ターム値 SE DF t値 P値 FDR
K02182 caiC ビーガン群 -6.64 2.05 15 -3.24 .00 0.012
K02182 caiC Study group EEN -9.09 2.04 15 -4.45 .00 0.00036
K02182 caiC 研究グループ ビーガン：研究日 0.43 0.15 101 2.87 .00 0.017
K02182 caiC Study group EEN: Study day 0.52 0.15 101 3.48 .00 0.0019
K05245 caiT Study group vegan -5.55 1.93 25 -2.87 .01 0.014
K05245 caiT Study group EEN -8.04 1.93 25 -4.17 .00 0.00056
K05245 caiT Study group vegan: Study day 0.34 0.14 101 2.42 .02 0.03
K05245 caiT Study group EEN: Study day 0.40 0.14 101 2.80 .01 0.011
K08277 caiF Study group vegan -6.26 2.10 25 -2.97 .01 0.014
K08277 caiF Study group EEN -8.00 2.10 25 -3.82 .00 0.0011
K08277 caiF Study group vegan: Study day 0.39 0.16 101 2.50 .01 0.03
K08277 caiF Study group EEN: Study day 0.39 0.15 101 2.54 .01 0.018
K08279 caiE Study group vegan -6.98 1.95 25 -3.58 .00 0.01
K08279 caiE Study group EEN -9.43 1.94 25 -4.85 .00 0.00028
K08279 caiE Study group vegan: Study day 0.45 0.14 101 3.13 .00 0.016
K08279 caiE Study group EEN: Study day 0.49 0.14 101 3.46 .00 0.0019
K08297 caiA Study group vegan -5.59 2.29 25 -2.44 .02 0.022
K08297 caiA Study group EEN -6.50 2.28 25 -2.86 .01 0.0085
K08297 caiA Study group vegan: Study day 0.35 0.17 101 2.02 .05 0.048
K08298 caiB 研究グループ：菜食 -5.26 1.95 25 -2.69 .01 0.017
K08298 caiB Study group EEN -9.17 1.95 25 -4.71 .00 0.00028
K08298 caiB 研究グループ ヴィーガン：研究日 0.33 0.14 101 2.28 .02 0.034
K08298 caiB 研究グループ EEN：研究日 0.53 0.14 101 3.65 .00 0.0019
K08299 caiD Study group vegan -5.10 2.05 25 -2.49 .02 0.022
K08299 caiD Study group EEN -6.30 2.04 25 -3.09 .00 0.0057
K08299 caiD 試験群ビーガン：試験日 0.30 0.15 101 2.01 .05 0.048
FDR、偽発見率。
新しいタブで表を開く
カルニチンおよびアシルカルニチンの腸管全域および胆汁中、血漿中の利用可能性に対する腸内細菌叢の影響を明らかにするため、従来型マウスおよび無菌マウスにおけるそれらの存在量を定量した（図4A）。無菌マウスの胆汁中のカルニチンおよびアシルカルニチンレベルは、通常飼育マウスに比べてやや低いにもかかわらず、無菌マウスは腸管全体にわたって両者のレベルが有意に高く、盲腸、結腸および糞便において最も顕著な差が観察された（図4A）。FARMM研究の結果と合わせて、これは腸内細菌叢がカルニチンとアシルカルニチンの両方を消費していることを示す証拠となる。
図のサムネイルgr4
図4 従来型マウスと無菌マウスにおけるアシルカルニチンレベルの定量。(A）従来型マウスと無菌（GF）マウスの様々な生体試料中のカルニチンとアシルカルニチン濃度のヒートマップ（従来型マウスはn=4-5、無菌マウスはn=5）。(B)2.5%DSSで大腸炎を誘導したGFマウスとそうでないGFマウスの各種生体試料中のカルニチンとアシルカルニチン濃度のヒートマップ、GFマウスではn=4-6、2.5%DSSを投与したGFマウスではn=5-6。∗有意なP値は、偽発見率補正を用いた対応のないt検定によるものである。(C) 2.5％黄砂を飲水投与して大腸炎を誘発した無菌マウスおよび無菌対照マウスの大腸長。∗∗∗P < .001. (D) 2.5％黄砂を飲水投与して大腸炎を誘発した無菌マウスおよび無菌対照マウスの時間依存性疾患活動性指数（DAI）。各群N = 6。DSS投与マウスは試験4日目までに殺処分の閾値を満たした。Prox、▪▪▪；SI、▪▪▪。
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
大腸炎は、胆汁および血漿中ならびに腸管内のルミナルカルニチンおよびアシルカルニチンの増加をもたらす。
IBD患者において糞便中のカルニチンおよびアシルカルニチン濃度が上昇するメカニズム（図1および図2）は明らかにされておらず、宿主および腸内細菌叢に依存する因子の両方が影響している可能性がある。微生物叢は腸管内腔のカルニチンおよびアシルカルニチンレベルに影響を及ぼすため（図4A）、腸管炎症が微生物叢とは無関係に腸管内腔レベルを上昇させるかどうかを検討した。デキストラン硫酸ナトリウム（DSS）誘発性大腸炎は、微生物叢が存在しない腸内炎症モデルとして唯一報告されているものであることから、無菌マウスを用い、DSSがカルニチンおよびアシルカルニチンレベルに及ぼす影響を評価した35。飲料水中のDSS（2.5%）は大腸炎を誘発し、結腸の短縮を引き起こすとともに、以前に報告された疾患活動性指標36によって定量された疾患の有意な増加をもたらした（図4CおよびD）。無菌マウスは特に黄砂処理に敏感で、所定の実験終了前に人道的エンドポイント基準に達した。大腸炎は、無処置の無胚芽マウスと比較して、DSS処置マウスの胆汁中および血漿中のカルニチンおよびアシルカルニチンレベルを有意に増加させることがわかった（図4B）。大腸炎はまた、結腸内の中鎖アシルカルニチンレベルをより緩やかに増加させた。これは、結腸上皮、炎症細胞、血液などの宿主細胞物質が腸管内腔に放出されたことを反映していると考えられる。このことは、IBD患者におけるdysbiosis（図1D）に関連したヒトDNAレベルの高さと一致する（Lewisら29）。大腸炎によって胆汁中および血漿中のアシルカルニチン濃度が高くなる機序は、おそらく肝合成の亢進を反映したものであろうが、22,37。このような大量のアシルカルニチンは、体温調節を維持するための褐色脂肪組織22,37, 38, 39と、大腸炎における上皮再生のための腸上皮の重要なエネルギー源となる可能性がある13,40。腸内細菌叢はカルニチンとアシルカルニチンの両方を消費することから（図3Aおよび4A）、これらの結果は、IBD患者の糞便中にこれらの代謝物が増加するのは、アシルカルニチンの胆道から管腔への送達が増加し、以前に報告されたように大腸上皮のミトコンドリアの数と機能が低下するためであるという考えと一致する13。
複数の細菌種がカルニチンとアシルカルニチンを分類群特異的パターンで消費する
腸内細菌叢によるカルニチンおよびアシルカルニチンの消費（図3Aおよび4A）は、大腸炎の際に宿主からこれらの分子の送達が促進されることが、腸内細菌叢に機能的な影響を及ぼす可能性を示唆している。いくつかの細菌種がカルニチンやアシルカルニチンを消費する能力を同定するために、日常的な細菌培養培地に定量可能なレベルのこれらの分子が含まれているかどうかを試験した。実際、溶菌ブロス（LB）、ブレインハートインフュージョン（BHI）、チョップドミート炭水化物ブロスはすべて、糞便で観察されるレベル（図4A）と同程度のカルニチンとアシルカルニチンを含んでいる（図5A）（Smith et al13）。BHI培地で6種の腸内細菌を個別に24時間嫌気的に増殖させた後（図5B）、カルニチンおよびアシルカルニチンレベルを定量した。大腸菌と緑膿菌は、それぞれカルニチンと短鎖アシルカルニチンを消費する能力が過去の文献で報告されているため、陽性対照として用いた41,42。カルニチンは確かに大腸菌によって消費されたが、緑膿菌の増殖によって培地中のカルニチン濃度が高くなった。おそらく、アセチルカルニチンが消費され加水分解された結果、HocSエステラーゼによってカルニチンが排泄されたのであろう（図5CおよびD）。例えば、緑膿菌とは異なり、Klebsiella pneumoniaeによるアセチルカルニチンの消費は、BHI培地中でのカルニチンの増加をもたらさなかった。様々なアシルカルニチンの存在量をプロファイリングすることにより、我々は、個々の細菌種が、豊富な細菌培養液の中で、多くのアシルカルニチンを異なるパターンで消費する可能性があることを証明した（図5E）。
図5カルニチンの消費
図5様々な細菌種によるカルニチンおよびアシルカルニチンの消費と、嫌気性呼吸に対するcaiオペロンの影響。(A）豊富な細菌培養培地、LB、BHI、およびチョップドミートカーボハイドレート（CMC）ブロス中に天然に存在するアシルカルニチンの濃度。 B）BHI中、37℃の嫌気条件下における細菌株の増殖曲線、n＝12。C）カルニチン、（D）アセチルカルニチン、および（E）長鎖アシルカルニチンのBHI培地中濃度、37℃嫌気条件下で細菌を添加または無添加で24時間培養後。∗P＜0.05、＊P＜0.01、＊P＜0.001、＊P＜0.0001。偽発見率補正を用いた対応のないt検定後。(F）硝酸塩またはカルニチン存在下、グリセロールを唯一の炭素源とするM9最小培地における野生型（WT）大腸菌MP1およびcaiオペロンの変異体（ΔcaiC）の嫌気的増殖。(G)硝酸塩またはカルニチン存在下、グリセロールを唯一の炭素源とするM9最小培地における付着性侵襲性大腸菌NRG 857C株の増殖。OD600, 600 nmにおける光学密度。
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
IBDにおける腸内細菌科細菌と糞便中のカルニチンおよびアシルカルニチンとの正の相関（図1E）は、腸内細菌科細菌にカルニチンまたはその代謝産物であるクロトノベタインを嫌気的に補給すると、caiTABCDEオペロンおよびfixABCXオペロンの発現が誘導され、増殖が促進されることを示す先行研究と一致している31,43。実際、caiオペロン遺伝子はIBDのディスバイオシスと正の相関があり（図2C）、これはディスバイオシスコミュニティにおけるcaiオペロンの重要性を示唆している。嫌気性増殖においてcaiオペロンが果たす役割を直接的に証明するために、大腸菌の野生型と同種のcaiC変異株（ΔcaiC）の両方について、嫌気性条件下でグリセロールを炭素源として増殖する能力を調べた（図5F）。グリセロール上での嫌気性増殖は、電子受容体として硝酸塩の存在下では両菌株で観察されたが、電子受容体としてL-カルニチンの存在下では、野生型では観察されたが、ΔcaiC変異株では観察されなかった。実際、約7500の高品質な大腸菌ゲノムを調査したところ、caiAとcaiBは98％の菌株に存在したことから、このようなカルニチンの利用は大腸菌の一般的な特徴である可能性が示唆された46。
カルニチンとアセチルカルニチンは、試験管内とマウス腸内の両方で腸内細菌科細菌の増殖を促進する。
アセチルカルニチンはマウスの盲腸および結腸において最も豊富なアシルカルニチンであることから（図4A）、ヒト腸管病原性大腸菌および腸管出血性大腸菌感染モデルである腸内細菌科細菌C rodentium47がアセチルカルニチンを消費する能力を調べ、マウス大腸炎の発症に対するその影響を調べた。アセチルカルニチンは、C rodentiumの一晩の培養増殖によってLB中で枯渇し（図6A）、それに伴ってカルニチンが増加する（図6B）。飲料水中のアセチルカルニチンを食事で補給しても糞便中のアセチルカルニチンレベルは変化しなかったが（図6C）、LBで観察された効果と同様に、C rodentium感染なしでも感染ありでも糞便中のカルニチンレベルが増加した（図6D）。食餌性アセチルカルニチンの補充はまた、C rodentium細菌量の有意な増加をもたらしたが（図6E）、大腸炎症の組織学的スコアリングによる病状の悪化傾向のみが認められた（図6F）。これらの結果は、カルニチンおよびアシルカルニチンが腸内細菌科細菌の代謝生理を変化させることにより、IBD疾患の病因に関与している可能性を支持するものである。
図サムネイルgr6
図6in vitroおよびin vivoにおける腸内細菌科細菌の増殖に対するカルニチンおよびアセチルカルニチン代謝の影響。(A）腸内細菌C rodentiumをLBブロスで一晩好気培養および嫌気培養する前後のアセチルカルニチンレベル。 B）腸内細菌C rodentiumをLBブロスで一晩好気培養および嫌気培養する前後のカルニチンレベル。 C）アセチルカルニチンを食事から摂取させない場合と摂取させた場合の、未感染マウスおよび腸内細菌C rodentium感染マウスの頭部アセチルカルニチンレベル（P = 0.43、一元配置分散分析[ANOVA]）。(D）アセチルカルニチンを食事で補充しなかった場合と補充した場合の、ナイーブおよびC rodentium感染マウスのセカルカルニチンレベル（P = 0.006、1元配置分散分析；P = 0.02およびP = 0.009、それぞれALCAR + C rodentium vs C rodentium単独およびナイーブ；Tukey多重比較検定）。(E）アセチルカルニチンを摂取させたマウスと摂取させなかったマウスにおける感染後9日目と10日目のC rodentium負荷量。∗∗P＜0.01、P＜0.001（非対t検定）。(F)組織学的疾患活動性に対するC rodentium感染および15 mmol/Lアセチルカルニチン飲料水補給の効果、ナイーブおよびALCARではn = 5、C rodentiumおよびALCAR + C rodentiumではn = 10。∗∗∗∗p＜0.0001（対応のないt検定による）。ALCARはアセチルカルニチン、CFUはコロニー形成単位。
大きな画像を見るダウンロード 高解像度画像
考察
メタボロームを介した腸内炎症において、宿主と腸内細菌叢との相互作用が変化する例は数多く存在する。多くの場合、疾患状態における腸内細菌叢の組成の変化（我々はこれをdysbiosisと表現している）は、糞便中代謝産物におけるこれらの変化の原因となっているメカニズム的な裏付けに関する洞察を与えてくれる。例えば、IBD患者における腸内細菌叢の異常に伴う便中二次胆汁酸およびSCFAsの減少は、これら2種類の代謝産物を産生するClostridium属の減少が一因である12。ここでは、腸の炎症がカルニチンとアシルカルニチンの腸管内腔への運搬を増加させ、腸内細菌叢によって消費されるという証拠を示す。
小児IBDにおけるカルニチンとアシルカルニチンの糞便中濃度との関係を明らかにすることで、これまでの結果12が小児CD29だけでなく、前向きコホートにおけるUCにも関連することを示した。ディスバイオシスと便中カルニチンおよびほとんどのアシルカルニチンの増加との間に強固な関連があることに加え、このパターンは時間的に安定していることも示した。糞便中アシルカルニチンの増加は、炎症性表現型を有するCD患者で観察され、糞便中DNAレベルの高値と疾患活動性の両方と関連している。我々は、カルニチンおよびアシルカルニチンと正の相関を示す腸内細菌科、特に大腸菌と、カルニチンおよびアシルカルニチンと負の相関を示すファーミキューテスおよびバクテロイデーテス門に属する多くの分類群との間に明らかな逆相関があることを示した。カルニチンだけでなく、飽和度と水酸基価の異なる短鎖（C2-C5）、中鎖（C6-C11）、長鎖（C12-C20）のアシルカルニチンにもこれらの相関が観察されたことは興味深い。対照的に、非常に長鎖のアシルカルニチン（>C20）では、相関は限定的であった。
IBDが糞便中のカルニチンおよびアシルカルニチン濃度を上昇させるメカニズムは、これまで明らかにされていない。カルニチンをデノボで合成できる細菌種はほとんどなく、カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼを介したアシルカルニチンの生成は原核生物には見られないミトコンドリアの機能であるため、これらの代謝産物は胆汁分泌物を介するなどして、哺乳類の宿主から腸管内腔に送り込まれる必要がある13,30。無菌マウスにおけるカルニチンおよびアシルカルニチンレベルの特徴を明らかにすることにより、我々は、黄砂による大腸炎が、胆汁中および血漿中のレベルの上昇と同時に、結腸のいくつかのアシルカルニチンの内腔濃度を上昇させることを示す。
SCFAは大腸上皮が脂肪酸酸化に使用する好ましい基質であるが、アシルカルニチンが酸化代謝の代替エネルギー源となりうることが示されている13。無傷の上皮はアシルカルニチンを使用できるが、IBD患者の大腸ミトコンドリアは数が少なく機能不全であるため、組織の脂肪酸酸化能力は制限されている13。このことは、腸の炎症によって宿主から腸管内腔への細胞物質の運搬が増加することと相まって、これらの患者の便中の未使用のアシルカルニチン濃度が高くなることを意味する。アシルカルニチンの増加は、便中であれ血漿中であれ、脂肪酸の酸化が不完全であることを示すと考えられ、ミトコンドリアの機能不全が病因とされる他の疾患でもしばしばみられる。
アシルカルニチンの血漿中および胆汁中濃度の上昇と黄砂性大腸炎が関連するメカニズムを明らかにするためには、さらなる調査が必要であろうが、予想される説明としては、腸管ファルネソイドX受容体の活性化を介した肝胆汁酸合成の制御と同様の直接的な腸肝シグナル伝達がある49。実際、胆汁酸の吸収は、IBDと同様に、DSS大腸炎を含む腸炎症動物モデルで障害されており、ファルネソイドX受容体シグナル伝達は、肝脂肪酸酸化とアシルカルニチンレベルを調節することが示されている50,51。あるいは、血漿アシルカルニチンが熱発生を促進することがマウスで示されているように、IBD患者38,52で報告されているように、大腸炎がエネルギーホメオスタシスに及ぼす影響により、血漿中のアシルカルニチン供給量を増加させるために肝アシルカルニチン合成が誘導される可能性もある22,37。実際、肝臓由来のアシルカルニチンの増加は、非アルコール性脂肪性肝疾患53や心血管リスク54など、IBDの他の合併症を説明するのに役立つ可能性がある。
我々の目的は、このようなレベルの上昇が腸内細菌叢に機能的な影響を及ぼすかどうかを調べることであった。実際、腸内細菌叢が減少した健康なヒト被験者から採取した糞便サンプルを研究し、無菌マウスと通常飼育マウスのレベルを比較することで、カルニチンとアシルカルニチンが腸内細菌叢によって消費されていることを証明した。特に注目すべきは、腸内パージ後の欧米食を摂取しているヒト被験者の糞便中のカルニチンとアセチルカルニチンのレベルが、我々のFARMM研究におけるビーガンまたはEEN食を摂取している被験者と比較して高いことである。このことは、以前提案された、心血管疾患発症の文脈で食事がこれらの代謝物の管腔濃度を調節するという提案と一致している33。
小児IBDにおける糞便中カルニチン濃度と大腸菌との正の相関を考えると、欧米食における糞便中カルニチン濃度と大腸菌の強固な誘導との関連は特に注目に値する。実際、カルニチンの嫌気性細菌代謝に必要なcaiオペロンも、これら両集団において大腸菌レベルと正の相関があることが示された。このことは、食事とIBDの関係に関連するかもしれない。これまでの研究で、食事性カルニチンの豊富な供給源である赤肉の摂取は、疫学的にIBDの有病率と関連し、動物モデルでは大腸炎を悪化させることが報告されている55。一方、疫学的研究により、植物性食品はアシルカルニチンの含有量が動物性食品より2〜3log低く、IBDのリスクを低下させることが示唆されている57。
カルニチンは第4級アミンであり、様々な細菌が炭素源や窒素源、浸透圧保護剤、電子受容体として利用することが知られている。特定の細菌分類群によるこれらの代謝物の消費をより広範に特徴付けるために、我々は、バッチ培養で嫌気条件下で増殖させた後、BHIなどの細菌培養培地に通常豊富に含まれるカルニチンおよび様々なアシルカルニチンの変化をモニターする新しい方法を開発した。その結果、大腸菌のカルニチン消費能と緑膿菌のアセチルカルニチン代謝能が確認された41,42。このスクリーニングを用いて、私たちは、A muciniphilia、Clostridium butyricum、Enterococcus faecalis、K pneumoniaなど、IBDの便中アシルカルニチンと存在量に相関があることを示した追加細菌種によるアシルカルニチン代謝のユニークなパターンを同定した。現在のエビデンスに基づけば、アシルカルニチンの加水分解によってカルニチンとその同族脂肪酸が放出されることで、炭素または窒素を基質とした増殖が促進され、脂肪酸のβ酸化によるエネルギー産生が促進され、そして／または細菌膜の強化や浸透圧保護剤として機能することで細胞保護が強化されるのではないかという仮説は妥当である30。異なる細菌分類群によるカルニチンおよびアシルカルニチン代謝の効果が、in vitroまたはin vivoのいずれにおいても競争的増殖の優位性につながるかどうかを明らかにするためには、さらなる研究が必要である。
腸内細菌科のような通性嫌気性菌は、酸素や硝酸塩のような代替電子受容体を利用して電子伝達鎖に燃料を供給し、発酵のみよりも迅速にエネルギーを生成することができる。炎症は酸化的プロセスであるが、通性嫌気性菌は酸素を速やかに消費することができるため、腸管内腔はほとんど嫌気性である可能性が高い62,63。実際、大腸菌によるカルニチンの代謝は、グリセロールを炭素源とする嫌気性増殖を促進することが示されており、IBDに伴う腸管内腔のカルニチンレベルの上昇は、腸内細菌科細菌が嫌気的に消費できる基質の範囲を拡大することにより、腸内細菌異常症の発症を促進する可能性が示唆されている。同様の効果は、サルモネラ属やプロテウス属など、腸内細菌科に属する他の属についても示されている30。
C rodentiumを腸内細菌科の疾患誘発モデル菌として用い、LB中でアセチルカルニチン（C2）を消費し、培養液中にカルニチンを放出することを証明した。マウスの腔管全体に最も豊富に存在するアシルカルニチンであるアセチルカルニチン（C2）に着目し、食餌によるアセチルカルニチンの補給が、in vitro培養と同様に糞便中のカルニチン量を増加させるだけでなく、C rodentiumの増殖を促進することを示した。今後、緑膿菌で報告されているように、C rodentiumがアセチルカルニチンヒドロラーゼを持つかどうか42、またマウス腸管内での増殖が、大腸菌で示したように、炭素ベースの増殖を促進する電子受容体としてのカルニチン依存的代謝によるものかどうかを明らかにする必要がある。また、アセチルカルニチンの食事補充によってC rodentiumの負荷レベルが上昇しても、疾患活動性の有意な上昇とは関連しなかったことも興味深い。この病原体の生着は、接種量の大きさと食餌の両方に依存することが示されている64。また、アシルカルニチンは大腸上皮13の栄養源として利用され、アセチルカルニチンには抗炎症作用と抗酸化作用があることが示されていることから、アセチルカルニチンが宿主の生物学に直接作用する可能性も否定できない65。それにもかかわらず、一般的に使用される栄養補助食品であるアセチルカルニチンを食事から摂取することにより、C rodentiumの増殖が促進されること66は、カルニチンやアシルカルニチンを豊富に含む動物性食品の摂取はIBDのリスク上昇と関連し、植物や野菜の摂取はリスク低下と関連することを示す疫学的研究と一致している67。
全体として、IBDでは宿主から腸管内腔へのカルニチンやアシルカルニチンの送達が亢進し、腸内細菌叢の広範な細菌群の代謝基質となり、その利用は複雑で分類群特異的である。高次元の分析的特徴として、糞便アシルカルニチンのパターンは、おそらく細菌分類学とともに、IBDの存在または予後のバイオマーカーとして有用であろう。さらに、カルニチンが腸内細菌科細菌の生物学に及ぼす影響について現在得られている情報に基づくと、アシルカルニチンもまた、IBD患者の病因や疾患の経過に関連する腸内細菌叢の生物学に重要な機能的影響を及ぼす可能性がある。
研究方法
ヒト試験
小児IBD糞便メタボローム解析は、以前に記載したDYNAMIC研究の一環として実施した2。2015年9月から2018年8月にかけて、フィラデルフィア小児病院で健常児とIBD患児を募集した（Institutional Review Board #15 -011817）。健常児の除外基準は、下痢、登録後90日以内の抗生物質の使用、研究対象者の家族にC difficile感染者がいること、または慢性診断であった。健常児とIBD患児の人口統計学的特徴を表1に、IBD患児の臨床的特徴を表2に示す。糞便マイクロバイオーム解析を実施した2。簡単に説明すると、MO BIO PowerSoil htpキットを用いてゲノムDNAを抽出し、Nextera XT DNA Library Preparation Kit（Illumina, San Diego, CA）を用いてシーケンスライブラリーを調製した。ライブラリーはIllumina HiSeq 2500でペアエンド125塩基対シーケンスプロトコルを用いてシーケンスした。配列リードは、Trimomatic v.0.33を用いてアダプター配列と低品質リードを除去する処理を行った。69 超高速液体クロマトグラフィー/タンデム高分解能精密質量分析による非標的メタボロミクスは、逆相および親水性相互作用クロマトグラフィーを用いてMetabolon社（ノースカロライナ州）で実施した。この研究のためのアシルカルニチンの追加分析は、R.70を用いて行った。
ペンシルバニア大学施設審査委員会（University of Pennsylvania Institutional Review Board）は、この研究プロトコルを承認し、プロトコルに記載された目的に基づき、臨床試験登録要件の免除とみなした。糞便サンプルのメタボローム解析は、Nexera X2超高性能液体クロマトグラフィー（島津サイエンティフィックインスツルメンツ）、150×2mm Atlantic親水性相互作用クロマトグラフィーカラム（Waters, Milford, MA）、Q Exactive Hybrid Quadrupole-Orbitrap質量分析計（Thermo Fisher Scientific）を用いて液体クロマトグラフィー・タンデム質量分析を行った。カラムは、250 mL/分の流速で、5%移動相A（10 mmol/Lギ酸アンモニウムと0.1%ギ酸の水溶液）で1分間、次いで40%移動相B（0.1%ギ酸のアセトニトリル）で10分間かけて直線グラジエントで等速溶出した。分析には、エレクトロスプレーイオン化を用い、ポジティブイオンモードで、70,000の分解能と3Hzのデータ取得速度でm/z 70-800にわたるフルスキャン分析を行った。イオンスプレー電圧3.5kV、キャピラリー温度350℃、プローブヒーター温度300℃、シースガス40、補助ガス15、SレンズRFレベル40。生データはProgenesis QIソフトウェア（NonLinear Dynamics社）を用いて処理し、フィーチャーアライメント、ノンターゲットシグナル検出、シグナル統合を行った。既知の代謝物のサブセットのターゲット処理は、TraceFinder 3.3 ソフトウェア（Thermo Fisher Scientific）を使用して実施した。
動物 DSS大腸炎、C rodentium大腸炎、糞便および腔内サンプル採取
すべての実験はペンシルバニア大学ペレルマン医学部のInstitutional Animal Care and Use Committeeの承認を得た。C57BL/6JはJackson Laboratoryから入手した。無胚芽マウスはUniversity of Pennsylvania Gnotobiotic Mouse Facilityから入手した。実験に用いた動物はすべて6～12週齢の雌マウスであった。動物は12時間明期/12時間暗期サイクルで飼育した。DSS大腸炎モデルでは、マウスに放射線照射したAIN-76飼料（D10001i; Research Diets, Inc, New Brunswick, NJ）を与え、飲料水に2.5%のDSS（J63606.22; Thermo Fisher Scientific）を添加した。血液を顎下静脈から採取し、マウスを二酸化炭素で窒息死させた後、ボディコンディションスコアに基づく人道的終点基準に達した時点で頸椎脱臼により殺した。大腸炎のC rodentiumモデルを用いた研究では、マウスを放射線照射したAIN-76飼料（D10001i）で飼育し、飲料水に15 mmol/Lアセチルカルニチン（Fisher Scientific社製）を添加または無添加で1週間前処理した。その後、マウスにC rodentium（DBS100株、David Artis（Weill Cornell Medicine at Cornell University、ニューヨーク州ニューヨーク）からの贈与）を7×107コロニー形成単位経口投与した。糞便サンプルを毎日採取し、MacConkey寒天培地プレート上のコロニーを数えることにより、C rodentium負荷量を算出した。マウスは感染のピークである10日目に炭酸ガスによる窒息後、頚椎脱臼により死亡させた。
C rodentium大腸炎における大腸組織像
マウスの盲腸および結腸のスイスロール部分を4%パラホルムアルデヒドで固定し、パラフィン包埋、切片化、H&E染色した。スライドを分析し、C rodentium colitis用に開発されたマルチパラメトリック半定量的スコアリングシステムに従って、盲検病理医が疾患活動性をスコアリングした47。
細菌培養
Akkermansia muciniphila ATCC BAA-835、C butyricum ATCC 19398、E coli ATCC 11775、E faecalis ATCC 29200、K pneumoniae ATCC 13883、およびP aeruginosa ATCC BAA-47は、American Type Culture Collection（Manassas, VA）から入手した。すべての菌株は、嫌気性グローブボックス（Coy Laboratory Products, Inc, Grass Lake, MI）または好気性インキュベーター（Fisher Scientific）内で、37℃にて脳心筋注入ブロスを用いて増殖させた。増殖曲線は、一晩静置培養したものを植菌し、Epoch2自動マイクロプレート分光光度計（Agilent, Santa Clara, CA）を用いて12反復で行った。
グリセロール中での大腸菌の嫌気性増殖の研究には、MP13（野生型）、MP1のテトラサイクリン耐性誘導体72、MP377、caiC欠失を含むMP13誘導体、およびNRG 857Cを用いた。MP377 は、ΔcaiC::kan KEIO ノックアウト株 JW003673 を P1vir で形質導入して作製した。74 ここに記載したすべての実験において、M9 最小培地は、2 mmol/L FeSO4（Fisher Scientific）および 0.4% グリセロール（Fisher Scientific）を添加した M9 基 底培地74（自家製）を用いた。各菌株の三連培養を、M9 中、37℃で一晩好気的に増殖させた。これらの飽和培養液を嫌気チャンバーに導入し、嫌気チャンバー内で数週間予備平衡化したM9で1/200に希釈した。KNO3（フィッシャーサイエンティフィック社製）は30 mmol/L、カルニチンは20 mmol/Lの最終濃度になるように電子受容体を添加した。カルニチンは、200 mmol/Lカルニチン塩酸塩（Fisher Scientific）のM9塩中ストック溶液から添加し、NaOH（Fisher Scientific）でpHを7.2に調整した。培養は嫌気チャンバー内で37℃で48時間行った。その後、嫌気チャンバーから取り出し、直ちにストレプトマイシン（Fisher Scientific社製）を最終濃度250μg/mLまで添加し、増殖を停止させた。細胞密度は、600 nmで光学密度を測定することにより測定した。細菌培養試験の結果の統計解析は、GraphPad Prism 9（GraphPad Software, San Diego, CA）で行った。
質量分析による動物およびin vitro研究におけるアシルカルニチン分析
腸内容物および糞便中のアシルカルニチンを分析するために、まず100 mg/mLの濃度で超純水に取り込んだ。その後、固形物からアシルカルニチンを完全に遊離させるため、サンプルを3回の凍結融解サイクルと1回の超音波処理にかけた。次に、血漿、胆汁、細菌サンプルと同様に、アシルカルニチンをエタノールで抽出し、安定同位体標識内部標準物質（NSK-B; Cambridge Isotope Laboratories）の入ったチューブに加えた。エタノール抽出液を窒素気流下で乾燥させ、アシルカルニチンをブタノール性塩酸（Regis Technologies社製）と65℃で15分間インキュベートしてブチルエステル体に誘導体化した。乾燥したサンプルをアセトニトリル／水（80：20）で再構成し、5μLのサンプルをXevo TQ-XSタンデム質量分析計（Waters Corporation）にダイレクトフローインジェクションで供給した。データは多重反応モニタリングで取得し、フラグメント質量m/z 85の親化合物を重点的に収集した。定量は、最も近い鎖長の安定同位体標識内部標準に対して行った。移動相はアセトニトリル/水（80：20、v/v）。流速は0.1 mL/分。ソース温度は150℃、脱溶媒温度は200℃、ガスフローは550 L/h。コーン電圧は50 V、キャピラリー電圧は3.2 kVであった。質量分析計は、m/z 200で140,000の分解力を持つポジティブイオンモードで、m/z 140-600の質量スキャン範囲で操作した。特に断りのない限り、アシルカルニチン濃度の統計解析はGraphPad Prism 9（GraphPad Software, San Diego, CA）で行った。
臨床データセットの解析
ショットガンメタゲノムデータは、Sunbeamバージョン2.1.1.75を使用して解析した。 アダプターおよび低質領域は、Trimomaticのデフォルトパラメータを使用してトリミングした。細菌遺伝子のオルソログの存在量を推定するために、Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes データベース78 にマップした。サンプルの類似性はBray-Curtis距離で評価した。
Curtis Huttenhowerのグループ12によって説明されたように、各サンプルについて、健常人のサンプルとのBray-Curtis距離の中央値としてdysbiosisスコアを算出した。dysbiosis閾値は、健常人のdysbiosisスコアの90％分位値として算出した。
非標的メタボロミクスにより、アシルカルニチン代謝に属する37代謝物が同定された。線形混合効果モデルを用いて、非biosisサンプルとdysbioticサンプル間のlog10変換代謝物レベルの差を推定した。抗生物質の使用は共変量として、被験者の識別はランダム効果として加えた。
各時点のlog10変換細菌量とlog10変換代謝物量の間にスピアマン相関を計算した。全サンプルにわたって平均相対存在量が1%である細菌のみを検定した。
多重検定によるP値は、Benjamini-Hochberg法を用いて偽発見率で補正した。
謝辞
Johanna M. S. LemonsとMaire Conradは本原稿に等しく貢献した。
CRediT執筆者の貢献
Daria Krzikalla（概念化： イコール；形式分析： リード；調査： リード；方法論： リード; ソフトウェア： リード; 検証： リード; 可視化： 執筆（原案）：リード 同等)
Alena Laschtowitz（形式分析： 同等；調査： 同等、執筆-レビューと編集： サポート）
リサ・レイポルト（正式分析： 同等；調査：同等 同等；ライティング-校閲・編集 サポート）
コーネリア・ゴットウィック (調査：助力；執筆-校閲・編集：助力)
Pia Averhoff (調査：サポート; 執筆 - 査読 & 編集：サポート)
Sören Weidemann (方法論: 助手; 執筆 - 査読 & 編集: 助手)
Ansgar W. Lohse (概念化： 資金獲得： 執筆 - 査読と編集： 執筆-校閲・編集：支援)
Samuel Huber (方法論： 支援; リソース： 執筆 - 査読と編集：支援する： サポート）
Christoph Schramm (構想: 助手; 執筆 - 査読 & 編集: 助手)
Dorothee Schwinge（構想：支援： 支持；方法論： 執筆 - 査読と編集： サポート）
Johannes Herkel (概念化： リード；データキュレーション： リード；形式的分析： 同等；資金獲得： リード；調査： 方法論： 同等、プロジェクト管理： 同等；資源 リード；監督： 執筆 - 原案： 執筆-原案：リード)
アントネッラ・カランビア（概念化： リード；データキュレーション： 同等；形式的分析： 同等；調査： 方法論： リード；監督： 執筆-原案： 執筆-原案：リード)
参考文献
ウィンター S.E.
ロペス C.A.
バウムラー A.J.
炎症時における腸内関連微生物群集の動態。
EMBO Rep.
論文で見る
スコープス (231)
PubMed
クロスフィルム
グーグル奨学生
ブッシュマン F.D.
コンラッド M.
レンY.
他。
クロストリジオイデス・ディフィシル感染と小児炎症性腸疾患との相互作用のマルチオーム解析。
Cell Host Microbe. 2020; 28: 422-433 e427
論文で見る
スコープス (40)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
ブッレロ C.
ガラヴァリア F.
クリビウF.M.
他。
治療的糞便微生物叢移植は、免疫細胞によるIL10分泌を介して腸の炎症を制御する。
Nat Commun. 2018; 9: 5184
論文で見る
スコープス (166)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
コベス T.R.
アッシャー・J・R
ノーランドR.C.
ら
ミトコンドリアの過剰負荷と不完全な脂肪酸酸化が骨格筋のインスリン抵抗性に寄与している。
Cell Metab. 2008; 7: 45-56
論文で見る
筑波大学
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
Zhu W.
ウィンター M.G.
バインドロス M.X.
et al.
腸内細菌叢の精密編集が大腸炎を改善する。
Nature. 2018; 553: 208-211
論文で見る
スコープス (330)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ハミルトン M.J.
ワインガーデンA.R.
サドウスキーM.J.
他。
再発性クロストリジウム・ディフィシル感染症に対する糞便微生物叢移植のための標準化された凍結調製。
Am J Gastroenterol. 2012; 107: 761-767
論文で見る
スコープス (539)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
フヴァス C.L.
ダール・ヨルゲンセン S.M.
ヨルゲンセンS.P.
他
再発性クロストリジウム・ディフィシル（Clostridium difficile）感染症の治療において、糞便微生物叢移植はフィダキソマイシンよりも優れている。
Gastroenterology. 2019; 156: 1324-1332 e1323
論文で見る
スコープス (198)
パブコメ
要旨
全文
全文PDF
グーグル・スカラー
ファン・ヌードE.
ヴリーズA.
Nieuwdorp M.
他。
再発性クロストリジウム・ディフィシルに対するドナー糞便の十二指腸注入。
N Engl J Med. 2013; 368: 407-415
論文で見る
スコープス (2713)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
シン N.R.
Whon T.W.
Bae J.W.
プロテオバクテリア：腸内細菌叢におけるディスバイオージスの微生物シグネチャー。
Trends Biotechnol. 2015; 33: 496-503
論文で見る
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル・スカラー
ウィンター S.E.
ウィンター M.G.
ザビエル M.N.
他
宿主由来の硝酸塩が、炎症を起こした腸内で大腸菌の増殖を促進する。
Science. 2013; 339: 708-711
論文で見る
日本学術振興会特別研究員
PubMed
クロス
グーグル奨学生
リベラ-チャベスF.
ロペスC.A.
バウムラーA.J.
腸内細菌異常症のドライバーとしての酸素。
Free Radic Biol Med. 2017; 105: 93-101
論文で見る
スコープス (163)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ロイド-プライスJ.
アーゼC.
アナンタクリシュナンA.N.
他。
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。
Nature. 2019; 569: 655-662
論文で見る
スコープス (1201)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
スミス S.A.
小川 S.A.
Chau L.
ら
炎症性腸疾患におけるミトコンドリア機能障害は、肝アシルカルニチンの腸上皮代謝を変化させる。
J Clin Invest. 2021; 131e133371
論文で見る
スコパス (30)
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ノットネラス S.J.G.
ブリーカーJ.C.
ウストR.C.I.
他
ミトコンドリアの長鎖脂肪酸酸化とカルニチンシャトルの障害。
Rev Endocr Metab Disord. 2018; 19: 93-106
論文で見る
スコープス (166)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
フダ F．
ナラヤン S.B.
スクワイヤーズ・ジュニア、R.H.
他。
小児肝疾患における胆汁アシルカルニチンプロファイルは、長鎖脂肪酸酸化欠損の診断を妨げない。
Clin Chim Acta. 2006; 367: 185-188
論文で見る
PubMed
クロスレビュー
グーグル奨学生
Li S.
Gao D.
Jiang Y.
肝細胞癌におけるアシルカルニチン代謝の機能、検出および変化。
Metabolites. 2019; 9: 36
論文で見る
スコープス (0)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
マッキャン M.R.
ジョージ・デ・ラ・ロサM.V.
ロザニアG.R.
他
L-カルニチンとアシルカルニチン：精密医療のためのミトコンドリアバイオマーカー。
代謝物。2021; 11: 51
論文で見る
スコープス (103)
クロスレビュー
グーグル奨学生
榎本和典
中川博之
藤原直樹
ほか
血清アシルカルニチンプロファイルの変化は、非アルコール性脂肪性肝疾患（NAFLD）およびNAFLD関連肝細胞がんの状態と関連する。
Sci Rep. 2019; 910663
論文で見る
スコープス (42)
Crossref
グーグル奨学生
ルイズ M.
ラバルテF.
フォルティエA.
et al.
ヒト心不全における循環アシルカルニチンプロファイル：ミトコンドリアおよびそれ以降の脂肪酸代謝異常のサロゲート。
Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2017; 313: H768-H781
論文で見る
スコープス (79)
PubMed
Crossref
グーグル奨学生
コスタ C.C.
デ・アルメイダI.T.
ヤコブスC.
ら。
小児における絶食およびヒマワリ油負荷試験による血漿アシルカルニチン濃度の動的変化。
小児科研究1999; 46: 440-444
論文で見る
スコパス（61）
PubMed
クロス
グーグル奨学生
山極和彦
倉恒秀樹
渡辺由美子
他。
空腹時および再食後のアシルカルニチン代謝。
Biochem Biophys Res Commun. 1996; 225: 740-746
論文で見る
スコパス (22)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
シムコックス J.
ゲーガンG.
マスチェックJ.A.
他。
血漿脂質のグローバル解析により、褐色脂肪熱産生の燃料源として肝臓由来のアシルカルニチンが同定された。
Cell Metab. 2017; 26: 509-522 e506
論文で見る
スコープス (147)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
Roediger W.E.
潰瘍性大腸炎における大腸上皮：エネルギー欠乏性疾患？
Lancet. 1980; 2: 712-715
記事で見る
PubMed
概要
Google Scholar
Roediger W.E.
Nance S.
脂肪酸酸化阻害による実験的潰瘍性大腸炎の代謝誘導。
Br J Exp Pathol. 1986; 67: 773-782
論文で見る
PubMed
グーグル奨学生
Roediger W.E.W.
ヒト潰瘍性大腸炎の原因：ヒト疾患を反映する動物モデルからの手がかり。
JGH Open. 2019; 3: 277-280
論文で見る
スコープス (6)
クロス
グーグル奨学生
ペルテコバ V.D.
ウィントルR.F.
ルービンL.A.
他。
OCTN陽イオン輸送体遺伝子の機能変異はクローン病と関連している。
Nat Genet. 2004; 36: 471-475
論文で見る
筑波大学
PubMed
クロス
グーグル奨学生
アルダース-ガルシアL.
ジスベールJ.P.
Chaparro M.
炎症性腸疾患に関するメタボロミクスの知見：包括的レビュー。
医薬品（バーゼル）。2021; 14: 1190
記事で見る
スコープス (0)
パブコメ
クロス
グーグル奨学生
レバイン A.
グリフィス A.
マーコウィッツJ.
他。
炎症性腸疾患のためのモントリオール分類の小児修正：パリ分類。
Inflamm Bowel Dis. 2011; 17: 1314-1321
論文で見る
スコパス(1059)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ルイスJ.D.
チェン E.Z.
バルダッサーノR.N.
他
小児クローン病における腸内細菌叢の環境ストレス因子としての炎症、抗生物質、食事。
Cell Host Microbe. 2015; 18: 489-500
論文で見る
PubMed
アブストラクト
全文
全文PDF
グーグル奨学生
メドウズJ.A.
ウォーゴ M.J.
細菌の生理学と代謝におけるカルニチン。
微生物学（リーディング）。2015; 161: 1161-1174
論文で見る
スコープス (0)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
アイヒラー K.
ブールギスF.
ブシェA.
他。
大腸菌のカルニチン代謝に必要なcaiオペロンの分子的特徴付け。
Mol Microbiol. 1994; 13: 775-786
論文で見る
PubMed
クロスフィルム
グーグル奨学生
タネス C.
ビッティンガーK.
ガオ Y.
et al.
ヒト腸内細菌叢とそのメタボロームの回復における食物繊維の役割。
Cell Host Microbe. 2021; 29: 394-407 e395
論文で見る
スコープス (99)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
コエス R.A.
ラム-ガルベスB.R.
キルソップJ.
ら
雑食性食餌中のl-カルニチンはヒトにおいてアテローム性腸内細菌経路を誘導する。
J Clin Invest. 2019; 129: 373-387
論文で見る
スコープス (191)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ブシェA.
アイヒラーK.
マンドランド・ベルテロM.A.
大腸菌におけるカルニチン経路の制御：cai-fix分岐プロモーター領域の研究。
J Bacteriol. 1998; 180: 2599-2608
論文で見る
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ラコフ-ナホウムS.
パグリーノJ.
エスラミ-バルザネF.
et al.
Toll様受容体による常在細菌叢の認識は、腸の恒常性維持に必要である。
Cell. 2004; 118: 229-241
論文で見る
日本
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
クーパー H.S.
マーシー S.N.
シャー R.S.
ら
デキストラン硫酸ナトリウム実験マウス大腸炎の臨床病理学的研究。
Lab Invest. 1993; 69: 238-249
論文で見る
PubMed
グーグル奨学生
Jain R.
ウェイドG.
オンI。
ら。
脂質プロファイルの系統的評価による寒冷曝露時の循環脂質プールへの組織寄与の決定。
J Lipid Res.
論文で見る
スコープ (4)
要旨
全文
全文PDF
グーグル・スカラー
ミングローネG.
カプリストE.
グレコ A.V.
et al.
クローン病における食事誘発性熱産生および脂質酸化率の上昇。
1999; 69: 325-330
論文で見る
スコープス (36)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
マンK.
ボウマンC.
ブラバーマンK.N.
ほか
熱産生脂肪-上皮細胞軸は腸疾患耐性を制御する。
Proc Natl Acad Sci U S A. 2020; 117: 32029-32037
論文で見る
スコープス (6)
クロスリファレンス
グーグル奨学生
開高G.E.
リュウ S.H.
Koues O.I.
他。
大腸陰窩は微生物叢由来の代謝産物から幹細胞を保護する。
Cell. 2016; 165: 1708-1720
論文で見る
スコパス (391)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
クレバーH.P.
細菌のカルニチン代謝。
FEMS Microbiol Lett. 1997; 147: 1-9
論文で見る
PubMed
クロス
グーグル奨学生
メドウズ J.A.
ウォーゴ M.J.
O-アシルカルニチンに対する緑膿菌の増殖の特徴と短鎖アシルカルニチンヒドロラーゼの同定。
Appl Environ Microbiol. 2013; 79: 3355-3363
論文で見る
麹菌
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ブシェA.
ナッサーW.
アイヒラーK.
et al.
CRPとCaiFアクチベーターによる大腸菌カルニチン経路caiオペロンとfixオペロンの正の共同制御。
Mol Microbiol. 1999; 34: 562-575
論文で見る
麹菌 (0)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ウォルト A．
カーン M.L.
FixAおよびFixB遺伝子は大腸菌の嫌気性カルニチン還元に必要である。
J Bacteriol. 2002; 184: 4044-4047
論文で見る
スコパス (34)
クロス
グーグル奨学生
サイッツ W.
モンテロD.A.
パルドM.
他。
付着性-侵入性大腸菌（AIEC）外膜タンパク質の特性解析により、推定AIEC株をスクリーニングするための潜在的分子マーカーが得られた。
Int J Mol Sci.
論文で見る
スコープス (3)
クロス
グーグル奨学生
ホレシュ G.
ブラックウェルG.A.
トンキンヒルG.
他。
大腸菌ゲノムとその遺伝子の包括的かつ高品質なコレクション。
Microb Genom. 2021; 7: 499
論文で見る
Google Scholar
ブーラドゥー N.
ハリソン O.J.
ベルカイド Y.
Citrobacter rodentium感染マウスモデル。
Curr Protoc Immunol. 2017; 119: 191511-191525
論文で見る
スコープス（30）
クロス
グーグル奨学生
シューンマン M.G.
バズ F.M.
ホーテン S.M.
ら。
アシルカルニチン：インスリン抵抗性を反映または侵害？
糖尿病。2013; 62: 1-8
記事で見る
スコープス (436)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
クリウアー S.A.
マンゲルスドルフD.J.
ホルモンとしての胆汁酸：FXR-FGF15/19経路。
Dig Dis. 2015; 33: 327-331
論文で見る
スコープス (272)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
フィッツパトリックL.R.
ジェナブザデP.
IBDと胆汁酸吸収：前臨床および臨床観察に焦点をあてて。
Front Physiol.
論文で見る
スコープス (1)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
Lu D.
Liu Y.
ルオ Y.
et al.
腸内ファルネソイドX受容体シグナルは肝脂肪酸酸化を制御する。
Biochim Biophys Acta Mol Cell Biol Lipids. 2022; 1867159089
論文で見る
Google Scholar
アルジャウニ R.
ヘブテルヌ X.
プージェI.
ら。
クローン病患者におけるエネルギー代謝と基質酸化。
栄養。2000; 16: 173-178
記事で見る
スコープス (62)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
Papaefthymiou A.
ポタミアノスS.
グーラスA。
他。
炎症性腸疾患に伴う脂肪肝：生物学的製剤の潜在的効果。
J Crohns Colitis. 2022; 16: 852-862
論文で見る
スコープス(2)
クロス
グーグル奨学生
ビゲ A.
サンチェス A.
マエスタスC.
et al.
炎症性腸疾患と心血管疾患のリスク：すべての炎症は心臓病につながるか？
Trends Cardiovasc Med. 2020; 30: 463-469
論文で見る
スコープス (41)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
Li D.P.
Cui M.
タンF.
et al.
赤肉の大量摂取は、マウスの腸内細菌叢を変化させることにより、デキストラン硫酸誘導性大腸炎を悪化させる。
Front Nutr.
論文で見る
Google Scholar
レバイン A.
ワインE.
アッサA.
他。
クローン病排除食＋部分経腸栄養による持続的寛解のランダム化比較試験。
Gastroenterology. 2019; 157: 440-450 e448
論文で見る
スコープス（310）
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
ブルダンB.
アデニエ H.
ペラン Y.
カルニチンは植物の脂肪酸代謝に関連する。
Plant Physiol Biochem. 2007; 45: 926-931
論文で見る
植物生理学
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ラジャコビッチ L.J.
フーB.
ボレンバッハM.
他
ヒト腸内細菌におけるl-カルニチン由来γ-ブチロベタインからトリメチルアミンへの嫌気性代謝経路の解明。
Proc Natl Acad Sci U S A. 2021; 118e2101498118
論文で見る
スコープス (20)
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ジェイムソン E.
クアレシー・M.
チェン Y.
腸内のコリンおよびカルニチン分解菌の同定に関する方法論的考察。
Methods. 2018; 149: 42-48
論文で見る
スコープス (28)
Crossref
グーグル奨学生
アラゴッツィーニ F.
マンゾーニ M.
カヴァッツォーニV.
他
Fusarium oxysporumによるL-カルニチンの分解能。
Biotechnol Lett. 1986; 8: 95-97
論文で見る
スコパス (9)
クロス
グーグル奨学生
リトバク Y.
バインドロスM.X.
バウムラーA.J.
大腸細胞の代謝が腸内細菌叢を形成する。
Science. 2018; 362eaat9076
論文で見る
スコープス (333)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
リーデルT.E.
ベレルソンW.M.
ニールソンK.H.
et al.
栄養制限条件下におけるバクテリアの酸素消費速度。
Appl Environ Microbiol. 2013; 79: 4921-4931
論文で見る
スコープス (45)
クロスリファレンス
グーグル奨学生
フリードマン E.S.
ビッティンガーK.
エシポワT.V.
ら。
嫌気性腸内腔の起源における微生物対化学。
Proc Natl Acad Sci U S A. 2018; 115: 4170-4175
論文で見る
スコープス (133)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
カバジェロ-フローレスG.
ピカードJ.M.
福田 聡
他。
腸内におけるアミノ酸の競合を回避することで、コロニー形成抵抗性を覆す腸内病原体。
Cell Host Microbe. 2020; 28: 526-533 e525
論文で見る
スコパス (18)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
ジャマリ-ラウフィーN.
アリザデF.
メフラビZ.
ほか
アセチル-L-カルニチンは、TLR4/NFkappaB、オートファジー、炎症および酸化ストレスを標的とすることにより、リポ多糖（LPS）誘発性神経炎症に対する神経保護をもたらす。
Metab Brain Dis. 2021; 36: 1391-1401
論文で見る
スコパス (13)
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ダンブロワ M.
マクレッカ・クカ M.
クカ J.
他。
アシルカルニチン：命名法、バイオマーカー、治療可能性、創薬標的、臨床試験。
Pharmacol Rev. 2022; 74: 506-551
論文で見る
スコープス (43)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
ロー C.H.
ロッホヘッドP.
カリリH.
ら。
クローン病と潰瘍性大腸炎の食事性炎症性ポテンシャルとリスク。
消化器病学。2020; 159: 873-883 e871
論文で見る
スコープス (71)
PubMed
要旨
全文
全文PDF
グーグル奨学生
ボルジャーA.M.
ローゼ M.
Usadel B.
Trimmomatic：イルミナ配列データ用の柔軟なトリマー。
Bioinformatics. 2014; 30: 2114-2120
論文で見る
論文リスト
PubMed
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ウッド D.E.
ルーJ.
ラングミード B.
Kraken 2によるメタゲノム解析の改善。
Genome Biol.
論文で見る
スコープス (1734)
PubMed
クロスフィルム
グーグル奨学生
チームRC．
R
統計計算のための言語と環境. オーストリア、ウィーン。
http://www.R-project.org
日付：2013年
記事で見る
グーグル・スカラー
ウルマン-カルレM.H.
フォルツ C.J.
ボディコンディションスコアリング：マウスの健康状態を迅速かつ正確に評価する方法。
1999; 49: 319-323
論文で見る
PubMed
Google Scholar
ラサロ M.
リュー Z.
ビシャールR.
他
マウス腸内コロニー形成研究用の大腸菌分離株と2成分シグナルノックアウトへの応用。
J Bacteriol. 2014; 196: 1723-1732
論文で見る
スコープス (50)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
馬場俊彦
荒貴志
長谷川雅彦
他。
大腸菌K-12インフレーム単一遺伝子ノックアウト変異体の構築：慶應コレクション.
Mol Syst Biol.
論文で見る
スコープス(5582)
クロス
グーグル奨学生
ミラー J.H.
細菌遺伝学の短期コース：大腸菌と関連細菌のための実験マニュアルとハンドブック。
コールド・スプリング・ハーバー研究所出版、1992
記事で見る
Google Scholar
クラーク E.L.
テイラー L.J.
ザオ C.
et al.
Sunbeam：メタゲノム配列解析実験のための拡張可能なパイプライン。
Microbiome. 2019; 7: 46
論文で見る
スコープス (93)
PubMed
クロス
グーグル奨学生
Li H.
ダービン R.
Burrows-Wheeler変換を用いた高速で正確なショートリードのアライメント。
Bioinformatics. 2009; 25: 1754-1760
論文で見る
筑波大学
PubMed
クロスリファレンス
グーグル奨学生
ウッド D.E.
サルツバーグ S.L.
Kraken: 正確なアラインメントを用いた超高速メタゲノム配列分類。
ゲノム生物学 2014; 15: R46
論文で見る
筑波大学
PubMed
クロスフィルム
グーグル奨学生
緒方英明
後藤慎一郎
佐藤和彦
他。
KEGG: 京都遺伝子ゲノム百科事典.
Nucleic Acids Res. 1999; 27: 29-34
論文で見る
遺伝子発現
PubMed
クロスリファレンス
グーグル奨学生
論文情報
出版履歴
オンライン公開 2023年9月20日
受理済み 受理：2023年9月12日
改訂版受理：2023年9月12日 2023年9月12日
受理：2023年9月12日 2023年5月2日
出版段階
インプレスジャーナル予稿集
脚注
利益相反 著者らは利益相反を公表していない。

資金提供 本研究は、クローン病・大腸炎財団（G.D.W.）、PennCHOPマイクロバイオームプログラム（C.T.、E.S.F.、R.N.B.、K.B.、G.D.W.）、Penn Center for Nutritional Science and Medicine（L.C.、E.S.F.、 およびG.D.W.）、Sherman Prize、Center for Molecular Studies in Digestive and Liver Disease助成金P30DK050306（L.C.、E.S.F.、K.B.、およびG.D.W.）、Commonwealth Universal Research Enhancement program助成金SAP #4100068710 。

Data Availability データはリクエストに応じて入手可能。

識別
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcmgh.2023.09.005

著作権
© 2023 The Authors. AGA Instituteの委託によりElsevier Inc.が発行。
ユーザーライセンス
クリエイティブ・コモンズ 表示 - 非営利 - 改変禁止 (CC BY-NC-ND 4.0) | 情報アイコンの再利用方法
サイエンスダイレクト
ScienceDirectでこの論文にアクセスする
図
図サムネイル ga1
グラフィカルアブストラクト
図サムネイルgr1
図1IBDにおけるdysbiosisと便中アシルカルニチン濃度の相関解析。(A)全患者サンプルの診断名別微生物ディスバイオーシススコアの分布： CD、UC、IBD-U。点線は、検体がdysbioticと分類される閾値を示す。(B）腸内細菌叢のBray-Curtis非類似度に基づく主成分分析（PCoA）プロット。全サンプルを用いて共通のプロットを作成し、診断別のサンプルをそれぞれ個別に表示した。ディスバイオーシスのスコアは色分けされ、記号は抗生物質の使用を示す。(C）ディスバイオーシスとIBD臨床表現型との関連。(D）ヒトゲノムにアライメントされたシークエンスリードの割合とディスバイオーシスの有無との関連。(E)26種類の代謝物は、非生理的サンプルと比較して、生物多様性障害サンプルで有意に増加した。X軸は、生物多様性グループと非生物多様性グループ間の代謝物レベルの推定対数差である。アシルカルニチンの様々な構造カテゴリーを色分けした。偽発見率： ∗P＜0.05、P＜0.01、P＜0.001。Abxは抗生物質。
図サムネイルgr2
図2アシルカルニチン値は糞便カルプロテクチンおよび細菌分類群と相関する。(A）小児IBD患者におけるアシルカルニチンとカルプロテクチンとの関連。アシルカルニチンの様々な構造分類を色分けした。(B)全小児患者における個々の時点における便中アシルカルニチンと細菌分類群とのスピアマン相関。各円の大きさは相関の強さを示し、相関はパネルに示すように色分けされている。青は負の相関、赤は正の相関を示す。(C)非生物的および生物的異常とラベル付けされたサンプル間のcaiオペロンの遺伝子のキロベース百万あたりの読み取り数(RPKM)。偽発見率： ∗P＜0.05、P＜0.01、P＜0.001。
図サムネイルgr3
図3ヒトの食事介入研究期間中の糞便アシルカルニチンとそれに対応する大腸菌量の変化。(A）FARMM研究におけるアシルカルニチン濃度の対数変換平均値のヒートマップ。検出限界以下の値は、各カルニチン種について検出された最低レベルの2分の1としてインプットされた。(B）FARMM試験期間中の大腸菌の平均相対存在量。データは平均値±SEMで表した。(C）FARMM試験期間中のcaiオペロン遺伝子のRPKM（reads per kilobase million）。AUC、▪▪▪。
図サムネイルgr4
図4 従来のマウスと無菌マウスにおけるアシルカルニチンレベルの定量。(A）従来型マウスおよび無菌（GF）マウスの様々な生体試料中のカルニチンおよびアシルカルニチン濃度のヒートマップ（従来型マウスはn＝4-5、無菌マウスはn＝5）。(B)2.5%DSSで大腸炎を誘導したGFマウスとそうでないGFマウスの各種生体試料中のカルニチンとアシルカルニチン濃度のヒートマップ、GFマウスではn=4-6、2.5%DSSを投与したGFマウスではn=5-6。∗有意なP値は、偽発見率補正を用いた対応のないt検定によるものである。(C) 2.5％黄砂を飲水投与して大腸炎を誘発した無菌マウスおよび無菌対照マウスの大腸長。∗∗∗P < .001. (D) 2.5％黄砂を飲水投与して大腸炎を誘発した無菌マウスおよび無菌対照マウスの時間依存性疾患活動性指数（DAI）。各群N = 6。DSS投与マウスは試験4日目までに殺処分の閾値を満たした。Prox、▪▪▪；SI、▪▪▪。
図サムネイルgr5
図5様々な細菌種によるカルニチンおよびアシルカルニチンの消費と、嫌気性呼吸に対するcaiオペロンの影響。(A）豊富な細菌培養培地、LB、BHI、およびチョップドミートカーボハイドレート（CMC）ブロス中に天然に存在するアシルカルニチンの濃度。 B）BHI中、37℃の嫌気条件下での細菌株の増殖曲線、n＝12。C）カルニチン、（D）アセチルカルニチン、および（E）長鎖アシルカルニチンのBHI培地中濃度、37℃嫌気条件下で細菌を添加または無添加で24時間培養後。∗P＜0.05、＊P＜0.01、＊P＜0.001、＊P＜0.0001。偽発見率補正を用いた対応のないt検定後。(F）硝酸塩またはカルニチン存在下、グリセロールを唯一の炭素源とするM9最小培地における野生型（WT）大腸菌MP1およびcaiオペロンの変異体（ΔcaiC）の嫌気的増殖。(G)硝酸塩またはカルニチン存在下、グリセロールを唯一の炭素源とするM9最小培地における付着性侵襲性大腸菌NRG 857C株の増殖。OD600、600nmにおける光学密度。
図サムネイルgr6
図6in vitroおよびin vivoにおける腸内細菌科細菌の増殖に対するカルニチンおよびアセチルカルニチン代謝の影響。(A）腸内細菌C rodentiumをLBブロスで一晩好気培養および嫌気培養する前後のアセチルカルニチンレベル。 B）腸内細菌C rodentiumをLBブロスで一晩好気培養および嫌気培養する前後のカルニチンレベル。 C）アセチルカルニチンを食事から摂取させない場合と摂取させた場合の、未感染マウスおよび腸内細菌C rodentium感染マウスの頭部アセチルカルニチンレベル（P = 0.43、一元配置分散分析[ANOVA]）。(D）アセチルカルニチンを食事で補充しなかった場合と補充した場合の、ナイーブおよびC rodentium感染マウスのセカルカルニチンレベル（P = 0.006、1元配置分散分析；P = 0.02およびP = 0.009、それぞれALCAR + C rodentium vs C rodentium単独およびナイーブ；Tukey多重比較検定）。(E）アセチルカルニチンを摂取させたマウスと摂取させなかったマウスにおける感染後9日目と10日目のC rodentium負荷量。∗∗P＜0.01、P＜0.001（非対t検定）。(F)組織学的疾患活動性に対するC rodentium感染および15 mmol/Lアセチルカルニチン飲料水補給の効果、ナイーブおよびALCARではn = 5、C rodentiumおよびALCAR + C rodentiumではn = 10。∗∗∗∗p＜0.0001（対応のないt検定による）。ALCAR、アセチルカルニチン；CFU、コロニー形成単位。
表
表1DYNAMICコホートにおける患者集団の人口統計学的特徴
表2DYNAMICコホートにおける小児の炎症性腸疾患患者の臨床的特徴
表3FARMM試験（図3A）における便中カルニチンアシルカルニチン濃度の時間および食事依存性変化に関する統計解析
表4FARMM試験における時間依存性変化の線形混合効果モデリング 抗生物質投与前後の3食にわたるcaiオペロン遺伝子の相対存在量の変化を比較（図3C）
表5caiオペロンの遺伝子の相対的存在量における雑食とEENまたはビーガン食を比較したFARMM研究における食餌依存性変化の線形混合効果モデリング（図3C）
関連記事
ホーム
発展途上国へのアクセス
記事と号
最新号
最新号
アーカイブ
プレスリリース
特別号
トピックコレクション
CMGHについて
CMGHについて
アドバイザリーボード
連絡先
編集委員会
編集スタッフ
編集者
執筆者の方へ
カバーアートの投稿
図版FAQ
グラフィカル・アブストラクト
著者への指示
メディカルイラストレーションFAQ
投稿前チェックリスト
研究者アカデミー
原稿を投稿する
読者の皆様へ
オープンアクセスについて
広告主情報
再利用の許可
報道差し止め
メールマガジン登録
AGA
AGAホーム
AGAモバイル
AGAに参加する
ソーシャルメディア
フォローする
ユーチューブ
X (旧ツイッター)
フェイスブック
当サイトのコンテンツは医療従事者向けです。

当サイトでは、サービスの提供・向上やコンテンツのカスタマイズのためにクッキーを使用しています。クッキーの設定を更新するには、このサイトのクッキー設定をご覧ください。
このサイトのすべてのコンテンツ： 著作権 © 2023 Elsevier Inc.
テキストマイニング、データマイニング、AIトレーニング、および同様の技術に関するものも含め、すべての権利はエルゼビア社に帰属します。
すべてのオープンアクセスコンテンツには、クリエイティブ・コモンズのライセンス条件が適用されます。

プライバシーポリシー 利用規約 アクセシビリティ ヘルプ＆コンタクト

RELX