論文紹介セミナー

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生物学類4年生が以下の論文を紹介しました。以前参加した学会で聞いた研究について興味を持ったとのことです。

PLOS ONE, 2016年1月20日

2016 Jan 20;11(1):e0138293. doi: 10.1371/journal.pone.0138293. eCollection 2016.

Administration of Non-Absorbable Antibiotics to Pregnant Mice to Perturb the Maternal Gut Microbiota Is Associated with Alterations in Offspring Behavior (妊娠中のマウスに非吸収性抗生物質を投与して腸内細菌叢を撹乱することが子孫の行動に関連する変化と関連する)

Shiro Tochitani 1 2 3, Takahiro Ikeno 4, Tatsuhito Ito 4, Asuka Sakurai 4, Tomoki Yamauchi 4, Hideo Matsuzaki 1 2 3 4

福井大学 先進部門 子どものこころの発達研究センター 脳機能発達研究部門　

筆頭著者の栃谷史郎先生は、 鈴鹿医療科学大学 保健衛生学部 放射線技術科学科の教授です。

Abstract

There is increasing evidence that the gut microbiota plays a major role in host health and disease. In this study, we examined whether perturbation of the maternal gut microbiota during pregnancy, induced by administration of non-absorbable antibiotics to pregnant dams, influences the behavior of offspring. Terminal restriction fragment length polymorphism analyses of fecal bacterial composition showed that the relative abundance of the bacterial order Lactobacillales was lower in offspring born from antibiotic-treated dams (20.7±3.4%) than in control offspring (42.1±6.2%) at P24, while the relative abundance of the bacterial family Clostridium subcluster XIVa was higher in offspring born from antibiotic-treated dams (34.2±5.0%) than in control offspring (16.4±3.3%). Offspring born from antibiotic-treated dams exhibited low locomotor activity in both familiar and novel environments, and preferred to explore in the peripheral area of an unfamiliar field at postnatal week 4. At postnatal weeks 7–8, no difference was observed in the level of locomotor activity between control offspring and offspring from antibiotic-treated dams, while the tendency for the offspring from antibiotic-treated dams to be less engaged in exploring the inside area was still observed. The behavioral phenotypes of the offspring from antibiotic-treated dams at postnatal week 4 could be rescued to a considerable extent through fostering of these offspring by normal dams from postnatal day 1. Although the detailed underlying mechanisms are not fully elucidated, the present results suggest that administration of non-absorbable antibiotics to pregnant dams to perturb the maternal gut microbiota during pregnancy leads to alterations in the behavior of their offspring.

背景
腸内細菌叢は免疫、代謝、神経系に影響を及ぼし、脳の発達や行動にも関与することが知られている。母体の腸内細菌叢の撹乱が子孫に及ぼす影響を検証するため、妊娠中のマウスに抗生物質を投与した。

方法
妊娠中のC57BL/6Jマウスに非吸収性抗生物質をE9～E16の期間投与し、子孫の腸内細菌叢と行動を解析。さらに、出生後の母体交換（クロスフォスターリング）実験も実施。

結果

  1. 腸内細菌叢の変化
    • 抗生物質処理を受けた母体の子孫（AB offspring）は、生後24日目（P24）において腸内細菌叢の構成が変化していた。
      • Lactobacillales（乳酸菌目）の割合が低下（20.7±3.4%、対照群では42.1±6.2%）。
      • Clostridium subcluster XIVa（クロストリジウム亜群）の割合が増加（34.2±5.0%、対照群では16.4±3.3%）。
  2. 行動特性の変化
    • 生後4週目（PW4）では、AB offspringが以下のような行動特性を示した：
      • 活動性の低下：明暗サイクルの暗期において自発的活動が対照群より低い（ホームケージでの活動量テスト）。
      • 探索行動の減少：オープンフィールドテストで新しい環境への探索行動が少なく、フィールド中央（内側エリア）を避ける傾向が強い。
      • レアリング頻度の低下：新しい刺激によって誘発されるレアリング（後肢で立ち上がる動作）が少なかった。
    • 生後7～8週目（PW7～PW8）では以下の観察があった：
      • 一般的な活動性は回復したが、新しい環境の中央への探索行動は依然として対照群より少ない。
  3. クロスフォスターリング実験の効果
    • AB offspringが通常の母体に養育されると（FMControl TMAB）、PW4での行動特性が対照群に近い状態に回復。
    • 一方で、対照群の子孫が抗生物質処理を受けた母体に養育されると（FMAB TMControl）、AB offspringと類似した行動特性を示した。

議論

  1. 腸内細菌叢の役割
    • 腸内細菌叢の母子間の垂直伝播が子孫の脳発達や行動に影響を及ぼす可能性が示唆された。
    • 母体の腸内細菌叢の撹乱によって子孫の腸内細菌叢が変化し、これが行動変化の一因となった可能性がある。
  2. 育児環境の重要性
    • クロスフォスターリング実験により、出生後の育児環境が行動特性に重要であることが確認された。
    • AB offspringの行動特性の一部は、生後1日目（P1）から通常の母体に養育されることで回復した。
  3. 母体の栄養状態と乳児への影響
    • 抗生物質処理による母体の腸内細菌叢の撹乱は、母体の栄養状態を悪化させ、低栄養の母乳が子孫の発達に影響した可能性がある。
    • 腸内細菌叢が食物代謝やビタミン合成に寄与することから、母乳中の栄養素やホルモン（例：レプチン）の減少が考えられる。
  4. ストレスと育児行動への影響
    • 母体のストレス反応の増加が育児行動を変化させ、子孫の行動発達に悪影響を与えた可能性がある。

本研究は、母体の腸内細菌叢が子孫の行動に与える影響を明らかにする重要な知見を提供し、腸内細菌をターゲットとした新しい健康管理の可能性を示唆するものである。

図1は、妊娠中のマウスに非吸収性抗生物質を投与した場合の母体の体重増加と腸内細菌叢の変化を示している。図1aでは、E9からE16の間に抗生物質を投与した群（AB-treated）では、対照群（Control）に比べて有意に体重増加が少ない結果が示されており、統計的に有意な差が認められている（P<0.0001, t検定）。また、図1bでは、抗生物質投与後4日目に採取した糞便サンプルを用いて細菌量の指標である16SリボソームRNA遺伝子のコピー数を測定した結果、抗生物質投与群では対照群と比較して有意に低いコピー数が検出されている（P=0.0006, Mann-Whitney検定）。
図1cでは、糞便中の腸内細菌叢をターミナル制限フラグメント長多型解析（T-RFLP）を用いて分類学的プロファイルを示している。抗生物質投与群では、特にClostridium cluster XIが有意に減少しており（P=0.0014, Mann-Whitney検定）、Prevotella属が完全に消失していることが確認されている。ただし、Prevotella属の消失については統計的な評価が困難である。
さらに、図1dと図1eでは、腸内細菌叢の群間の類似性をクラスタ解析で比較している。Pearson相関とUPGMA法を用いた解析（図1d）およびDice係数とWard法を用いた解析（図1e）のいずれにおいても、対照群と抗生物質投与群は異なるクラスタに分類されていることが明らかとなった。
これらの結果は、抗生物質の投与が母体の腸内細菌叢の構成に大きな影響を及ぼし、特定の細菌群の減少や消失を引き起こすことを示している。また、腸内細菌叢の撹乱が母体の体重増加にも悪影響を及ぼしていることが示唆される。

Im Spiegel erscheint ein Schattenbild,
Wenn man tief hineinschaut, ein Irrweg,
Die Wahrheit, die du suchst,
Schaukelt auf den Wellen deines Herzens.

Was heißt es, sich selbst zu kennen?
Nicht nur in Form und Gestalt,
Eine leise Stimme fragt sanft,
Licht im Inneren, Abgrund der Dunkelheit.

Eine endlose Reise der Erkenntnis,
Die Weisheit der Alten leuchtet bis heute,
Flüstert denen, die auf dem Weg sind,
“Erkenne dich selbst.”

“Die Wahrheit hinter dem Spiegel”

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