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1 1 (日本語翻訳版) 高脂肪食飼育マウスにおける腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果 米井嘉一 1) 、 八木雅之 1) 、 中村光康 1) Lanny Parengkuan 1) 、 小椋真理 2) 、平 敏夫 3) 、 浅野さより 3) 、劉 輝雄 4) 1) 同志社大学大学院生命医科学研究科アンチエイジングリサーチセンター ・ 糖化ストレス研究センター 2) 同志社女子大学生活科学部 3) 株式会社 プライマリーセル 4) 輝雄診所(台北) Original Article Effects of Astaxanthin on Intestinal Microflora in Mice Fed a High-fat Diet Yoshikazu Yonei 1) , Masayuki Yagi 1) , Mitsuyasu Nakamura 1) , Lanny Parengkuan 1) , Mari Ogura 2) , Toshio Taira 3) , Sayori Asano 3) , Hui-Hsiung Liu 4) 1) Anti-Aging Medical Research Center and Glycation Stress Research Center, Graduate School of Life and Medical Sciences, Doshisha University 2) Faculty of Human Life and Science, Doshisha Women’s College of Liberal Arts 3) Primary Cell Co., Ltd. 4) Imperial Clinic Received: Jul 9, 2012 Accepted: Aug. 26, 2013 Published online: Aug. 31, 2013 Anti-Aging Medicine 10 (4) : 77-91, 2013 本論文を引用する際はこちらを引用してください。 (c) Japanese Society of Anti-Aging Medicine 〒 610-0321 京都府京田辺市多々羅都谷 1-3 同志社大学大学院生命医科学研究科アンチエイジングリサーチセンター 教授 米井嘉一 電話 & FAX:0774-65-6394 メール:[email protected] Anti-Aging Medicine 10 (4) : 77-91, 2013 抄録 【目的】 腸内細菌叢(腸内フローラ)は加齢や生活環境により変動し、 健康状態や癌などの疾病に関与する。 健全な腸 内細菌叢を保つことは若くて健康な身体を保つために重要である。 今回、 アスタキサンチンが腸管内にて腸内細菌叢に及 ぼす影響について検討した。 【方法】 マウスに高脂肪食を与えた際の腸内細菌叢の変化と、 それに対するアスタキサンチンの作用について検討した。 マウスは標準食群(脂質 3.9%)、 標準食+アスタキサンチン(0.02%)添加群、 高脂肪食群(脂質 35%)、 高脂肪食+アスタキ サンチン添加群の 4 群に分けた(各 n=5)。 試験開始時、 14 日後、 28 日後の糞便を回収して DNA 抽出を行い、 これを鋳 型としてリアルタイム PCR を行った。 リアルタイム PCR は全菌種(All bacteria)、 バクテロイデス(Bacteroides)、 ビフィズス菌 (Bifidobacterium)、 プレボテラ(Prevotella)、 ラクトバチルス(Lactobacillus)、 ストレプトコッカス(Streptococcus)、 クロストリ ジウムコッコイデス(Clostridium coccoides)、 クロストリジウムレプタム(Clostridium leptum)の 16S rRNA 領域に特異的に設 計されたプライマーで行い、 コピー(cp)値を全菌種共通プライマーの cp 値にて補正した。 【結果】 腸内細菌叢の解析の結果、 高脂肪食摂取によりバクテロイデス属、 クロストリジウムコッコイデスグループ、 クロス トリジウムレプタムグループが優勢になり、 ストレプトコッカスグループ(乳酸菌)が減少した。 これに対しアスタキサンチン添 加群ではこれらの変化が抑制された。 【結論】 マウスに高脂肪食を負荷した際の腸内細菌叢の乱れに対し、 アスタキサンチン投与が制御的に作用することが示 された。 KEY WORDS: アスタキサンチン、 高脂肪食、 腸内細菌叢、 ラクトバチルス、 リアルタイム PCR

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Page 1: KEY WORDS - 日本抗加齢医学会4)7791J.pdf2 高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果 ( ) はじめに アスタキサンチンは食餌由来のフリーラジカル捕捉型抗酸化

高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )1( )1( )

(日本語翻訳版)

高脂肪食飼育マウスにおける腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

米井嘉一 1)、 八木雅之 1)、 中村光康 1)、 Lanny Parengkuan 1)、 小椋真理 2)、 平 敏夫 3)、 浅野さより 3)、 劉 輝雄 4)

1) 同志社大学大学院生命医科学研究科アンチエイジングリサーチセンター ・ 糖化ストレス研究センター

2) 同志社女子大学生活科学部

3) 株式会社 プライマリーセル

4) 輝雄診所(台北)

Original ArticleEffects of Astaxanthin on Intestinal Microflora in Mice Fed a High-fat Diet

Yoshikazu Yonei 1), Masayuki Yagi 1), Mitsuyasu Nakamura 1), Lanny Parengkuan 1), Mari Ogura 2), Toshio Taira 3), Sayori Asano 3), Hui-Hsiung Liu 4)

1) Anti-Aging Medical Research Center and Glycation Stress Research Center, Graduate School of Life and Medical Sciences, Doshisha University2) Faculty of Human Life and Science, Doshisha Women’s College of Liberal Arts3) Primary Cell Co., Ltd.

4) Imperial Clinic

Received: Jul 9, 2012 Accepted: Aug. 26, 2013Published online: Aug. 31, 2013

Anti-Aging Medicine 10 (4) : 77-91, 2013本論文を引用する際はこちらを引用してください。(c) Japanese Society of Anti-Aging Medicine

〒610-0321 京都府京田辺市多々羅都谷1-3同志社大学大学院生命医科学研究科アンチエイジングリサーチセンター

教授 米井嘉一電話 & FAX:0774-65-6394 メール:[email protected]

Anti-Aging Medicine 10 (4) : 77-91, 2013

抄録

【目的】 腸内細菌叢(腸内フローラ)は加齢や生活環境により変動し、 健康状態や癌などの疾病に関与する。 健全な腸

内細菌叢を保つことは若くて健康な身体を保つために重要である。 今回、 アスタキサンチンが腸管内にて腸内細菌叢に及

ぼす影響について検討した。

【方法】 マウスに高脂肪食を与えた際の腸内細菌叢の変化と、 それに対するアスタキサンチンの作用について検討した。

マウスは標準食群(脂質 3.9%)、 標準食+アスタキサンチン(0.02%)添加群、 高脂肪食群(脂質 35%)、 高脂肪食+アスタキ

サンチン添加群の 4 群に分けた(各 n=5)。 試験開始時、 14 日後、 28 日後の糞便を回収して DNA 抽出を行い、 これを鋳

型としてリアルタイム PCR を行った。 リアルタイム PCR は全菌種(All bacteria)、 バクテロイデス(Bacteroides)、 ビフィズス菌

(Bifidobacterium)、 プレボテラ(Prevotella)、 ラクトバチルス(Lactobacillus)、 ストレプトコッカス(Streptococcus)、 クロストリ

ジウムコッコイデス(Clostridium coccoides)、 クロストリジウムレプタム(Clostridium leptum)の 16S rRNA 領域に特異的に設

計されたプライマーで行い、 コピー(cp)値を全菌種共通プライマーの cp 値にて補正した。

【結果】 腸内細菌叢の解析の結果、 高脂肪食摂取によりバクテロイデス属、 クロストリジウムコッコイデスグループ、 クロス

トリジウムレプタムグループが優勢になり、 ストレプトコッカスグループ(乳酸菌)が減少した。 これに対しアスタキサンチン添

加群ではこれらの変化が抑制された。

【結論】 マウスに高脂肪食を負荷した際の腸内細菌叢の乱れに対し、 アスタキサンチン投与が制御的に作用することが示

された。

KEY WORDS: アスタキサンチン、 高脂肪食、 腸内細菌叢、 ラクトバチルス、 リアルタイム PCR 

Page 2: KEY WORDS - 日本抗加齢医学会4)7791J.pdf2 高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果 ( ) はじめに アスタキサンチンは食餌由来のフリーラジカル捕捉型抗酸化

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

はじめに

アスタキサンチンは食餌由来のフリーラジカル捕捉型抗酸化

物質の一つである。 これまで著者らは酸化ストレス負荷が強い

閉経後女性を対象とし、 アスタキサンチンを 8 週間内服投与し

た際の心身作用および安全性について無対照オープン試験と

して検討し、 抗酸化能を増強、 血圧の下降をみられ、 便秘や

更年期愁訴を改善することを示した 1)。 アスタキサンチンは小

腸より吸収され抗酸化作用を発揮するが、 一部は腸管で吸収

されずに大腸に達する。 我々は大腸内に達したアスタキサン

チンが大腸内でも抗酸化作用を発揮し、 腸内細菌叢(腸内フ

ローラ)に影響する可能性があると考えた。

腸内細菌叢(腸内フローラ)は加齢や生活環境により変動し、

健康状態や癌などの疾病に関与する。 健全な腸内細菌叢を

保つことは若くて健康な身体を保つために重要である。 今回

はマウスに高脂肪食を与えた際の腸内細菌叢の変化と、 それ

に対するアスタキサンチンの作用についてリアルタイム PCR 法2-4) を用いて検討した。

方法

被験物質を含む通常食および高脂肪食の調製

標準食はラボ MR ストック(日本農産工業、 神奈川県横浜市

西区)、 高脂肪食は HFD-60(オリエンタル酵母、 東京都板橋

区)を使用し、 被験物質(アスタキサンチン)が 0.02% となるよう

通常食、 高脂肪食を調製した。 アスタキサンチン(アスタリー

ルオイル 50F)は富士化学工業(株) (富山県中新川郡上市

町)より提供を受けた。 標準食の栄養成分含有量は脂肪 3.9%、

蛋白質 18.8%、 炭水化物 54.7%、 食物線維 6.6%、 高脂肪食

では脂肪 35%、 蛋白質 23%、 炭水化物 25.3%、 食物線維 6.6%

であった。

動物飼育およびアッセイ方法

4 週齢の ICR マウス 20 匹をそれぞれ個別ケージで飼育し 1

週間馴化した。 馴化後、 体重測定を行ない、 1 群 5 匹として

次の 4 群:通常食群(C 群)、通常食+アスタキサンチン群(CA

群)、高脂肪食群(H 群)、高脂肪食+アスタキサンチン群(HA

群)に分けた。 馴化最終日の 24 時間糞便を回収し Day 0 とし

た。Day 1 より各群飼料を与え、1 週間に 1 度体重測定を行なっ

た。 給餌は、通常食については 1 週間に 1 度、高脂肪食群は、

2 日に 1 回(給餌前日に室温に戻してから使用する)の給餌と

した。 糞便回収は飼育 13 日から 14 日目にかけて(Day 14)お

よび飼育 27 日から 28 日目にかけて(Day 28)にも行い、 飼育

終了とした。 回収した糞便は- 20℃にて保存した。

DNA の抽出

Day 0、 Day 14、 Day 28 に回収した糞便を解凍し重量を

秤量後、 一晩室温にて乾燥を行った。 翌日乾燥重量を秤量

後、 糞便を全量粉末化した。 各粉末化糞便を 100 mg 前後マ

イクロテストチューブに測り取り、 QIAamp® DNA Stool Mini Kit

(Qiagen, Venlo, Netherlands) を用いて DNA 抽出を行った。

抽出した DNA 溶液はナノドロップにて濃度を測定した。

リアルタイム PCR

DNA 溶 液 を、 全 菌 種、 Lactobacillus、 Streptococcus、

Clostridium coccoides、 および Clostridium leptum について

100 倍希釈、 その他のターゲットについて最終濃度を 20 μg/

μL に揃え、 LightCycler® 480 SYBR Green I Master (Roche

Diagnostics K.K., 東京都港区 ) のプロトコルに従い、 プライ

マー配列については、 松木らまたは遠藤らの方法 2-4) によっ

てリアルタイム PCR 解析を行った。 なお、 解析対象は全菌

種(All Bacteria)と、 バクテロイデス(Bacteroides)、 ビフィズス

菌(Bifidobacterium)、 プレボテラ(Prevotella)、 ラクトバチル

ス(Lactobacillus)、 ストレプトコッカス(Streptococcus)、 クロ

ストリジウムコッコイデス(Clostridium coccoides)、 クロストリジ

ウムレプタム(Clostridium leptum)の 7 種の属、 また門レベル

解析として、 フィルミクテス(Firmicutes)門、 バクテロイデテス

(Bacteroidetes)門の 2 種の門について解析を行った。 解析対

象の属および門のコピー(cp)値は、 全菌種の cp 値で補正し

た。

統計解析

本研究での測定値は、 平均値±標準偏差で示した。 各群

の平均値は Tukey 多重比較検定により解析した。 標準食と

高脂肪食と食餌による比較については標準食摂取時(C 群と

CA 群)と高脂肪食摂取時(H 群と HA 群)の Day 0, 14, 28 の

コピー数変化率を Mann-Whitney's U test(両側検定)に

て解析した。 アスタキンチン添加の有無による比較はコピー

数変化率を Mann-Whitney's U test(片側検定)にて解析

した。 p < 0.05 を有意差ありとした。 統計解析には SPSS for

Windows Ver.15.0(SPSS Inc. Chicago、 IL、 USA)を用いた。

結果

体重推移および糞便の性状

体重推移を Fig. 1 に示す。 H 群は C 群と比較して、 体重

増加が顕著であった(p < 0.01、 p < 0.05)。 HA 群は CA 群

と比較して、 体重増加が顕著であった(p < 0.05)。 アスタキ

サンチン添加群(CA 群、 HA 群)と非添加群(C 群、 H 群)間

において有意差は認められなかった。

糞便の色調は C 群で濃緑色、 CA 群で赤茶色、 H 群で薄

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )3( )

Fig. 1. Comparison of changes in body weight over time C: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. **p<0.01, *p<0.05 vs. Group C, # p<0.05 vs. Group CA, Tukey’s multiple comparison test.

Fig. 2. Colors of fecal samplesFrom left: C: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group.

緑がかった灰色、 HA 群で赤色~橙色を呈していた(Fig. 2)。

Day 14 および Day 28 の糞便重量は C 群に比べ H 群で有意

に軽く、 CA 群に比べ HA 群において有意に軽かった(Fig. 3,

p < 0.001)。

リアルタイム PCR 法によるコピー数比較

DNA 量:

NanoDrop 法により糞便より抽出した DNA 量(Day 0,14,28 の

平均)は C 群 : 89.8 ± 21.5 ng/μL、 CA 群 : 102.7 ± 28.5

ng/μL、 H 群 : 70.2 ± 21.2 ng/μL、 HA 群 : 66.9 ± 28.4

ng/μL であった(Fig. 4)高脂肪食群(H 群+ HA 群)では標準

食群(C 群+ CA 群)に比べて DNA 量が低下する傾向を認め

た(p = 0.001)。

バクテロイデス属:

全菌種で補正されたバクテロイデス属コピー数は 0.003% 未

満と微量であった(Fig. 5)。 高脂肪食摂取により菌数は有意

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

Fig. 3. Comparison of fecal weightC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. ***p<0.001, Tukey’s multiple comparison test.

Fig. 4. DNA content determined using the NanoDrop methodC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. Unit of measurement: ng/mL. The DNA copy number change rates were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )5( )

に増加した(p = 0.006)。 H 群では Day 14 で有意に増加して

いた(Day 0 に対し p < 0.01、 C 群に対し p < 0.05)が一過性

で、 Day 28 には Day 0 レベルまで戻った。 HA 群ではこのよ

うな一過性増加はみられなかった。 食餌の差については、 高

脂肪食群では標準食群に比べ菌数増加率が高かった(p =

0.002)。 アスタキサンチン添加の有無については、添加群(CA

群、 HA 群)と非添加群(C 群、 H 群)間において有意差は認

められなかった。

ビフィズス菌:

全菌種で補正されたビフィズス菌コピー数は 0.000006% 未満

で極微量であった(Fig. 6)。 それぞれの群にて前後で有意差

は認められず、 群間有意差もなかった。 各個体での標準偏差

が大きかったため、 参考値とした。

Fig. 5. Putative copy number (%) of bacteria of the genus Bacteroides relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates (dotted lines) were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

Fig. 6. Putative copy number (%) of bifidobacteria relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group).

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

プレボテラ属:

全菌種で補正されたプレボテラ属コピー数は 0.06% 未満で

微量であった(Fig. 7)。 高脂肪食により菌数は著明に低下した

(p < 0.001)。 食餌の差については、 標準食群では高脂肪食

群に比べ菌数増加率が高かった(p < 0.001)。 アスタキサン

チン添加の有無による差は認められなかった。

ストレプトコッカスグループ(乳酸菌):

全菌種で補正されたストレプトコッカスグループコピー数は

16% 未満であった(Fig. 8)。 標準食摂取時には菌数は顕著に

増加したが、 高脂肪食による菌数の変化は軽微であった(p =

0.028)。 高脂肪食群では標準食群に比べ菌数増加率が極め

て低値であった(p = 0.008)。 アスタキサンチンを添加した HA

群 Day 28 では標準食群(C 群および CA 群)のレベルまで回

復した。 脂肪食摂取時においてアスタキサンチン添加の有無

による群間有意差を認めた(p = 0.044)。

ラクトバチルスグループ(乳酸菌):

全菌種で補正されたラクトバチルスグループコピー数は 3%

未満であった(Fig. 9)。 高脂肪食により菌数は有意に増加した

(p = 0.004)。 標準食群(C 群および CA 群)も Day 14、 Day

28 と経過とともに菌数の増加傾向がみられた。 標準食と高脂

肪食との間で菌数増加率に有意差はなかった(p = 0.069)。

アスタキサンチン添加の有無による比較では、 添加により菌数

増加率が増すことが示された(p = 0.031)。

クロストリジウムコッコイデスグループ:

全菌種で補正されたクロストリジウムコッコイデスグループコ

ピー数は 1.4% 未満であった(Fig. 10)。 高脂肪食により菌数は

有意に増加した(p = 0.016)。 高脂肪食群では標準食群に比

べ菌数増加率が高かった(p = 0.012)。 アスタキサンチン添加

の有無による比較では、 高脂肪食摂取時において添加により

菌数増加率が低下することが示された(p = 0.029)。

クロストリジウムレプタムグループ:

全菌種で補正されたるクロストリジウムレプタムグループコ

ピー数は 1.6% 未満であった(Fig. 11)。 高脂肪食により菌数は

有意に増加した(p = 0.017)。 高脂肪食群では標準食群に比

べ菌数増加率が高かった(p = 0.002)。 HA 群 Day 14 で一過

性にコピー数増加(H 群に対し p < 0.001)がみられたが、 Day

28 には H 群と HA 群に差はみられなかった。 アスタキサンチ

ン添加の有無による比較では有意な差はなかった。

門レベル解析

門レベル解析におけるフィルミクテス(Firmicutes)門、 バク

テロイデテス(Bacteroidetes)門、 その他のコピー数の割合を

Fig. 12 に示す。

フィルミクテス門コピー数は Day 0 で全体の 20% 程度を占め

ていたが、 高脂肪食群では Day 14、 Day 28 ともに 40% まで

増加した(p < 0.001, Fig. 13)。 コピー数変化率は高脂肪食

群では標準食群に比べ有意に高かった(p < 0.001)。 アスタ

キサンチン添加の有無による比較では有意な差はなかった。

Fig. 7. Putative copy number (%) of bacteria of the genus Prevotella relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates (dotted lines) were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )7( )

Fig. 8. Putative copy number (%) of bacteria of the Streptococcus group (lactic acid bacteria) relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). The addition of astaxanthin during high-fat diet ingestion raised the bacterial count change rate (dotted lines) (p<0.05). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates (arrows) were compared using Mann-Whitney’s U test.

Fig. 9. Putative copy number (%) of bacteria of the Lactobacillus group (lactic acid bacteria) relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. Addition of astaxanthin raised the bacterial count change rate (arrows) (p<0.05). The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates were compared using Mann-Whitney’s U test.

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

Fig. 10. Putative copy number (%) of bacteria of the Clostridium coccoides group relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Ingestion of high-fat diet raised the bacterial count change rates (dotted lines), and addition of astaxanthin lowered the bacterial count change rate (arrows) (p<0.05). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

Fig. 11. Putative copy number (%) of bacteria of the Clostridium leptum group relative to total primer measure-ment for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test, and the bacterial count change rates (dotted lines) were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )9( )

Fig. 12. Phylum level analysisShown are the ratios of the bacterial quantities of the phylum Firmicutes, the phylum Bacteroidetes, and other phyla relative to the total primer measurement for all test bacteria. C: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group).

Fig. 13. Putative copy number (%) of bacteria of the phylum Firmicutes relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test (***, vs. Day 0), and the bacterial count change rates (#, dotted lines) were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

バクテロイデテス(Bacteroidetes)門コピー数は Day 0 で全体

の 45 ~ 50% 程度を占めていたが、 高脂肪食群では Day 14、

Day 28 ともに 20% 程度まで減少した(p < 0.001, Fig. 14)。 コ

ピー数変化率も高脂肪食群では標準食群に比べ有意に低

かった(p < 0.01)。 アスタキサンチン添加の有無による比較で

は有意な差はなかった。

Fig. 14. Putative copy number (%) of bacteria of the phylum Bacteroidetes relative to total primer measurement for all test bacteriaC: ordinary diet group, CA: ordinary diet plus astaxanthin group, H: high-fat diet group, HA: high-fat diet plus astaxanthin group (n=5 for each group). Mean±standard deviation. The groups were compared using Tukey’s multiple comparison test (***, vs. Day 0), and the bacterial count change rates (#, dotted lines) were compared by diet using Mann-Whitney’s U test.

考察

ヒト腸内には、 ヒト一人分の細胞数の約 10 倍にあたる 600

兆個の色々な細菌が生存し、 腸内細菌叢を構成している。 腸

内細菌叢は加齢のほかに、 食事、 運動、 飲酒、 喫煙などの

生活環境により変動し、 肥満、 肌荒れ、 アトピー、 アレルギー、

発癌などの健康状態に関与している。 健全な腸内細菌叢を保

つことは若くて健康な身体を保つために重要である。 特に近

年の脂肪摂取の増加は腸内細菌叢の変化をきたすことが報告

されている 5-8)。

これまで腸内細菌叢を改善する法としてプレバイオティクス、

プロバイオティクスの概念のもとオリゴ糖、 乳酸菌、 ビフィズス

菌などの摂取が推奨されてきた。 著者らは、 食餌性抗酸化物

質アスタキサンチンの作用について検討し、 酸化ストレスが強

い女性へのアスタキサンチン投与が抗酸化能増強、 血圧降下

作用、 更年期愁訴の改善を報告したが 1)、 アスタキサンチン

の腸管吸収率が 5% 未満であることから、 腸管細菌叢にもなん

らかの影響を及ぼす可能性が示唆された。

また、 これまで腸内細菌叢の解析には培養法が多く用いら

れてきたが、 近年は 16S rRNA 遺伝子領域を用いた分子生物

学的な手法である、 「リアルタイム PCR 法」、 「末端標識制限

酵素断片多型分析法(Terminal Restriction Fragment Length

Polymorphism; T-RFLP)」が発達し、 簡便に、 再現性の高い

解析が可能となった 2-4,9-11)。 このような背景のなか、 今回は

マウスに高脂肪食を与えた際の腸内細菌叢の変化と、 それに

対するアスタキサンチンの効果について「リアルタイム PCR 法」

を用いて検討した。

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )11( )

リアルタイム PCR について

腸管内には数多くの未知なる腸内細菌が複雑な細菌群集構

造をつくりあげて共生している 12,13)。 DNA シークエンサーの

進歩により複雑で多様性の大きい腸内細菌叢の研究が飛躍的

に進歩した。 リボソーム遺伝子は細菌の種を越えて保存されて

いる遺伝子の一つである。 腸内細菌由来リボソーム小サブユ

ニットの 16S リボソーム RNA 遺伝子を網羅的かつ定量的に解

析することにより、 複雑で多様性の大きい腸内細菌叢の実体

解明に迫ることが可能となった 14)。

原理は以下の通りである。 特異的プライマーを用いた PCR

検出方法では、 大便サンプルから細菌由来の DNA を直接抽

出し、 菌群 ・ 菌種特異的プライマーを用いて標的とする遺伝

子を選択的に増幅し、 目的とする菌を検出する方法である。

腸内細菌

・バクテロイデス属

Bacteroides fragilis などバクテロイデス属はグラム陰性の偏

性嫌気性非芽胞形成桿菌である 15)。 ヒトや動物の腸内に大量

に存在し、 糖を発酵して、 乳酸や酢酸などを産生する。 人間

の大便には 1g あたり 100 億から 1000 億個存在する。 基本的

には病気の原因とはならないが、 日和見感染症の原因となる

細菌のひとつである 16)。 一般臨床で広く使用される多くのペ

ニシリン系薬 , セフェム系薬に耐性を示すため、β - ラクタマー

ゼ阻害薬との合剤が推奨されている 17,18)。

・ラクトバチルス属(乳酸菌)

ラクトバチルス(Lactobacillus)属細菌はグラム陽性の桿菌で

ある。 種によって乳酸のみを産生(ホモ乳酸発酵)するものと、

乳酸以外のものを同時に産生(ヘテロ乳酸発酵)するものがあ

る 19,20)。 ヒトや動物の消化管にも多く生息しており、 その糞便

からも分離される。 ラクトバチルス属は発酵食品や動物消化

管など幅広い環境に生息している細菌群であり、 それらが持

つ有益な働きから、 乳酸菌の発酵食品や宿主の健康への影

響を研究する上で、 非常に重要な細菌群の一つである 21,22)。

現在、 ラクトバチルス属は 100 種以上の菌種で構成され、 多

岐にわたる 23)。

・ストレプトコッカス属(乳酸菌)

ストレプトコッカス(Streptococcus)属はレンサ球菌属と呼ば

れ、 グラム陽性球菌である真正細菌の総称である。 レンサ球

菌は、 直径 1µm 程度で、 個々の菌体が規則に直鎖状に並ん

だ配列をとる。 生化学的にカタラーゼを持たない点が、 他の

グラム陽性球菌と異なる 24,25)。 一般に呼吸によるエネルギー

産生は行わず、 主に乳酸発酵によってエネルギーを得ている。

腸管内では乳酸菌として作用するものが多い。

以前レンサ球菌属として分類されていたグループから腸球

菌(Enterococcus)が独立した科 (Enterococcaceae) として分類

された 26-28)。 フェカリス (E.faecalis) 、 フェシウム (E.faecium)

などがあり、 回腸、 盲腸、 大腸に生息している。 口腔内では

S. mutans が検出され、 Lactobacillus plantarum、 Micromonas

micros とともに歯髄炎の発症に関わる 29-31)。 象牙質う蝕の進

行に伴い、 歯髄がう蝕関連細菌による侵襲を受けることにより

歯髄炎が惹起される。 また肺炎球菌(S. pneumoniae)のように

連鎖状を示さない双球菌も含まれる。

・ビフィズス菌

ビフィズス菌とはグラム陽性の偏性嫌気性桿菌の一種で、 放

線菌綱 Bifidobacteriales 目 Bifidobacterium 属に属する細菌の

総称である。ヒトおよび動物の腸内に生息する。ヒト腸管には B.

bifidum、 B. breve、 B. infantis (B. longum subsp. infantis に再

分類 )、 B. longum、 B. adolescentis の 5 種が検出される。 糖

を分解して乳酸、 酢酸を生成し、 善玉菌として腸内の環境を

整える作用がある 32,33)。 近年では、 腸管内のビフィズス菌が

インフルエンザウイルス感染予防効果、 花粉症などアレルギー

症状の緩和作用の報告がある 34)。 母乳栄養児の糞便には特

に多く存在するが、 加齢や食事環境によって次第にその割合

が減ってくる 35-37)。

・プレボテラ属

プレボテラ(Prevotella)属は口腔内、 腸管内で検出される嫌

気性のグラム陰性桿菌である。 口腔の感染症の殆どは、 常在

菌やその他の病原性の弱い細菌による感染症であるが、 これ

ら弱毒菌感染症の特徴として日和見感染症を惹起することが

ある 38-40)。 プレボテラ属細菌は抜歯後の菌血症など口腔内感

染症 41-43)、 高齢者では誤嚥性肺炎の起炎菌の一つとなって

いる 44,45)。 ヒト嫌気性菌感染症の大部分は好気性菌と嫌気性

菌の混合感染であるが、 プレボテラ属細菌は起炎菌の一つで

ある 46)。 また、 舌苔からも検出され、 同菌が生成するイソ吉

草酸が揮発して不快臭を発し、 口臭の原因となる 47,48)。

・クロストリジウム属

クロストリジウムコッコイデスグループ

クロストリジウムレプタムグループ

クロストリジウム(Clostridium)属は真正細菌の一属で、 偏性

嫌気性で芽胞を形成するグラム陽性の桿菌である。 クロストリ

ジウム属の菌は、 土壌内部や生物の腸内などの酸素濃度が

低い環境に生息する偏性嫌気性菌であり、 酸素存在下では

増殖できない 49,50)。 一般に偏性嫌気性菌は、 抗酸化酵素で

あるスーパーオキシドディスムターゼやカタラーゼを持たないた

め、 酸素の存在下では不活化するが、 クロストリジウム属細菌

は酸素存在下で、 耐久性の高い芽胞を作って長期休眠する

性質がある。 このため他の偏性嫌気性菌が生き残れない状態

でも生存できる。

破傷風菌(C. tetani)、 ボツリヌス菌(C. botulinum)、 ウェル

シュ菌(C. perfringens)、 ガス壊疽菌群(C. novyi, C. septicum

など)、 クロストリジウム ・ ディフィシレ(C. difficile)などが知ら

れる。 腸管に生息するクロストリジウム(Clostridium)属のうち

優勢を占めるのはクロストリジウムコッコイデス(C. coccoides)、

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12

高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )

クロストリジウムレプタム(C. leptum)であるが、 ウェルシュ菌

(Clostridium perfringens)、 C. difficile も検出される 51)。 ウェ

ルシュ菌はヒトや動物の腸内に生息する常在菌の一種である

が、 一部の菌種は毒素を産生して、 食中毒の原因になる 52-

54)。 クロストリジウム ・ ディフィシレ(C. difficile)もヒトや動物の

腸内に生息し、 抗生物質抵抗性で、 抗生物質大量投与時に

菌交代症を起こし、 偽膜性大腸炎の原因になる 55,56)。 プロ

トンポンプ阻害薬 (PPI) 服用時など胃酸が減ると C. coccoides

が増加する 57)。 クロストリジウム属細菌が大腸の IL-10 産生

Treg 細胞を誘導し、 腸管炎症の制御に貢献している可能性

について報告されている 58)。

高脂肪食による腸内細菌叢の変化

高脂肪食を摂取すると腸管内胆汁酸排泄量が増え 59)、 腸

内細菌叢には様々な変化が起こる 60)。 腸内細菌叢の変化は

小腸よりも大腸において顕著である 61)。 高脂肪食により腸管

免疫力が低下を起こし、 粘膜バリア機能が低下、 腸内異常発

酵を起こす 62)。 その結果、 発癌リスクも増加する 63)。

高脂肪食による腸内細菌叢の変化について、 動物実験お

よびヒトでの成績が報告されている。 2 型糖尿病動物モデル

KK-Ay マウス盲腸中ではバクテロイデス属の菌数減少し、 ク

ロストリジウムコッコイデスが増加傾向を示す 7)。 高脂肪食誘

発性肥満モデルマウスでは盲腸および糞便中ビフィズス菌数

が減少する 6)。 ラットではバクテロイデス属、 プレボテラ属が

増加する 64)。 ヒトでは、 高脂肪食摂取が予想される肥満者

における腸内細菌叢の変化として、 バクテロイデス属の菌数

減少が報告されている 65)。 門レベルの解析でもフィルミクテス

(Firmicutes)門が増え、 バクテロイデテス(Bacteroidetes)門が

減ることが報告されている 66-68)。

本試験では、 門レベルの解析において既報 66-68) と同様の

成績を示した。 高脂肪食(H 群)によりバクテロイデス属、 クロ

ストリジウムコッコイデスグループ、 クロストリジウムレプタムグ

ループの細菌増加を認め、ストレプトコッカスグループ(乳酸菌)

が減少した。 バクテロイデス属菌数の変化の違いは、 ラットと

マウスの動物種の差、 あるいは検証方法の差による可能性が

考えられるが、 今回はその理由を明らかにしえなかった。 しか

し、 バクテロイデス属細菌が悪玉菌であることから、 本試験の

結果の方が理にかなっていると思われる。

今回の実験に用いたマウスは 5 ~ 9 週齢である。 マウスの

平均寿命は 100 週程度として、 ヒトに換算すれば 20 ~ 30 歳

に相当する。 今回の試験では若年マウスにおける高脂肪食が

腸内細菌叢に及ぼす構成変化を確認し、 それに対するアスタ

キサンの予防効果を確認したことに意義がある。

アスタキサンチンの腸内細菌叢への作用

本試験により、 アスタキサンチンの効果について、 以下の結

果が得られた。

第一に、 アスタキサンチンは高脂肪食によるバクテロイデス

属(グラム陰性細菌)の短期的な増加を抑制することが期待で

きる。 ラクトバチルス(乳酸菌)については、 アスタキサンチン

添加がラクトバチルス属菌数を増やしており、 興味深い。 同様

に、 高脂肪食摂取時にストレプトコッカス(乳酸菌)を増加させ

た。 以上より、 アスタキサンチン投与が腸内フローラを改善す

る(グラム陰性菌の暴走を抑制し、 乳酸菌群を増やす)可能性

が示唆された。 今後は、 16S rRNA 遺伝子による「次世代シー

ケンサーを用いたメタゲノム解析」を用いて、 他の菌種につい

ても網羅的解析が必要であろう。

今回の実験におけるアスタキサンチン投与法はゾンデ

feeding 法ではなく、 飼料に一定量(0.02% アスタキサンチン)を

混合する方法を選択した。 ゾンデ feeding 法では、 一定量の

アスタキサンチンを投与できるが、 上部消化管の傷害などマウ

スへのストレス負荷が大きく、 腸内細菌叢に影響をきたす可能

性が高い。 また個体差も大きくなる。 飼料混入法では、 アスタ

キサンチン摂取量は飼料摂取量に依存し、 一定ではないが、

マウスのストレスは少ない。

アスタキサンチンの摂取量は以下のように推定した。マウス(8

週間時平均体重 C 群 : 38 ~ 41g、 H 群 : 44 ~ 48g)の飼料

摂取量 C 群 : 約 3g/ 日、 H 群 : 約 5g/ 日として、 一匹あた

りの脂肪摂取量は C 群 : 0.2g/ 日、 H 群 : 1.1g/ 日、 蛋白摂

取量は C 群 : 0.9g/ 日、 H 群 : 0.7g/ 日、 アスタキサンチン

摂取量は CA 群 : 1.0mg/ 日、 HA 群 : 0.6mg/ 日である。 ア

スタキサンチン摂取量を、 ヒト(標準体重 60kg)で換算すると、

CA 群 : 1500mg、 HA 群 : 800mg/ 日となる。

アスタキサンチン摂取量は、CA 群と HA 群で群間差を認め、

HA 群において少なかった。 これは飼料に一定割合のアスタキ

サンチンを混入した今回の投与方法の限界であるが、 今回の

比較解析は、 CA 群と HA 群の比較ではなく、 主にアスタキサ

ンチン摂取の有無(C 群と CA 群、 H 群と HA 群の比較)に重

きを置いた。

実験的に投与されたアスタキサンチン量はヒトにおける使用

量 6 ~ 12mg/ 日に比べかなり多い。 従って、 本実験におけ

るアスタキサンチン投与量がそのままヒトに適応できるか否かに

ついては明らかではない。

アスタキサンチンの 95% は吸収されずに腸管内に残存する。

5% 未満が腸管より吸収され体循環に入り、 その一部は腸管に

達する。 アスタキサンチンの腸管や腸管免疫への作用につい

てはこれまでに報告はない。 従って、 大部分は腸管内のアス

タキサンチンが直接的に腸内細菌叢に作用すると考えられる。

 今回の研究ではアスタキサンチンが腸管内で高脂肪食に

よる腸内細菌叢の構成変化を防ぐ作用機序については明らか

にし得なかったが、 以下の可能性がある。 第一に、 アスタキ

サンチンがその抗酸化作用を発揮して腸内細菌叢に好影響を

及ぼしたと考えらえる。 高脂肪食摂取による腸内細菌叢の変

化、 特にグラム陰性桿菌の増加が酸化ストレスを増大させる。

アスタキサンチン摂取により腸内細菌叢が改善した結果、 腸管

における酸化ストレスが軽減されるか否か、 確認する必要が

ある。

第二に、 アスタキサンチンが腸内細菌により分解され、 低分

子物質を生成、 これにより高脂肪食摂取時の腸内細菌叢変化

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高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

( )13( )

が改善した可能性があげられる。 アスタキサンチンの腸管内に

おける代謝経路についても検証する必要がある。

第三に、 アスタキサンチンあるいはその代謝産物が腸管免

疫に影響を及ぼした可能性があげられる。 腸管の自然免疫に

関与する指標(例、 IgA、 デフェンシン)について検証する必

要がある。

腸管内におけるアスタキサンチンの作用機構についてはさら

なる検証が望まれる。

結語

腸管にはヒトそれぞれ特徴的な常在細菌が生息し、 腸内細

菌叢を構成する。 通常は、 腸内細菌叢と宿主との間、 および

菌叢を構成する菌種間には平衡関係が成立しているが、 何ら

かの原因でこの平衡関係が破れると、 菌交代や日和見感染を

惹き起こし、 その結果、 宿主の老化をはじめ、 栄養、 薬効、

生理機能、 免疫機構、 癌の発症に大きな影響を及ぼす。 今

回、 ラットに高脂肪食を負荷した際の腸内細菌叢の乱れに対

し、 アスタキサンチン投与が制御的に作用することが示された。

ヒトにおいても高脂肪食による腸内細菌叢の乱れに対し、 吸収

されずに腸管内に残ったアスタキサンチンが好影響をもたらす

可能性が示唆された。 今後はヒト腸管細菌叢についても検証

したい。

本研究の内容は第 13 回日本抗加齢医学会総会(2013 年 6

月横浜)にて発表した。

利益相反申告

本研究を遂行するにあたり利益相反に該当する事項はない。

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14

高脂肪食による腸内細菌叢の変化とアスタキサンチンの効果

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