大腸炎感受性に対する食物繊維の影響を規定する微生物相の個体差

2024年1月11日 16:54

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出版：2024年1月5日
大腸炎感受性に対する食物繊維の影響を規定する微生物相の個体差

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01724-6

Erica Bonazzi, Alexis Bretin, ...Benoit Chassaing 著者一覧を見る
マイクロバイオーム12巻、記事番号：5（2024）この記事を引用する

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指標詳細

要旨
背景
腸内細菌叢がIBD発症の中心であるという観察から、細菌叢の主要な栄養源である食物繊維がこれらの疾患において中心的な役割を果たす可能性が示唆される。従って、特定の水溶性食物繊維を豊富に含む食事は、微生物叢をリモデリングし、大腸炎感受性を調節する。ヒトでは、最近の研究で、選択されたIBD患者の微生物叢が、食物繊維曝露時に経験する影響に影響を及ぼす可能性が示唆されている。我々は、精製された水溶性食物繊維であるイヌリンとサイリウムに対する反応性において、個々の微生物叢がどの程度異なるかを明らかにすることを目的とした。さらに、このような差異が大腸炎になりやすさにどの程度影響するかも調べた。

結果
食物繊維イヌリンとサイリウムに対する微生物叢の反応性には個体間差が大きいことが観察された。一部のドナーの微生物叢は、食物繊維による組成、炎症誘発性、およびメタボロームプロファイルの顕著な変調を示したが、他のドナーの微生物叢はほとんど影響を受けなかった。食物繊維感受性微生物群を移植されたマウスは、水溶性食物繊維の摂取によって高度に調節された大腸炎を示したが、食物繊維耐性微生物群を移植されたマウスは、食物繊維への曝露とは無関係に大腸炎の重症度を示した。

結論
特定の水溶性食物繊維が大腸炎になりやすさをどの程度変化させるかは、個体の微生物叢の構成に大きく影響される。特定の食物繊維に対する個々の微生物叢の反応性をさらに調べることで、IBD患者と健常人の両方において、食物繊維に基づく個別化介入への道が開ける可能性がある。

ビデオ要約

はじめに
食物繊維は、腸および代謝の健康に有益な影響を与え、ヒトの最適な食生活の中心的な構成要素であることがますます認識されるようになっている [1]。食物繊維はその大部分が植物の細胞壁から構成されており、粘性や溶解性などの物理化学的特性に影響を与える様々な分子構造を有している [2]。溶解性の高い食物繊維は、腸内微生物によって容易に発酵され、短鎖脂肪酸（SCFA）を供給し [2]、動物モデルおよびヒトの臨床研究の両方において、メタボリックシンドロームを予防する水溶性食物繊維の能力に寄与している [3]。一方、炎症性腸疾患（IBD）に対する食物繊維の影響については、あまり明らかではない。疫学研究では、食物繊維が豊富な食事の摂取は、多くの交絡因子が関与している可能性はあるものの、IBDの発症率の低下と関連していることが示唆されている [4] 。しかし、IBD患者は、いったん病気が発症すると、発酵性食物繊維が豊富な食品に対して不耐性を示すという報告もあり、また、IBD患者の中には、食物繊維が病気の再燃を引き起こすのではないかと疑っている人もいる [5, 6]。動物実験でも同様の複雑さが見られる。例えば、食物繊維が自然に豊富に含まれる餌ではなく、低繊維質の餌をマウスに与えると、DSS誘発性大腸炎が重症化しやすくなるが、このような低繊維質の餌に水溶性の高い食物繊維であるイヌリンを濃縮すると、このような大腸炎がさらに悪化する。対照的に、中水溶性食物繊維サイリウムでこのような食餌を強化すると、DSS誘発大腸炎モデルおよびT細胞移入大腸炎モデルにおいて強力な保護が得られる [7, 8]。このように、食物繊維の影響は食物繊維ごと、また状況ごとに異なる可能性が高い。

Armstrong氏らによる最近の臨床研究では、食物繊維の影響は個人の微生物叢の構成に大きく影響される可能性が示唆されている。具体的には、特異的な発酵微生物活性を欠くIBD患者のサブセットにおいて、イヌリンの異常発酵がNLRP3およびTLR2経路の活性化を介して炎症反応を引き起こす可能性があることを発見した [6]。したがって、精製された水溶性食物繊維であるイヌリンとサイリウムが、大腸炎感受性に有害または有益な影響を及ぼす程度は、微生物叢の不均一性の結果として、個人間で大きく異なるという仮説を立てた。われわれは、微生物叢の組成と機能的測定値を評価できるin vitro微生物叢モデリングシステムを用いて、この仮説を検証した。その結果、イヌリンやサイリウムへの曝露によって微生物叢がどの程度変化するかについては、高いレベルの個人差が観察された。このような反応は、これらの微生物叢を移植したマウスにおいて、選択的な食物繊維の摂取によって大腸炎の重症度がどの程度変化するかを予測した。これらの結果は、水溶性食物繊維の有益／有害の程度は、微生物叢に大きく依存し、個体特異的であるという新たな仮説を支持するものである。

結果
生体外におけるヒト腸内細菌叢の組成に対する食物繊維の影響は、ドナー特異的である。
我々は、精製水溶性食物繊維であるイヌリンとサイリウムが、大腸炎感受性に有害あるいは有益な影響を及ぼす程度は、微生物叢の不均一性の結果として、個人間で非常にばらつきが大きいという仮説を立てた。われわれは、in vitro微生物叢モデリングシステムMiniBioReactor Array（MBRA）を用いてこの仮説を検討した。MBRAチャンバーにBRM培地（表S2）を満たした後、6人の健常人ドナーの糞便微生物叢を接種し、既報[9]のように3日間安定化させた（図S1B）。平衡化されたMBRA微生物叢を収集し、16S rRNA遺伝子配列決定により組成を分析したところ、このシステムは非常に再現性の高い方法で個体化された微生物叢を捕捉することが示された（図S2A）。分類学的解析により、この考え方がさらに確認され、同じドナーから接種されたチャンバー間の差異は、他の被験者／ドナー由来のものよりはるかに小さいというように、クラスレベルでの差異が観察された（図S2BおよびS2C）。

安定化期の後、MBRAの微生物叢に水溶性食物繊維のイヌリンまたはサイリウム（0.02% w/v）、あるいは対照として不溶性食物繊維のセルロース（0.02% w/v）を投与した（図S1B）。まず、普遍的な16Sプライマーを用いたqPCRを用いて、微生物叢密度に対する水溶性食物繊維曝露の影響（すなわち、体積が一定であるため総細菌負荷量）を測定した。得られたデータは、イヌリン（図1A）またはサイリウム（図1B）の影響として表示され、セルロース処理した微生物叢は処理段階を通して参照として使用された。その結果、微生物叢密度は、選択されたドナーの水溶性食物繊維（#2、P値0.005；#3、P値0.027）によってわずかな影響しか受けなかった（図1A、B）。対照的に、16S rRNA遺伝子配列決定による微生物叢組成の評価では、イヌリンとサイリウムの両方に対する反応において、ドナー間で差があることが明らかになった（図1C-F）。特に、加重Bray-Curtis距離測定法を用いると、ドナー2、4、6の微生物叢は、セルロース処理した対照微生物叢と比較して、イヌリンまたはサイリウムに曝露した際に、組成が大きく変化する（#2、P値<0.0001；#4、P値<0.0001；#6、P値<0.0001）ことが観察された（図1C、D）。重み付けなしのUniFrac分析では、イヌリンとサイリウムが誘発した組成の変化は、ドナー3および6（#3および#6、P値<0.0001）のみであり、イヌリンとサイリウムが他のドナーの微生物叢組成に与える影響は、比較的豊富なメンバーの調節を通じて起こることが示唆された（図1E、F）。微生物叢のアルファ多様性の分析から、イヌリンとサイリウムは微生物叢の豊かさと均等性にわずかな影響を及ぼし、それは特定のドナーにおいてのみであった（#2、P値<0.0001；#6、サイリウムのP値<0.0001）。微生物叢の乱れの陽性対照として用いた抗生物質処理した微生物叢は、使用した濃度では、イヌリンとサイリウムが微生物叢組成にわずかな影響しか与えなかったことをさらに強調した（図1G、Hおよびデータは示さず）。

図1
図1
繊維が誘発する微生物叢組成の変化における個人間変動。in vitro微生物叢MBRAシステムに6人の健常ドナーの糞便スラリーを接種し、72時間安定化させた後、セルロース、イヌリン、またはサイリウムを用いた繊維処理を行った。A, B 細菌DNAを抽出し、16S rRNA qPCRベースの細菌密度を定量した。各ドナーについて、細菌負荷はセルロース処理チャンバーと比較したイヌリン処理（A）またはサイリウム処理（B）チャンバーの相対値として表した。抽出したDNAをイルミナベースの16S rRNA遺伝子配列決定に供し、Bray-Curtis（C、D）またはUnweighted Unifrac（E、F）の距離行列を用いて、QIIME2パイプラインによりC-F β多様性の進化を計算した。各ドナーについて、セルロース処理チャンバーと比較したイヌリン処理（C、E）またはサイリウム処理（D、F）チャンバーの相対値で表される距離を用いて、微生物叢組成の進化を表した。G, H QIIME2パイプラインでEvenness指標を用いて計算したアルファ多様性の進化。各ドナーについて、セルロース処理チャンバーと比較したイヌリン処理（G）またはサイリウム処理（H）チャンバーの相対値として表されるEvenness指数を用いて、微生物叢の豊かさの進化を表す。ドナー1およびドナー2は、その後糞便微生物移植に使用されたため、MBRAシステムの使用に関連するすべてのデータにおいて太字で表されている。データは平均値±S.E.M.（N = 3）。有意性は、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、Bonferroni検定による多重比較で補正した2元群ANOVAを用いて決定した（#はp < 0.05を示す）。の記号の色は、統計的に有意となったドナーの色に対応する。

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食物繊維による腸内細菌叢の炎症誘発能の調節はドナー特異性が高い
次に、MBRA微生物叢の機能的側面に対する水溶性食物繊維の影響を調べた。具体的には、精製イヌリンとサイリウムが微生物叢の炎症誘発能に及ぼす影響を、TLR4およびTLR5レポーター細胞を用いて評価し、それぞれリポ多糖（LPS）とフラジェリンの生理活性レベルの定量を可能にした。これらの微生物叢由来MAMPs（微生物関連分子パターン）は、自然免疫活性化の主な微生物叢由来源であると考えられており [10]、そのレベルは、慢性腸炎を持続させる自然免疫シグナル伝達を活性化する特定の微生物叢の能力と相関することが以前に報告されている [11,12,13]。安定化後、LPSとフラジェリンのMBRAレベルは、個々のドナーの間で有意に異なることが観察され、MBRAシステムが機能的な個人差を捉えるのに適していることが支持された（図2A, B）。さらに重要なことは、LPSとフラジェリンのMBRA微生物叢発現が繊維暴露によって調節される程度は、非常に個人差があったことである（図2C-F）。より具体的には、ドナー2および4の微生物叢は、水溶性食物繊維イヌリンおよび／またはサイリウムによって高度に調節された生理活性レベルのリポ多糖およびフラジェリンを保有していた（#2、セルロースと比較してイヌリンとサイリウムの両方に暴露した場合、フラジェリンのP値<0.0001；#4、LPSのP値：0. イヌリンに暴露した場合のLPSはP値＜0.012、イヌリンとサイリウムの両方に暴露した場合のフラジェリンはP値＜0.0001）、一方、ドナー1と5の微生物叢は、繊維に依存しない安定したMAMPsレベルを有するようである（図2C-F）。ドナー6の微生物叢もまた、イヌリンを介したLPSおよびフラジェリン負荷の調節を有していた（#6、LPSについてはP値0.032、フラジェリンについてはP値0.0028）。もう一つの機能的読み出し、すなわちメタボローム解析により、一部のドナーの微生物叢は、水溶性食物繊維によって濃度が調節される様々な代謝産物を産生するが、他のドナーの微生物叢は、実験グループ間で全体的な代謝産物産生に影響がないことがわかった（図S3およびS4）。特に、ドナー2、3、4、および6からのPCoAプロットは、イヌリンまたはサイリウム暴露後の代謝産物産生における緩やかな差異を示し、P値はそれぞれP = 0.030、P = 0.006、P = 0.029、P = 0.010であった。一方、ドナー1および5の微生物叢は、イヌリンまたはサイリウム曝露が代謝産物産生に及ぼす有意な影響を示さなかった（図S3）。従って、これらの結果は、個体差のある微生物叢がイヌリンとサイリウム暴露に対して個々に感受性を持つことを示している。

図2
図2
繊維が誘発する微生物叢の炎症誘発能の調節における個人差。in vitro微生物叢MBRAシステムに6人の健常ドナーの糞便スラリーを接種し、72時間安定化させた後、セルロース、イヌリン、またはサイリウムを用いた繊維処理を行った。微生物叢由来の炎症性分子リポ多糖（A、C、D）およびフラジェリン（B、E、F）の発現は、それぞれTLR4またはTLR5を発現するHEKレポーター細胞を用いて定量した。A, B 安定化期間終了時（72時間時点）の微生物叢由来生理活性リポ多糖（A）およびフラジェリン（B）レベル。C-F 各ドナーについて、微生物叢由来の生理活性リポ多糖（C, D）およびフラジェリン（E, F）レベルの推移を、セルロース処理チャンバーと比較したイヌリン処理（C, E）またはサイリウム処理（D, F）チャンバーの相対値として表した。ドナー1およびドナー2は、その後糞便微生物移植に使用されたため、MBRAシステムの使用に関連するすべてのデータにおいて太字で表されている。データは平均値±S.E.M.（N = 3）。A,Bにおいて、有意差は一元配置分散分析にTukeyの多重比較検定を加えて判定し、有意差は以下のように示した： *p＜0.05、**p＜0.01、***p＜0.001。C-Fでは、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、Bonferroni検定で多重比較補正した2元群ANOVAを用いて有意性を決定した（#はp < 0.05を示す）。の色は、統計学的に有意となったドナーに対応する。

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多変量に基づく繊維感受性微生物叢と繊維抵抗性微生物叢の同定
次に、配列決定と機能的リードアウトの両方を考慮して、個人の微生物叢が食物繊維によって生体外で変化する全体的な程度を反映するアウトプットを生成する分析アプローチを開発しようとした。Bray-Curtis距離を用いた主座標分析を行い、組成的（β多様性、α多様性）および機能的（細菌負荷、リポ多糖、フラジェリン生理活性レベル）パラメータの組み合わせから算出した。このアプローチにより、全体として、水溶性食物繊維イヌリンとサイリウムに対する反応性の程度は非常に個人差があることが確認された。より具体的には、ドナー1、5、6は、治療に基づくクラスタリングを示さず、さらに、微生物叢の炎症潜在性のプロキシであるLPSとフラジェリンの種組成と生物活性レベルの組み合わせによって評価されるこれらの微生物叢に対するイヌリンとサイリウムの暴露の影響が最小であることを示した（図3A、B）。この考え方は、セルロース-セルロース、セルロース-イヌリン、セルロース-サイリウムの各サンプル間で、これらのドナーについて同様の距離が観察され、得られたBray-Curtis距離をプロットすることで確認された（図3C）。これとは対照的に、ドナー2および3からの微生物叢は、イヌリンおよびサイリウム処理により、セルロース処理対照チャンバーとは別に、処理に基づく強いクラスタリングを示した（図3A, B）。Bray-Curtis距離をプロットすると、セルロース処理群とイヌリンまたはサイリウム処理群を隔てる距離が、セルロース処理群内の試料を隔てる距離に比べて有意に増加し、この観察が確認された（図3C）。ドナー1と2サンプルのPCoAプロットでは、ドナー2では処理に基づく強いクラスタリングが確認されたが、ドナー1では可溶性食物繊維による障害に完全に耐性があるようであった（図3D）。図1および2に示されたデータとの整合性から、ドナー2に対するイヌリンの効果は、ほとんどが細菌負荷および組成の調節に関連し、一方、このドナーに対するサイリウムの効果は、ほとんどが微生物叢の炎症性潜在性、特にフラジェリン発現の調節に関連することが、ベクトル解析により明らかになった（図3D）。

図3
図3
食物繊維曝露に対する耐性微生物叢と感受性微生物叢の同定。繊維処理開始48時間後に測定された以下のMBRAベースのパラメータについて計算されたBray-Curtis距離の主座標分析（PCoA）が示されている：細菌負荷、β多様性（Bray-Curtis距離および非加重Unifrac距離）、α多様性（Evennenss距離）、リポ多糖およびフラジェリン生理活性レベル。A, Bでは、すべてのドナーが含まれ、ドットはドナー別（A）または処理別（B）に色分けされている。C セルロース-セルロース、セルロース-イヌリン、セルロース-サイリウムのBray-Curtis距離を表すヒストグラム。D 上記のパラメータで計算されたBray-Curtis距離の主座標分析（PCoA）。含まれる変数のベクトルを表す。データは平均値±S.E.M.である。有意性は一元配置分散分析にTukeyの多重比較検定を加えて決定し、有意差は以下のように示した： *p < 0.05, ****p < 0.0001

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繊維感受性の微生物群と繊維耐性の微生物群の比較
次に、ベースラインの微生物叢の特徴から、繊維に対する反応性がどの程度予測できるかを調べた。まずメタゲノム解析を行い、3人の耐性ドナーの組成を2人の感受性ドナーの組成と比較した。その結果、多重比較の補正後も有意な差異が3つ観察され、そのうちの1つはFaecalibacterium Prausnitziiで、IBD [14]に対する防御に関連し、食物繊維耐性微生物叢にのみ存在した（図S5A）。メタゲノミックデータをCAZymes（Carbohydrate-Active enZymes）比較にかけると、耐性微生物叢と比較して感受性微生物叢では多くのCAZymesの存在量が増加するなど、様々な違いが浮き彫りになった（図S5B）。このことは、感受性の状態が、食物繊維またはムチン由来の糖鎖を発酵させる特定の微生物叢の能力と関連している可能性を示唆している。さらに、メタゲノムに基づく解析から、よく知られた食物繊維発酵微生物が食物繊維感受性および食物繊維抵抗性ドナーの両方に存在することが興味深く明らかになった（図S5C）ことから、食物繊維発酵微生物叢メンバーの基礎的な違いは、水溶性食物繊維に対する感受性を駆動する主な要因ではない可能性が高いことが示唆された。

治療段階で収集されたMBRAサンプルのメタトランスクリプトーム解析は、ドナーの強いクラスタリングを明らかにし（図S5D）、微生物叢遺伝子発現の個人間変動を保持するMBRAシステムの適合性を示唆した。このようなメタトランスクリプトーム解析は、それにもかかわらず、感受性のあるドナー（ドナー2）と比較して、ある耐性ドナー（ドナー1）において、イヌリンおよび／またはサイリウムによって有意に影響を受ける様々な経路を明らかにした（図S5E）。したがって、これらの違いのいずれかが本当に微生物叢の食物繊維感受性の程度に関連するかどうかを見極めるには、さらなる研究が必要であるが、次に、ドナー1および2をそれぞれ食物繊維耐性および食物繊維感受性ドナーとして用いて、イヌリンおよびサイリウム感受性のMRBAに基づく評価のin vivoでの関連性を調べようとした。

食物繊維耐性ではなく食物繊維感受性の微生物叢を無胚芽マウスに移植すると、食物繊維が介在して大腸炎の重症度が調節される。
次に、無菌C57BL/6マウスにドナー1（繊維抵抗性）またはドナー2（繊維感受性）の糞便を移植した（図S6A）。1週間の微生物叢安定化期間の後、レシピエントマウスに、繊維源としてセルロース、イヌリン、サイリウムのいずれかを含む組成を規定した飼料を投与した。19日後、マウスは1週間の黄砂曝露を受けた。このようにして、腸炎症感受性のドナー依存性および食物繊維依存性の両モジュレーションを調べることができた（図S6B）。上記のin vivo実験を通して採取した糞便サンプルを用いて、糞便中のLPSおよびフラジェリンの生理活性レベルの定量化を通じて評価した、微生物叢の負荷、組成、および炎症誘発能に対する食物繊維曝露の縦断的影響を評価した。実験を通して糞便細菌密度に大きな影響は観察されなかったが（図S7A-D）、水溶性食物繊維の摂取は、Bray-Curtis距離分析によって明らかにされたように、微生物叢組成に強い影響を与えた（図S8A-D）。このアプローチにより、イヌリンまたはサイリウム強化食を摂取すると、ドナー1またはドナー2の微生物叢にコロニー形成されたマウスの微生物叢組成が強く変化することが実際に明らかになった（図S8A-D）。さらに、ドナー1またはドナー2の微生物叢にコロニー形成されたマウスでは、微生物叢組成が非常に類似した挙動を示すことが観察され、生体外での食物繊維反応性がこのβ多様性パラメータの影響と関連しないことが示唆された。しかし、α多様性に対する繊維の影響は実際にドナー依存的であり、ドナー1（繊維抵抗性）にコロニー形成され、いずれかのタイプの繊維で処理されたマウスでは、微生物叢の均等性の増加が観察された（図S8E-H）一方、ドナー2（繊維感受性）の微生物叢にコロニー形成されたマウスでは、DSS前段階においてこのパラメータが有意に減少した（図S8E-H）。これらの結果を踏まえて、次にDSS曝露前の19日目に微生物叢の分類学的解析を行った（図S9A、B）。このような分析で重要なことは、ドナー抵抗性微生物叢を移植したイヌリン給餌マウスでは、ビフィズス菌科の相対存在量が増加していることであった（イヌリン給餌マウスでは9.11％±1.77％であったのに対し、セルロース給餌マウスでは0.69％±0.29％、図S9A）。このファミリーに属する細菌は、SCFAの下流産生を伴うイヌリンの発酵能力で知られており[15]、ドナー感受性微生物叢を移植したマウスではほとんど認められず（1.02％±0.15％、図S9B）、このSCFA産生が繊維抵抗性の媒介に関与しうることが示唆された。最後に、微生物叢の炎症潜在性評価により、リポ多糖およびフラジェリンの生物活性レベルは、予想されたように水溶性食物繊維の摂取により調節されたが[16]、上記のMBRAに基づく観察とは異なり、明確なドナー効果は認められなかった（図S10）。したがって、このことは、MBRAシステムが、水溶性食物繊維曝露後の微生物叢の炎症性潜在的調節を描写するのに、より適していると思われることを示唆している。この観察結果は、このようなシステムが、宿主を介することなく、微生物叢と食物繊維との直接的な相互作用を評価し、与えられた食事因子に対する微生物叢の反応性を解き放つという事実に関連していると思われる。

次に、耐性あるいは感受性の微生物叢でコロニー形成されたレシピエントマウスの表現型的結果を調べた。健康の一般的な指標として体重を調べたところ、比較的短期間の間に摂取された微生物叢のドナー源や食物繊維の種類による違いは認められなかった（図S11）。しかしながら、イヌリンとサイリウムがDSS大腸炎の重症度を変化させる程度は、ドナー依存性が高く、MBRAで決定された個々の食物繊維感受性の評価と一致していた。実際、確立された指標、すなわち結腸の長さと病理組織学的スコアリングによる大腸炎の重症度評価（図4A-C）はいずれも、ドナー1（食物繊維耐性）の微生物叢でコロニー形成されたマウスは、どの食物繊維を摂取しても大腸炎の重症度が同程度であることを示していた。これとは対照的に、ドナー2の微生物叢をコロニー形成したマウス（食物繊維感受性）は、サイリウムを与えると大腸炎から保護され、イヌリンを与えると大腸炎を悪化させた。CD68＋細胞染色でも、ドナー2-コロニー化マウスでは繊維に依存した大腸炎の調節が明らかになり、イヌリンの有害な影響とサイリウム摂取による保護が認められた。一方、ドナー1-コロニー化マウスでは、水溶性繊維イヌリンやサイリウム摂取では調節されない大腸炎が発症した（図4D, E）。最後に、ヒトとマウスの両モデルにおける慢性腸炎の中心的なマーカー、すなわちTNF-αサイトカインを定量したところ、イヌリン強化食を摂取した食物繊維感受性ドナー（ドナー2）にコロニー形成されたマウスでは10倍以上の増加が認められたが、食物繊維抵抗性ドナー（ドナー1）にコロニー形成されたマウスではこのようなイヌリンによる効果は認められなかった（図4F）。これらの結果から、我々のMBRAスクリーニングパイプラインによって繊維感受性と同定された微生物叢は、イヌリンとサイリウムによる大腸炎を引き起こすのに十分であり、一方、繊維耐性と同定された微生物叢は、繊維による大腸炎を引き起こさないことが明らかになった。

図4
図4
糞便微生物移植は食物繊維感受性の状態を再現し、個々の大腸炎感受性を促進する。A-F到着後、無菌WTマウスは、ドナー1（繊維耐性）またはドナー2（繊維感受性）の糞便懸濁液による糞便微生物移植を受ける（ドナーあたりN＝15マウス）。7日間の微生物叢安定化後、マウスを3つの実験群に分け、セルロース（灰色）、イヌリン（紫色）、サイリウム（緑色）のいずれかを添加した飼料に25日間暴露した（各実験群N = 5匹）。19日目から6日間、デキストラン硫酸ナトリウムを飲料水に添加し（2.5% w/v）、腸炎を誘発した。A 安楽死後、結腸の長さを測定した。B, C 大腸切片をヘマトキシリン・エオジン染色し、炎症の組織学的スコアリングを行った（B）。代表的な画像をCに示す。D, E 大腸切片をCD68単球マーカーで染色し、1頭につき15個の陰窩を無作為に選んで、陰窩あたりのCD68＋細胞数を測定した（D）。代表的な画像をEに示す。F大腸mRNAを抽出し、q-RT-PCRを用いてTNF-α炎症性サイトカイン発現レベルを評価した。データは平均値±S.E.M.で、個々のデータ点を表す（N = 3）。有意性は一元配置分散分析にTukeyの多重比較検定を加えて決定し、有意差は以下のように記録した： *p < 0.05、***p < 0.001、***p < 0.0001

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考察
食物繊維の摂取は健康増進効果に広く関連しているが、その作用機序の根底にあるものは依然として不明である。腸内細菌叢が食物繊維の有益な効果を促進する中心的なアクターである可能性を示唆する証拠が増加している [16, 18]。水溶性食物繊維と不溶性食物繊維は、その構造と生化学的特性によって主に分類されるが、水溶性食物繊維の影響は、短鎖脂肪酸（SCFA）などの有益な代謝産物の産生を通じて腸内微生物によって媒介されると考えられている一方、不溶性食物繊維の影響は、嵩を増やし、腸管通過を調節する能力に主に関連している [2]。イヌリンやサイリウムなどの水溶性食物繊維の摂取は、大規模な疫学研究 [19,20,21] では健康と関連しているように見えるが、興味深いことに、マウスを用いた研究では、イヌリンの補給は大腸炎を悪化させる可能性がある一方で、サイリウムの補給はDSSおよびT細胞移入大腸炎モデルの両方で強力な保護をもたらすことが明らかになった [17] 。したがって、食物繊維が腸の健康に及ぼす影響は、化合物や状況に特異的である可能性が高く、食物繊維の豊富な食事の摂取はIBDの発症率の低下と相関することが疫学的研究で示唆されている一方で [4] 、病気が発症すると、一部のIBD患者は発酵性食物繊維の豊富な食品に対して不耐性を示し、病気の再燃を伴うことが多くの臨床研究で示唆されているという複雑な観察結果と完全に一致している [5, 6]。例えば、Armstrongらは最近、選択的発酵微生物活性を欠くと思われるIBD患者のサブセットにおいて、食事性β-フルクタンが炎症性サイトカイン反応を誘導することを報告した [6]。

ここで紹介する我々の研究は、水溶性食物繊維であるイヌリンとサイリウムが健常人の個々の腸内細菌叢に及ぼす極めて不均一な影響をよりよく理解することを目的とした。この目的のために、我々はハイスループットin vitroヒト微生物叢モデリングシステム（MBRA）を使用し、一部の微生物叢のみが水溶性食物繊維イヌリンとサイリウムの補給によって影響を受け、他の微生物叢は食物繊維を介した調節に対して完全に抵抗性であることを明らかにした。さらに、食物繊維に感受性のある微生物叢を無菌マウスに移植すると、水溶性食物繊維を介した腸炎症の調節に十分であることが観察された。一方、食物繊維に抵抗性のある微生物叢をコロニー形成したマウスでは、食物繊維の含有量にかかわらず大腸炎の重症度が認められた。より具体的には、食物繊維に敏感な微生物叢を移植したマウスでは、DSS誘発大腸炎はイヌリンの補給によって悪化したが、精製サイリウムを投与したこれらのレシピエントマウスでは腸の炎症からの保護が観察された。

食物繊維反応性に関連する分類学的あるいは機能的特徴を探索するために、メタゲノム解析によってドナーの微生物叢の詳細な特性解析を行った。このようなアプローチにより、すべての繊維耐性微生物叢にFaecalibacterium prausnitzii菌が存在する一方で、同定された繊維感受性微生物叢ではこの微生物叢のメンバーは検出されないなど、様々な違いが明らかになった。いくつかの研究で、術後再発のリスクが高いCD患者の大腸粘膜において、この細菌の存在量が減少していることが報告されており、化学的に誘発された大腸炎モデルにおいて、その抗炎症作用が報告されている [14, 22]。さらに、F. prausnitziiは、Roseburia属に属する種とともに、ヒト腸内で優勢な酪酸産生菌であると考えられている[23, 24]。メタゲノム解析の結果、食物繊維耐性微生物叢では、F. prausnitzi由来のCAzymes（炭水化物活性酵素）の存在量が著しく増加していることが確認された。これらの酵素は、食餌性糖鎖の発酵と下流での短鎖脂肪酸（SCFA）の生産に重要な役割を果たすことから、F. prausnitzii由来の水溶性食物繊維発酵が、特定の微生物叢の食物繊維感受性状態を媒介する役割を果たす可能性が示唆された。食物繊維に抵抗性の微生物叢ではF. prausnitzi由来のCAZ酵素の存在量が増加するのとは対照的に、これらの酵素を定量したところ、食物繊維に感受性の微生物叢では、Bacteroides thetaiotaomicron、Bacteroides ovatus、Ruminococcus gnavus、Roseburia intestinalisなど、他の微生物叢のメンバー由来のCAZ酵素の存在量も増加していた。従って、微生物叢由来のCAZymesアーセナルが繊維感受性の状態の媒介に関与しているのであれば、それは種依存的に起こることが示唆される。さらに、これらのCAZymesのいくつかは、食物糖鎖発酵以外にも、ムチン由来の糖鎖分解にも関与している [25]。特に、A. muciniphila、B. thetaiotaomicron、B. ovatusのような細菌はムチンを分解することができると文献に報告されており、このことは、特定の水溶性食物繊維に対する微生物叢の感受性の程度を決定するような形で、腸粘膜バリアの調節に関与しうることを示唆している。

結論として、我々の観察結果は、食物繊維の食事への添加は、摂取される特定の食物繊維だけでなく、個体の既存の微生物叢の構造と機能に基づいて決定される方法で、腸の健康を促進または低下させることができる "諸刃の剣 "であることを報告したマウスとヒトの先行研究と一致している。私たちの研究は、水溶性食物繊維が微生物叢の構成と機能に与える影響の程度はドナー依存性が高いという知見を支持するだけでなく、こうした微生物叢と食物繊維の相互作用が腸の炎症を調節する上で重要な役割を果たしていることを示唆している。このような微生物叢と食物繊維の相互作用の特異性を考慮すると、微生物叢の感受性と、そのような感受性が慢性腸炎を促進または悪化させる機序をより明確にするために、より大規模なコホートでより幅広い種類の水溶性食物繊維を用いたさらなる研究が正当化されるようである。したがって、本研究は、IBDを患う患者に対する食物繊維に基づく個別化介入の重要性をさらに強調するものである。より具体的には、食物繊維抵抗性の微生物叢を宿すIBD患者は、様々な水溶性食物繊維の摂取を控えるべきでない一方、食物繊維感受性の微生物叢を有する患者は、疾患管理の中心的な役者として、食物繊維の摂取と食物繊維源を注意深く考慮すべきであるという可能性が示唆された。水溶性食物繊維が特定の腸内細菌叢と相互作用するメカニズムをより深く理解することは、IBD患者と健常人の両方において、食物繊維と微生物叢に基づく個別化介入を開発する道を開くために必要であると思われる。

材料と方法
ミニバイオリアクターアレイ（MBRAs）実験
糞便サンプルの収集
健康なボランティア6名から糞便サンプルを提供してもらい、無菌容器に採取して密封し、排便後10分以内に嫌気チャンバーに移した。ここで糞便サンプルを手作業でホモジナイズし、滅菌50mLチューブに分注した後、使用するまで-80℃で保存した。研究プロトコールは、GSU IRB委員会により承認番号H19174で承認された。サンプル提供者は、提供前にインフォームド・コンセントを行った。

MBRAのセットアップ、実験計画、およびサンプル採取のタイムポイント
MBRAシステムは既報[26]のように準備し、嫌気チャンバーに収容した。システムは、図 S1A [26]に示すように、15 mL のバイオリアクター培地（BRM）を満たした 24 個のチャンバーで構成されている。チャンバーは、低流量が可能な2台の24 チャンネルペリスタポンプ（24 チャンネル駆動の205S ペリスタポンプ、Watson-Marlow社製）に接続され、培地を常に均質化するためにマグネットスタンドに保持された。オートクレーブ滅菌後、MBRAチャンバー、チューブ、BRM培地[26]を嫌気チャンバーに少なくとも72時間入れた。接種のため、糞便サンプルは嫌気チャンバー内で嫌気リン酸緩衝生理食塩水（D PBS）（Gibco-Life Technologies）に10% w/vで再懸濁し、5分間ボルテックスした後、20℃で800 rpm、5分間遠心した。上清を嫌気槽に回収し、100μmのフィルターでろ過して粒子を除去した。糞便スラリーの接種量は、チャンバーあたり3.8 mLとした[26]。接種後、1.875 mL/h（保持時間8時間）でフローを開始する前に、糞便微生物群集を16時間平衡化させた。図S1Bに示すように、0時間の時点が糞便スラリーの接種に相当し、72時間の時点が繊維処理（セルロース、イヌリン、サイリウムのいずれか）の開始に相当し、240時間の時点まで続いた。0 hから開始し、各時点で400 µLのサンプルを採取し（図S1B）、採取したサンプルは分析まで-80 °Cで保存した。

食物繊維による処理：セルロース、イヌリン、サイリウム
セルロース（コントロール）、イヌリン、またはサイリウムで処理したチャンバーを含む3つの独立した実験を、各実験で、6人のドナーの研究それぞれについて3連で行い、その結果、1人のドナーにつき合計9つの独立したMBRAチャンバーが得られた。セルロース Solka-Floc® は Solvaira Specialties から購入した。イヌリンはSigma Aldrichから、サイリウムはJ. Rettenmaier & Söhne (https://www.jrs.eu/jrs_en/life-science/food/products/dietary-fibers/)から購入した。オートクレーブ処理前のBRM培地に、異なる繊維を0.02%の濃度で添加した。処理液を入れたボトルをシステムに接続し、72時間から240時間までチャンバーに供給した。処理段階（0～72時間）の前に、図S1Bに示すように、通常のBRM培地をシステムに接続した。実験期間中、BRMを入れたボトルは、常に攪拌するためにマグネットスタンドの上に置いた。

無菌マウスへの糞便微生物叢移植、使用したげっ歯類飼料およびDSS誘発大腸炎
5週齢または6週齢の雄性C57BL/6無菌マウス（CNRS TAAM UAR44, Orléans, FRANCE）に、到着後、無菌条件下で、上記のドナーのうち2匹のヒト糞便サンプルをコロニー形成させた。簡単に説明すると、ドナー1および2の糞便サンプルを滅菌冷PBSで100 mg/mLに希釈し、マウス1匹あたり200 μLを経口投与した。図S5Aで報告されているように、2つの独立したParkbioアイソレーターを使用し、ドナーごとに1つずつ、合計3つのケージにそれぞれ5匹のマウスを入れた。マウスは、脂肪10％、セルロース50g、イヌリン150gを含む精製低脂肪食（Research diet #D190211101 、イヌリン食と呼ぶ、表S1）で1週間馴化させた。レシピエントマウスの消化管内でドナーの微生物叢を安定化させることを目的としたこの馴化期間の後、食餌を#D190211101（イヌリン食）にするか、脂肪10%とセルロース200gを含む#D13081109（Research Diets、セルロース食と呼ぶ、表S1）または脂肪10%とセルロース50gとサイリウム150gを含む#D19021103（Research Diets、サイリウム食と呼ぶ、表S1）に切り替えた。19日後、飲料水にDSS（2.5% w/v、MP Biomedicals、LCC）を添加し、全群で大腸炎を誘発した。図S6Bに示すように、体重は毎週モニターし、糞便サンプルは実験中さまざまな時点で採取した。DSS曝露6日後、マウスはイソフルラン麻酔下で頸椎脱臼により安楽死させた。大腸長、大腸重量、盲腸重量、および脾臓重量を測定し、分析のためにサンプルを採取した。

糞便中フラジェリンおよびリポ多糖負荷量の定量
ヒト胚性腎臓（HEK）-mTLR5細胞およびHEK-Blue-mTLR4細胞（Invivogen, San Diego, CA, USA）をそれぞれ用いて、糞便中の生理活性フラジェリンおよびリポ多糖（LPS）のレベルを既述のように定量した[13]。MBRAサンプル（遠心分離を行わない全懸濁液）を連続希釈し、哺乳動物細胞に適用した。糞便サンプルの場合、糞便を最終濃度100 mg/mLになるようにPBSに懸濁し、菌の破砕を避けるためにビーズを加えずにMini-Beadbeater-24を用いて10秒間ホモジナイズした。その後、サンプルを8000×gで2分間遠心し、得られた上清を連続希釈して哺乳動物細胞に適用した。精製した大腸菌フラジェリンとLPS（Sigma-Aldrich）を、それぞれHEK-Blue-mTLR5細胞とHEK-Blue-mTLR4細胞を用いた標準曲線測定に用いた。37℃で一晩培養後、細胞培養上清をQUANTI-Blue培地（Invivogen）にアプライし、30分後にアルカリホスファターゼ活性を620nmで測定した。

データの表示と統計解析
データは平均値±S.E.M.で表示し、有意性はシダックの多重比較検定（GraphPad Prism software, version 8.0）を用いた一元配置群間分散分析を用いて決定し、有意な差 *p 0.05と記した。既に報告されているように[9]、MBRAおよびin vivoに基づく実験の一部の表現について、以下の正規化を適用した：

対照群（セルロース処理）は各時点で1に正規化し、イヌリン処理群とサイリウム処理群はセルロース処理群と比較した相対値で表した。このような正規化により、セルロース処理群はベースラインとして値1で表される。
次に、繊維操作前の処理前変動を考慮するため、処理段階前の最後の時点（MBRAベースの実験では72時間、in vivoベースの実験ではD0）を、各実験グループごとに1に正規化した。このような正規化により、すべての実験グループは、治療段階前の最後の時点の値1から始まる。

データおよび材料の入手可能性
未処理のシーケンスデータは、European Nucleotide Archiveにアクセッション番号PRJEB64164で寄託されている。

略号
ASV：
アンプリコン配列バリアント

DSS：
デキストラン硫酸ナトリウム

FISH：
蛍光in situハイブリダイゼーション

FliC：
フラジェリン

IBD：炎症性腸疾患
炎症性腸疾患

LPS
リポ多糖

MBRA
ミニバイオリアクターアレイ

PCoA：
主座標分析

SCFA
短鎖脂肪酸

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章

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参考文献のダウンロード

謝辞
著者らはHist'IMおよびGenom'ICプラットフォーム（INSERM U1016、パリ、フランス）の協力に感謝する。本書で使用した無菌マウスを提供してくれたAxenic Unit CNRS TAAM UAR44（フランス、オルレアン）に感謝する。Emilie Viennois博士には、原稿の批評や有益な議論をいただいた。

資金提供
本研究は、欧州連合（EU）のHorizon 2020研究・革新プログラムの下、欧州研究会議（ERC）からのスターティンググラント（助成金契約No. ERC-2018-StG- 804135）、IdEx University de ParisのChaire d'Excellence（ANR-18-IDEX-0001）、Kenneth Rainin財団のInnovator Award、Fondation de l'avenirの賞（AP-RM-21-032）、ANRの助成金EMULBIONT（ANR-21-CE15-0042-01）およびDREAM（ANR-20-PAMR-0002）、INSERMの国家プログラム「Microbiote」の支援を受けている。エリカ・ボナッツィはパリ大学のPhD IDEXフェローシップの支援を受けている。研究計画、データ収集、分析、解釈、原稿執筆において、資金提供者は一切関与していない。

著者情報
著者および所属
INSERM U1016、チーム「慢性炎症性疾患における粘膜微生物叢」、CNRS UMR10 8104、パリ・シテ大学、パリ、フランス

エリカ・ボナッツィ＆ブノワ・シャサーン

バイオメディカル・サイエンス研究所、炎症・免疫・感染センター、消化器疾患研究グループ、ジョージア州立大学、アトランタ、ジョージア州、アメリカ

アレクシス・ブレティン、アンドリュー・T・ゲヴィルツ

INSERM U1016、「生命の頑健性と進化可能性」チーム、CNRS UMR10 8104、パリ・シテ大学、フランス、パリ

ルシル・ヴィゲ＆アンドリュー・D・パターソン

ペンシルバニア州立大学獣医・生物医学部、分子毒性学・発がんセンター、ユニバーシティ・パーク、ペンシルバニア州、米国

フーファ・ハオ

貢献
構想および設計：方法論の開発：方法論の開発：EB、LV、FH、BC；データの取得：データの取得：EB, FH; データの解析と解釈：EB, AB, LV, FH, ADP, BC：データの解析と解釈：EB, AB, LV, FH, ADP, ATG, BC; 原稿の執筆、査読、および/または修正：原稿執筆、校閲および修正：EB、AB、LV、FH、ADP、ATG、BC。すべての著者が最終原稿を読み、承認した。

責任著者
Benoit Chassaing宛。

倫理宣言
倫理承認と参加同意
動物を使用するすべての手順は、フランス高等教育・研究・技術革新省（APAFIS#247882019102806256593 v8）の承認を得た。

出版に関する同意
該当なし。

競合利益
著者らは、競合する利害関係がないことを宣言する。

追加情報
出版社ノート
シュプリンガー・ネイチャーは、出版された地図の管轄権の主張および所属機関に関して中立を保つ。

補足情報
追加ファイル1：
表S1. 本研究で使用した3種類の精製飼料の組成。使用した飼料は10 kcal %の脂肪で構成され、1 kgあたり200 gのセルロース（セルロース飼料）、1 kgあたり50 gのセルロース+1 kgあたり150 gのイヌリン（イヌリン飼料）、および1 kgあたり50 gのセルロース+1 kgあたり150 gのサイリウム（サイリウム飼料）を添加した。表S2. in vitro MBRA システムで使用した BRM 培地の組成。図 S1. MBRA システムの説明と使用した実験計画の概略。(A）嫌気チャンバー内に設置し、ヒト微生物叢を接種したMBRAシステムの概要。(B）使用したタイムライン、採取したサンプル、実施した分析の概略図。図S2. 微生物叢組成の個人間変動を再現するMBRAシステムの有効性。(A)本試験で使用した6人の健常人ドナーを接種したチャンバーから72時間の時点で採取したMBRA生成サンプルからDNAを抽出した。イルミナベースの16S rRNA遺伝子配列決定により微生物叢組成を分析した。Bray Curtisマトリックスの主座標分析（PCoA）はQIIME2パイプラインで計算した。ドットはドナーごとに色分けされている（N=9）。有意性はノンパラメトリック多変量分散分析（Permanova）を用いて決定した。(B)本試験で使用した6人のヒト健常ドナーを接種したin vitro微生物叢MBRAシステムから72時間の時点で採取したサンプルのクラスレベルでの分類学的組成。(C)本試験で使用した6人のヒト健常人ドナーを接種したin vitro微生物叢MBRAシステムから72時間の時点で採取したサンプルの属レベルでの分類学的組成。図S3. 繊維誘発性メタボローム変化における個人間変動。試験管内微生物叢MBRAシステムに6人の健常人ドナーの糞便スラリーを接種し、72時間安定化させた後、セルロース、イヌリン、またはサイリウムを用いた繊維処理を行った。処理段階（144時間）に採取したMBRAサンプルをメタボローム解析に使用した。繊維処理開始72時間後に採取したサンプルで実施したメタボローム解析で計算したBray Curtis距離の主座標分析を示す。Aではすべてのドナーが含まれ、ドットはドナーごとに色分けされている。B-Gでは、個々のドナーが6人ごとに表されており、ドットは治療ごとに色分けされている（N=3）。有意性はノンパラメトリック多変量分散分析（Permanova）を用いて決定した。図S4. 繊維誘発性微生物叢メタボローム変化における個人間変動。in vitro微生物叢MBRAシステムに6人の健常ドナーの糞便スラリーを接種し、72時間安定させた後、セルロース、イヌリン、サイリウムを用いて繊維処理を行った。繊維処理開始から72時間後に採取したサンプルについて、19種類の代謝物をHPLCで定量した。データは平均値+/- S.E.M.で、個々のデータ点を表す（N=3）。有意性は一元配置分散分析にTukeyの多重比較検定を加えて決定し、有意差は以下のように記録した： *p<0.05、***p<0.01、***p<0.001、**p<0.0001。図S5. 繊維感受性状態に基づくメタゲノムおよびメタトランスクリプトームにおける個体間変動。(A-C）ドナーの糞便サンプルをショットガンシーケンスによるメタゲノム解析に用いた。得られた品質フィルター付きリードは、MetaPhlAn 2.0によって分類学的カテゴリーに、HUMAnN3によって機能的カテゴリーにグループ分けされた。(A)耐性ドナーと感受性ドナーの間で統計的に有意な差を示した分類学的特徴を示す。(B) 耐性ドナーと感受性ドナーとの間に統計的に有意な差があるCAZymesの特徴を示す。(C)本研究で使用した各ドナーについて、15種類のよく知られた繊維発酵菌の相対的存在量。値は百分率で表し、濃青色は比較的多く存在する細菌を示す。(D-E）試験管内微生物叢MBRAシステムに6人の健常ドナーの糞便スラリーを接種し、72時間安定化させた後、セルロース、イヌリン、サイリウムを用いた繊維処理を行った。処理段階（120時間～144時間）に採取したMBRAサンプルから全RNAを抽出し、ショットガンシーケンスによるメタトランスクリプトーム解析を行った。得られたリードは、HUMAnN3を介して機能的カテゴリーにグループ分けされた。(C）生成されたHUMAnN3テーブル上で計算されたBray Curtis距離の主座標分析（PCoA）。すべてのドナーが含まれ、ドットはドナー別（上段）または治療別（下段）に色分けされている。(D) 耐性ドナーと感受性ドナーの間で統計的に有意な差を示したHUMAnN3同定パスウェイを示す。図S6. マウス実験に使用した実験デザインの概略図。(A）到着後、無菌C57BL6/J WTマウスは、ドナー1（繊維耐性）またはドナー2（繊維感受性）の糞便懸濁液による糞便微生物移植を受ける（ドナーあたりN=15マウス）。1週間の微生物叢安定化後、マウスを3つの実験群に分け、セルロース（灰色）、イヌリン（紫色）、サイリウム（緑色）のいずれかの添加飼料に25日間暴露した（各実験群N=5匹）。19日目から6日間、デキストラン硫酸ナトリウムを飲料水に添加し（2.5% w/v）、腸炎を誘発した。(B)使用したタイムライン、採取したサンプル、実施した分析の概略図。図S7. 経時的な腸内細菌叢細菌負荷に対する繊維消費量の影響。マウスの糞便サンプルから細菌DNAを抽出し、細菌密度を推定するために16S rRNAについてqPCRを行った。各ドナーについて、細菌負荷量はセルロース処理チャンバーと比較した相対値で表した。パネルA-Bは、ドナー1（A）またはドナー2（B）の微生物叢を移植したマウスの全実験群を示す。パネルC-Dは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（C）またはサイリウム処理群（D）のみを示す。データは平均値+/- S.E.M.（N=5）。有意差は、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、ボンフェローニ検定による多重比較で補正した2元群ANOVAを用いて決定した。有意差は以下のように記録した： p<0.01およびp<0.0001。図S8. 繊維耐性および繊維感受性のドナーがコロニー形成したマウスにおいて、微生物叢組成は繊維処理によって異なる影響を受ける。マウスの糞便サンプルから細菌DNAを抽出し、イルミナベースの16S rRNA遺伝子配列決定にかけた。(A-D) Bray Curtis距離行列を用いてQIIME2パイプラインで計算したβ多様性の進化。各ドナーについて、微生物叢組成の進化は、セルロース処理マウス（1と定義）と比較した相対値で表される距離を用いて表される。パネルA-Bは、ドナー1（A）またはドナー2（B）の微生物叢を移植したマウスの全実験群を表す。パネルC-Dは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（C）またはサイリウム処理群（D）のみを示す。(E-H)Evenness（均等性）インデックスを用いてQIIME2パイプラインで計算したアルファ多様性の進化。各ドナーについて、微生物叢組成の進化は、セルロース処理マウス（1と定義）と比較した相対値で表される距離を用いて表される。パネルE-Fは、ドナー1（E）またはドナー2（F）のいずれかの微生物叢を移植したマウスの全実験群を表す。パネルG-Hは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（G）またはサイリウム処理群（H）のみを示す。データは平均値+/- S.E.M.（N=5）。有意性は、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、ボンフェローニ検定による多重比較で補正した2元群ANOVAを用いて決定した。統計的差異は以下のように記録した： *p<0.05、***p<0.01、***p<0.001、***p<0.0001。図S9. 19日目にマウスの糞便サンプルから細菌DNAを抽出し、イルミナベースの16S rRNA遺伝子配列決定にかけた。(A）ドナー1を移植し、セルロース、イヌリン、サイリウムのいずれかで処理したマウス（N=9）の糞便微生物叢のファミリーレベルでの分類学的組成。(B）ドナー2を移植し、セルロース、イヌリン、サイリウムのいずれかで処理したマウスの糞便微生物叢のファミリーレベルでの分類学的組成（N=9）。データは相対的存在量（％）で表される。最も豊富なファミリーを表し、「その他」は微生物群集の1％未満を占めるすべてのファミリーを指す。図S10. 繊維耐性および繊維感受性のドナーがコロニー形成したマウスにおいて、微生物叢の炎症誘発能は繊維処理によって異なる影響を受ける。炎症性分子リポ多糖（A-D）およびフラジェリン（E-H）の微生物叢由来の発現を、それぞれTLR4またはTLR5を発現するHEKレポーター細胞を用いて定量した。(A-D）。炎症性分子リポ多糖の微生物叢由来発現。各ドナーについて、糞便中のリポ多糖レベルの推移をセルロース処理マウスと比較した相対値で表し、1と定義した。パネルA-Bは、ドナー1（A）またはドナー2（B）の微生物叢を移植したマウスの全実験群を表す。パネルC-Dは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（C）またはサイリウム処理群（D）のみを示す。(E-H）炎症誘発分子フラジェリンの微生物叢由来発現。各ドナーについて、糞便フラジェリンレベルの推移をセルロース処理マウスと比較した相対値で表し、1と定義した。パネルE-Fは、ドナー1(E)またはドナー2(F)のいずれかの微生物叢を移植したマウスの全実験群を表す。パネルG-Hは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（G）またはサイリウム処理群（H）のみを示す。データは平均値+/- S.E.M.（N=5）。有意性は、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、ボンフェローニ検定による多重比較で補正した2元群ANOVAを用いて決定した（#はp<0.05を示す）。統計的差異は以下のように記録した： *p<0.05、***p<0.01、***p<0.001、***p<0.0001。図S11. 繊維誘発体重調節における個体間変動。(A-D)0日目（繊維処理開始）を100％としたときのパーセンテージで表した経時的な体重変化。各ドナーについて、経時的な体重変化はセルロース処理マウスと比較した相対値で表した。パネルA-Bは、ドナー1（A）またはドナー2（B）の微生物叢を移植したマウスの全実験群を表す。パネルC-Dは、いずれかのドナーを移植したマウスのイヌリン処理群（C）またはサイリウム処理群（D）のみを表す。パネルE-Hでも同様の表現が用いられたが、DSS治療期のみであった。データは平均値+/- S.E.M.（N=5）。有意性は、コントロール群（セルロース処理チャンバー）と比較して、Bonferroni検定による多重比較で補正した2元群ANOVAを用いて決定した。統計的差異は以下のように記録した： *p<0.05、**p<0.01、***p<0.001。

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Bonazzi,E.、Bretin,A.、Vigué,L.他。大腸炎感受性に対する食物繊維の影響を規定する個別化された微生物叢。Microbiome 12, 5 (2024). https://doi.org/10.1186/s40168-023-01724-6

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受理
2023年7月24日

受理
2023年11月17日

発行
2024年01月05日

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https://doi.org/10.1186/s40168-023-01724-6

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