MITの研究チームが、クローン病に関連する細菌を実験室で培養する方法を見出しました。
この細菌は培養が非常に難しいことで知られていますが、研究チームは結腸の内壁を再現した特殊な装置を開発しました。
研究チームは、この研究がクローン病の原因とその生物学的な誘因に関する科学的理解を深めることにつながることを期待しています。
クローン病に関連する細菌は実験室で培養するのが困難ですが、MITのエンジニアがその方法を見出しました。
ヒトの腸内には数千種類の細菌株が生息しています。そのうちのいくつかは病気と関連する一方、ほかの細菌はヒトの健康に有益な作用をもたらします。多くの細菌はヒト組織を用いた実験室での研究では培養できないため、それぞれの細菌が果たす正確な役割を解明することは困難です。
この困難は、酸素の豊富な環境では生存できない菌種において特に顕著です。しかし、MITの生物工学者と機械工学者は、結腸の内壁を再現した組織の中でこうした酸素に弱い細菌を培養できる特殊な装置を設計し、最長4日間生存させることを可能にしました。
「この極端な事例に使える道具を、研究コミュニティに提供することが非常に重要だと考えました」と、MITの生物工学科で教育イノベーション担当の工学部教授を務めるリンダ・グリフィス氏は述べています。「非常に扱いが難しい生物でも培養でき、それらがヒトの結腸に及ぼす影響を研究できることを示しました。」
このシステムを用いて、研究者らは「Faecalibacterium prausnitzii」と呼ばれる細菌株を培養できることを示しました。この細菌はヒトの腸内に生息し、炎症から保護する働きがあります。また、クローン病の患者では減少していることが多いこれらの細菌が、酪酸と呼ばれる脂肪酸を放出することを通じて、その保護作用の多くを発揮しているようであることも示しました。
グリフィス氏とMITの機械工学教授デイビッド・トランパー氏が本研究の上級著者であり、研究成果は本日、学術誌「Med」に掲載されています。MITのポスドク研究員であるジャンボ・チャン氏とユージャ・ファン氏が論文の筆頭著者です。
酸素感受性
ヒトの腸内にある複雑な細菌叢の環境を、マウスなどの動物を用いてモデル化することは困難です。その理由の一部は、マウスがヒトとは大きく異なる食事をとるためだと、グリフィス氏は述べています。
「マウスやほかの動物モデルからは非常に多くのことを学んできましたが、特に腸内細菌叢に関しては多くの違いがあります」と彼女は述べています。
ヒトの腸内に生息する細菌の大半は嫌気性菌で、生存に酸素を必要としません。これらの細菌の中には低濃度の酸素に耐えられるものもある一方、F. prausnitzii」のように、酸素にさらされると生存できない細菌もあり、そのため実験室での研究が困難になっています。低濃度の酸素に耐えられる細菌とともにヒトの結腸細胞を培養できる装置を設計した研究者もいますが、F. prausnitziiやそのほかの酸素に極めて弱い微生物にはうまく機能しません。
この課題を克服するため、MITの研究チームは、システムの各部分で酸素濃度を精密に制御できる装置を設計しました。この装置には、ヒトの結腸の粘膜バリア由来の細胞で被覆された流路があります。これらの細胞の下には栄養素が送り込まれ、細胞の生存を維持します。この底層は酸素が豊富ですが、粘膜細胞層の上部に向かうにつれて酸素濃度が低下します。これは、ヒトの結腸の内部で起こることと似ています。
ヒトの結腸と同様に、流路内のバリア細胞は緻密な粘液層を分泌します。MITの研究チームは、F. prausnitziiが、この粘液の外層で細胞の集団を形成し、そこで最長4日間生存できることを示しました。この環境は、そこを流れる液体によって酸素のない状態に保たれています。この液体には、微生物のための栄養素も含まれています。
このシステムを用いて、研究者らは、F. prausnitziiが炎症に関わる細胞経路に実際に影響を与えることを示しました。この細菌は、以前から炎症を抑制することが示されている短鎖脂肪酸である酪酸を産生することを確認しました。酪酸の濃度が上昇すると、粘膜細胞ではNF kappa Bと呼ばれる経路の活性が低下しました。この活性の低下により、炎症が鎮まります。
「全体として、この経路は低下しており、これはヒトで見られてきたことに非常に近いものです」とチャン氏は述べています。「細菌が哺乳類の細胞を感作させにくくし、外部環境の危険に過剰反応しないようにしているようです。そのため、細菌によって炎症状態が鎮められているのです。」
クローン病の患者では、F. prausnitziiのレベルが低下していることが多く、そうした細菌の欠如が、これらの患者に見られる過剰な炎症の一因になっていると仮説が立てられています。
研究者らは、細菌を含まないシステムに酪酸を加えましたが、細菌が存在する場合に見られたすべての効果は生じませんでした。このことから、細菌の効果の一部は別の機構を通じて発揮されている可能性が示唆され、研究者らはこれについてさらに調査したいと考えています。
微生物と病気
研究者らはまた、このシステムを用いて、クローン病に関与すると考えられているほかの細菌種を加えた場合に何が起こるかを研究する計画です。各菌種の効果をさらに詳しく探ることを目的としています。
さらに、マサチューセッツ総合病院の小児消化器・栄養科の部門長であるアレッシオ・ファサーノ氏と協力し、セリアック病やほかの消化管疾患の患者から粘膜組織を培養する研究も計画しています。この組織は、異なる遺伝的背景を持つ細胞における微生物誘発性の炎症を研究するために用いられる可能性があります。
「微生物と炎症が宿主の遺伝的背景とどのように関わっているかを示す新しいデータを得たいと考えています。それによって、ほかの人々よりも微生物によって粘膜バリアが多少妨げられやすい遺伝的素因を持つ人がいるかどうかを確かめたいと思っています」とグリフィス氏は述べています。
彼女はまた、この装置を用いて、子宮頸部や子宮内膜など、女性の生殖管の粘膜バリアを含むほかの種類の粘膜バリアも研究したいと考えています。
本研究は、米国国立衛生研究所、ベーリンガーインゲルハイムSHINEプログラム、および国立環境衛生科学研究所の支援を受けて実施されました。
