抗生物質は現代医療に欠かせませんが、腸内の善玉菌に害を及ぼすことがあります。
MITの研究者は、改変した細菌を使ってこれを防ぐ方法を見つけました。
この細菌は、抗生物質が血流を循環する状態を保ちながら、腸内細菌を守ります。
抗生物質は命を救う薬ですが、ヒトの腸内に生息する有益な微生物にも害を及ぼすことがあります。抗生物質による治療後、一部の患者は炎症や、次のような日和見感染症を発症するリスクがあります。クロストリディオイデス・ディフィシル腸内微生物に対する抗生物質の無差別な使用は、薬剤耐性の拡大にもつながる可能性があります。
こうしたリスクを減らすため、MITの研究者はヒトの消化管にある常在菌叢を守る新たな方法を開発しました。人が食べても安全な細菌株を選び、βラクタム系と呼ばれる抗生物質の一群を分解する酵素を安全に産生するよう改変しました。この群には、アンピシリン、アモキシシリンなど、広く使われている薬が含まれます。
この「生きたバイオ治療薬」を抗生物質と併用すると、腸内細菌叢を保護しながら、血流中を循環する抗生物質の濃度を高く維持できることが、マウスを用いた研究で分かりました。
「この研究は、合成生物学を活用すれば、抗生物質の有害な影響を軽減する新たな種類の改変治療薬を生み出せることを示しています」と、MIT医工学・科学研究所（IMES）および生物工学科のテールメール医工学・科学教授で、新たな研究論文の上席著者であるジェームズ・コリンズ氏は述べています。
IMESおよびハーバード大学のウィス生物学的着想工学研究所の研究科学者、Andres Cubillos-Ruiz博士（2015年博士号取得）は、本日Nature Biomedical Engineeringに掲載される論文の筆頭著者です。ほかの著者には、MIT大学院生のMiguel Alcantar氏とPablo Cardenas氏、ウィス研究所のスタッフ研究科学者Nina Donghia氏、ブロード研究所の研究科学者Julian Avila-Pacheco氏が名を連ねています。
腸を守る
過去20年間の研究により、ヒトの腸内微生物は代謝だけでなく、免疫機能や神経系の働きにも重要な役割を果たすことが明らかになっています。
「生涯を通じて、腸内微生物は非常に多様な共同体を形成し、体内で重要な働きを担います」とCubillos-Ruiz氏は述べています。「問題は、薬や特定の食事などの介入によって腸内細菌叢の構成が変わり、ディスバイオーシスと呼ばれる状態が生じるときに起こります。微生物群の一部が消失し、ほかの微生物の代謝活動が高まります。この不均衡は、さまざまな健康上の問題につながる可能性があります。」
起こりうる重大な合併症の一つは、C. difficileへの感染です。この微生物は腸内に広く存在しますが、通常は害を及ぼしません。しかし、抗生物質がC. difficileと競合する菌株を殺すと、これらの細菌が増殖して下痢や大腸炎を引き起こすことがあります。C. difficileは米国で毎年約50万人に感染し、約1万5,000人の死因となっています。
医師は抗生物質を服用する人に、善玉菌を含むプロバイオティクスを処方することがあります。しかし、そうしたプロバイオティクスも通常は抗生物質の影響を受けやすく、腸内にある本来の細菌叢を完全に再現することはできません。
「一般的なプロバイオティクスは、常在微生物が持つ多様性には及びません」とCubillos-Ruiz氏は述べています。「生涯を通じて体内で育まれてきた常在微生物と同じ働きを担うことはできません。」
抗生物質から腸内細菌叢を守るため、研究者たちは改変細菌を使うことにしました。通常はチーズ製造に使われるラクトコッカス・ラクティスという細菌株を改変し、βラクタム系抗生物質を分解する酵素を届けられるようにしました。これらの薬は、米国で処方される抗生物質の約60％を占めています。
これらの細菌を経口投与すると、一時的に腸内に定着し、βラクタマーゼと呼ばれる酵素を分泌します。この酵素は、腸管に到達した抗生物質を分解します。抗生物質を経口投与した場合、薬は主に胃から血流に入るため、体内を高濃度で循環し続けることができます。この方法は、注射で投与され、やはり腸に到達する抗生物質との併用にも使える可能性があります。役目を終えた改変細菌は、消化管を通じて排出されます。
抗生物質を分解する改変細菌の使用には、特有の安全要件があります。βラクタマーゼ酵素は、それを保有する細胞に抗生物質耐性をもたらし、その遺伝子は細菌間で容易に広がる可能性があります。この問題に対処するため、研究者たちは合成生物学の手法を用いて、細菌が酵素を合成する仕組みを遺伝子コードの書き換えによって変更しました。βラクタマーゼの遺伝子を二つに分け、それぞれが酵素の断片をコードするようにしました。これらの遺伝子断片は別々のDNA上に位置するため、両方が別の細菌細胞へ移る可能性は非常に低くなります。
これらのβラクタマーゼ断片は細胞外へ放出され、そこで再結合して酵素の働きを回復します。βラクタマーゼは周囲の環境に自由に拡散できるため、その働きは腸内細菌群にとっての「公共財」となります。これにより、改変細胞が腸内の常在微生物より優位になるのを防ぎます。
「私たちのバイオ封じ込め戦略により、ほかの細菌への水平遺伝子伝播のリスクや、生きたバイオ治療薬が競争上の優位性を得るリスクなしに、抗生物質分解酵素を腸に届けられます」とCubillos-Ruiz氏は述べています。
微生物の多様性を維持する
研究者たちはこの方法を検証するため、アンピシリンを1回注射するごとに、改変細菌を2回経口投与しました。改変細菌は腸に到達し、βラクタマーゼの放出を始めました。改変細菌を投与されたマウスでは、血流中を循環するアンピシリンの量が、改変細菌を投与されなかったマウスと同程度に高いことが分かりました。
腸内では、改変細菌を投与されたマウスは、抗生物質のみを投与されたマウスに比べて、微生物の多様性をはるかに高い水準で維持しました。後者のマウスでは、アンピシリン投与後に微生物の多様性が大幅に低下しました。さらに、改変細菌を投与されたマウスでは、日和見感染によるC. difficile感染は一例も起きませんでした。一方、抗生物質のみを投与されたマウスはすべて、腸内でC. difficileが高い水準で確認されました。
「この方法が、血流中の抗生物質濃度を変えることなく、抗生物質の効果を保ちながら腸内細菌叢を守れることを、明確に示しています」とCubillos-Ruiz氏は述べています。
研究者たちはまた、抗生物質治療による進化的圧力を取り除くことで、治療後に腸内微生物が抗生物質耐性を獲得する可能性が大幅に低下することも見いだしました。一方、抗生物質のみを投与されたマウスで生き残った微生物には、抗生物質耐性に関わる遺伝子が多数見つかりました。これらの遺伝子は有害な細菌に伝わり、薬剤耐性の問題を悪化させる可能性があります。
研究者たちは現在、抗生物質による腸内細菌叢の乱れを原因とする急性疾患を発症するリスクが高い人を対象に、試験できる治療法の開発に着手する計画です。将来的には、腸以外の感染症のために抗生物質を服用する必要がある人を誰でも守るために、この治療法を使えるようになることを期待しています。
「抗生物質の作用が腸で必要ないのであれば、腸内細菌叢を守る必要があります。これは、X線検査を受けるときに鉛のエプロンを着け、電離放射線から体のほかの部分を守るのと似ています」とCubillos-Ruiz氏は述べています。「これまで、これほどの保護を提供できる介入法はありませんでした。新しい技術を使えば、有益な腸内微生物を維持し、新たな抗生物質耐性変異株が出現する可能性を下げることで、抗生物質をより安全にできます。」
この研究は、国防脅威削減局、Paul G. Allen Frontiers Group、ウィス研究所、および全米科学財団の大学院研究フェローシップから資金提供を受けました。
