ターゲットメタボロミクスによる四大栄養素の腸内微生物代謝への影響評価

Evaluating the Impact of Four Major Nutrients on Gut Microbial Metabolism by a Targeted Metabolomics Approach.

• Kundi Yang
• Mengyang Xu
• Jiangjiang Zhu

抄録

腸内マイクロバイオームは宿主生理において基本的な役割を果たしており、腸内マイクロバイオームの代謝は宿主-マイクロバイオームのホメオスタシスにとって重要である。腸内微生物代謝の主要な担い手である培地栄養成分は、in vitroでの腸内微生物の増殖に不可欠であり、無機塩類、胆汁塩類、短鎖脂肪酸（SCFAs）、ムチンの4つの栄養成分は、生育環境の違いによって大きく変動し、腸内微生物の集団や機能を調節することから、特に注目されている。しかし、これら4つの栄養素が腸内マイクロバイオームに及ぼす影響を、微生物の代謝プロファイルへの影響という観点から評価するための系統的な研究は不足している。このような知見のギャップを埋めるために、我々は、質量分析法に基づく標的型メタボロミクス手法を用いて、これら4つの培地成分のin vitro培養腸内細菌叢への調節効果を研究した。その結果、無機塩類とムチンは他の成分と比較して腸内微生物の代謝プロファイルに最大の影響を与え、低濃度の無機塩類とムチンを添加した培地で培養した腸内微生物培養物では、より多くの代謝物が検出されたことがわかりました。また、代謝経路インパクト解析を適用したところ、異なる培地の添加量を比較した際に、いくつかの代謝経路に有意な影響を与えたことが明らかになりました。要約すると、このパイロット研究は、腸内微生物代謝機能への貢献における個々の栄養成分を評価するための最初の試みとして機能することができます。

Gut microbiome plays fundamental roles in host physiology, and gut microbial metabolism is important to the host-microbiome homeostasis. As major contributors to gut microbial metabolism, the medium nutritional components are essential to in vitro gut microbiome growths, and four nutrients, namely, inorganic salts, bile salts, short-chain fatty acids (SCFAs), and mucin, have gained particular attention because of their significant variation found in different growth environments and their ability to modulate the gut microbial population and functions. However, a systematic study is lacking to evaluate the effects of these four nutrients on the gut microbiome in terms of their impact on the microbial metabolic profiles. To fill the gap of the knowledge, we applied mass-spectrometry-based targeted metabolomics approach to study the regulation effects of these four medium components on in vitro-cultured gut microbiota. Our results show that inorganic salts and mucin had the greatest impacts on the gut microbiome metabolic profile compared to the other components studied, with gut microbial cultures grown with low-concentration inorganic salts and mucin-supplemented medium demonstrating greater numbers of metabolites detected. We also applied metabolic pathway impact analysis, which revealed several significantly impacted metabolic pathways during the comparison of different medium supplements, which could further assist our understanding of the overall impacts of certain critical nutrients on gut microbial metabolism. In summary, this pilot study can serve as a first attempt to evaluate the individual nutritional component in their contribution to gut microbial metabolic functions.