メタボロミクスと腸内細菌叢解析に基づくキサントセラスのブンゲ殻の認知障害に対する保護効果の検討

The protective effect of Xanthoceras sorbifolia Bunge husks on cognitive disorder based on metabolomics and gut microbiota analysis.

• Weiwei Rong
• Kefei Han
• Zihan Zhao
• Junying An
• Qing Li
• Kaishun Bi

抄録

研究の目的:

主に華北地域で民間薬として利用されてきたブンゲ（Xanthoceras sorbifolia Bunge）の殻には、認知障害に対する潜在的な保護効果があることが報告されていた。しかし、そのメカニズムは不明な点が多い。この保護作用のメカニズムを十分に理解するために、殻の補完的な研究を行った。

AIM OF THE STUDY: The husks of Xanthoceras sorbifolia Bunge mainly used in north China as folk medicine were reported to have potential protective effect on cognitive impairment. However, the mechanism remains unclear. In order to fully understand the mechanism of the protection, a complementary study of the husks was conducted.

材料と方法:

尿中メタボロミクスと糞便メタボロミクスを用いて、液体クロマトグラフィー-タンデム飛行時間質量分析法による潜在的なバイオマーカーの分析を行い、16S rDNA技術を用いて、認知機能障害の発症に重要な影響因子であるラットの糞便サンプル中の微生物種の分析を行った。

MATERIALS AND METHODS: The urinary and fecal metabolomics were used to analyze the potential biomarkers by the liquid chromatography-tandem time of flight mass spectrometry, and the16S rDNA technology was applied to conduct the analysis of microbiota species in the fecal samples of the rats, which is a significant influencing factor for the development of cognitive impairment.

結果:

メタボロミクス研究では、ヒプール酸、キヌレン酸、クレアチニン、フェニルアラニン、キサンツレン酸、フェニルアセチルグリシン、サクシニルアデノシン、クレゾール硫酸の10種類の代謝バイオマーカーを検討した。尿中のトリプトファン 2-C-マンノシド、N4-アセチルシチジンに加え、糞中のイソロイシン、フェニルアラニンを含む2つの代謝経路が、トリプトファン、プリン、キヌレニン、フェニルアラニンなどの複数の代謝経路に関与していることが予備的に同定されました。これらの代謝経路の乱れは、認知障害を引き起こす危険因子であるインスリン抵抗性、酸化ストレス、エネルギー代謝不足、神経炎症と関連している可能性があることが示唆された。腸内細菌叢解析では、認知障害ラットにおいて、c_Bacteroidia、c_Alphaproteobacteria、f_Prevotellaceae、f_Sphingomonadaceae、f_Burkholderiaceae、g_Prevotellaceae_NK3B31_group、およびp_Bacteroidetesの相対的な豊富さが有意に変化した。Spearmanの分析では、代謝物と微生物種との間に明らかな相関関係が認められた。また、ハスキー抽出物を前処理したラットでは、代謝物は相対的に正常なレベルを維持し、ハスキー抽出物は腸内微生物叢、特にf_Prevotellaceaeとg_Prevotellaceae_NK3B31_groupを制御することができ、ハスキー抽出物がGMを介して代謝経路に影響を及ぼすことが示唆された。また、イソロイシンやフェニルアラニンなどのアミノ酸は微生物種との有意な相関は認められず、籾殻が腸内微生物や他の経路を介して潜在的な保護効果を示していることが示唆された。

RESULTS: In metabolomics study, ten potential metabolic biomarkers, which are hippuric acid, kynurenic acid, creatinine, phenylalanine, xanthurenic acid, phenylacetylglycine, succinyladenosine, cresol sulfate, tryptophan 2-C-mannoside and N4-Acetylcytidine in urine, along with two, including isoleucine and phenylalanine in feces, were preliminarily identified, involving multiple pathways such as tryptophan, purine, kynurenine, and phenylalanine metabolism. The perturbation of these metabolic pathways could be related with insulin resistance, oxidative stress, energy metabolism deficit and neuroinflammation, which were risk factors to cause cognitive impairment. In gut microbiota analysis, the relative abundance of c_Bacteroidia, c_Alphaproteobacteria, f_Prevotellaceae, f_Sphingomonadaceae, f_Burkholderiaceae, g_Prevotellaceae_NK3B31_group and p_Bacteroidetes was significantly changed in the rats with cognitive impairment. Spearman's analysis showed obvious correlation between the metabolites and the microbiota species. In the rats with pretreatment of the husks extract, metabolites maintained a relative normal level, and the husks extract could regulate the gut microbiota, especially f_Prevotellaceae and g_Prevotellaceae_NK3B31_group, indicating the effect of the husks on the metabolic pathways via GMs. Such amino acids as isoleucine and phenylalanine failed to show any significant correlation with the microbiota species, indicating that the husks exhibited the potential protective effect through gut microbiota and other pathways.

結論:

その結果、ハスキー抽出物は腸内環境を改善し、腸内環境の安定性はトリプトファン、プリン、キヌレニン、フェニルアラニンなどの代謝経路の正常化と関連しており、認知機能に影響を与えている可能性が示唆された。このことから、腸内微生物がハスキーの認知機能障害への効果を発揮する可能性があることが示唆された。

CONCLUSIONS: The husks extract could improve the intestinal microenvironment, and the stability of intestinal microenvironment was associated with normality of tryptophan, purine, kynurenine and phenylalanine metabolic pathways etc, which probably had an effect on cognitive function. This complementary work suggested that gut microbiotas were potential targets of the husks to exert its effect on cognitive impairment.

Copyright © 2020. Published by Elsevier B.V.