ヒト初期の腸内細菌叢の成熟は、微生物代謝物を介して腸球の増殖を誘導する

Gut microbiota maturation during early human life induces enterocyte proliferation via microbial metabolites.

• Michael W Dougherty
• Oleksandr Kudin
• Marcus Mühlbauer
• Josef Neu
• Raad Z Gharaibeh
• Christian Jobin

抄録

背景:

腸管は、主に上皮細胞が専門化されたクリプトとヴィラス構造に組織化されることを特徴とする、初期の生活の間に細胞の成熟期を経る。これらのプロセスは、一部では微生物の獲得によって媒介される。妊娠前の乳児は、出産後の最初の数週間の間に細菌の品揃えによって植民地化されている間、用語で配信された乳児は、典型的には、様々なバチルス属の過剰代表によって特徴付けられる安定した、低多様性の微生物相を抱えている。しかし、腸管上皮の恒常性と成熟に対するこれらの変化の機能的効果は不明のままである。これらの影響を研究するために、ヒトの新生児の糞便を定期便と早産児から採取した。糞便 16S rDNA 配列決定およびグローバルアンターゲット LC-MS を実施し、各集団からの微生物組成および代謝物を特徴付けた。ウシの腸管オルガノイド（エンテロイド）を、前期または前期の乳児からプールされた0.22μmのろ過便上清を用いて培養した。

BACKGROUND: The intestinal tract undergoes a period of cellular maturation during early life, primarily characterized by the organization of epithelial cells into specialized crypt and villus structures. These processes are in part mediated by the acquisition of microbes. Infants delivered at term typically harbor a stable, low diversity microbiota characterized by an overrepresentation of various Bacilli spp., while pre-term infants are colonized by an assortment of bacteria during the first several weeks after delivery. However, the functional effects of these changes on intestinal epithelium homeostasis and maturation remain unclear. To study these effects, human neonate feces were obtained from term and pre-term infants. Fecal 16S rDNA sequencing and global untargeted LC-MS were performed to characterize microbial composition and metabolites from each population. Murine enteral organoids (enteroids) were cultured with 0.22 μm filtered stool supernatant pooled from term or pre-term infants.

結果:

タームとプレタームの微生物コミュニティは、増加したOTUの多様性（Wilcox検定p<0.01）によって特徴づけられたプレタームのマイクロバイオームで、主成分分析（PCoA、PERMANOVA p<0.001）によって互いに有意に異なっていた。末期のコミュニティは、以下の多様性とバチルス（81.54％）によって支配された。プレターム便は、ビタミン、アミノ酸誘導体と非共役化胆汁酸の増加した豊富さを持っていた。経路解析の結果、KEGGデータベースを用いて大腸菌にマッピングされた妊娠前のサンプルでは、様々なアミノ酸の発酵とビタミンの生合成に関連した複数の代謝経路が有意に増加していることが明らかになった。生後間もない便の上清を用いて培養した腸管は、生後間もない便の上清を用いて培養した腸管に比べて高い増殖率（細胞生存率207％対147.7％、p<0.01）、肥大化（面積81,189μm対41,777μm、p<0.001）、発芽率（6.5対4、p<0.01）を示した。さらに、幹細胞の増殖に関わる遺伝子は、前期便処理した腸管ではアップレギュレーションされていたが（Lgr5, Ephb2, Ascl2 Sox9）、前期便処理した腸管ではアップレギュレーションされていなかった。

RESULTS: Term and pre-term microbial communities differed significantly from each other by principle components analysis (PCoA, PERMANOVA p < 0.001), with the pre-term microbiome characterized by increased OTU diversity (Wilcox test p < 0.01). Term communities were less diverse and dominated by Bacilli (81.54%). Pre-term stools had an increased abundance of vitamins, amino acid derivatives and unconjugated bile acids. Pathway analysis revealed a significant increase in multiple metabolic pathways in pre-term samples mapped to E. coli using the KEGG database related to the fermentation of various amino acids and vitamin biosynthesis. Enteroids cultured with supernatant from pre-term stools proliferated at a higher rate than those cultured with supernatant from term stools (cell viability: 207% vs. 147.7%, p < 0.01), grew larger (area: 81,189μm vs. 41,777μm, p < 0.001), and bud at a higher rate (6.5 vs. 4, p < 0.01). Additionally, genes involved in stem cell proliferation were upregulated in pre-term stool treated enteroid cultures (Lgr5, Ephb2, Ascl2 Sox9) but not term stool treated enteroids.

結論:

これらの知見は、妊娠前の乳児に関連するより多様な腸内細菌叢の微生物代謝物が幹細胞の増殖を促進することを示唆している。したがって、プレタームのマイクロバイオータの摂動は、腸の恒常性を損なう可能性があります。

CONCLUSIONS: Our findings indicate that microbial metabolites from the more diverse gut microbiome associated with pre-term infants facilitate stem cell proliferation. Therefore, perturbations of the pre-term microbiota may impair intestinal homeostasis.