腸の健康を最適に保つためのメタゲノム便分析

便検査で現在の腸の健康状態だけでなく、それ以上のことも予測できることをご存知でしたか? 私はフィリップ・ヒューゲンホルツ教授と話す機会に恵まれました。教授は30年間微生物学者として活躍しており、「 Microba 」という会社の共同設立者でもあります。この検査が将来の病気の予測にどのように役立つか、なぜパーソナライズされた健康プロファイルが将来のトレンドなのか、そしてなぜ誰もが便検査を受けるべきなのかについて、以下をお読みください (ヒント: 腸の健康は万人に当てはまるアプローチではありません。バナナよりもチョコレートのほうが体に良いかもしれません!)

DNA シーケンシングに興味を持ったきっかけは何ですか?

私は微生物の進化と生態学にずっと興味を持っていました。スケールの概念にいつも魅了されてきました。宇宙の大きさとそれがいかに大きいかについていつも考えていて、スケールを双方向に考え続けていました。10 歳のとき、理科の授業で顕微鏡をのぞいて、湖の水の中にいる不気味な生き物を観察しました。微生物の目に見えない世界を見るのは魅力的でした。それが微生物への興味を抱くきっかけとなりました。

大学では微生物学を専攻し、顕微鏡を使って生物を観察するのがとても好きでした。当時 (80 年代後半) は、生物をペトリ皿に載せて次のような特性を調べることで、生物の特徴を明らかにしようとしていました。

-どれくらい大きかったか

-彼らはどんな色素を生産したのか

-酸素を使用できるかどうか

問題は、微生物があまりにも単純すぎるため、その特性ではその時点では微生物をうまく分類できなかったことです。幸運なことに、私は当時クイーンズランド大学の微生物学部にいました。ドイツ人の教授が学部長としてやって来て、異なるシーケンシング技術をもたらしました。今では、外見ではなく、遺伝子と設計図を見ることで、生物同士を関連付けることができます。私はパズルが好きなので、DNA配列を巨大なジグソーパズルのように見始めました。それ以来、シーケンシングと、それが生物について教えてくれることに興味を持っています。

微生物の発見の進化とは？

それぞれの科学者に簡単に説明してもらうのが、微生物の進化を理解する最も簡単な方法です。

アントニ・ファン・レーウェンフック:微生物を発見。彼は微生物を観察できるレンズを作った。それまではレンズを削っていた。彼はレンズを加熱して、顕微鏡で簡単に観察できる完璧なレンズを作る方法を見つけた。彼は何十年もこのことを誰にも話さなかった。彼が最初に見た微生物は、自分の口の中にいた細菌だった。

ロベルト・コッホ:彼は、これらの生物を培養できる最初の固体培地を考案しました。これにより、私たちは生物を人間と同じレベルまで育て、相互作用できるようになりました。

カール・ウース:生命の樹の構造を解明しました。彼はアメリカの微生物学者で、マーカー遺伝子の最初の配列を解明したことで有名です。マーカー遺伝子はスーパーマーケットのバーコードのようなものだと考えてください。個々の遺伝子を配列し、それを他の遺伝子と関連づけて、生物が互いにどのように関連しているかを調べます。1970 年代に、彼は 1960 年代に別の科学者が書いた、DNA を調べることで生物を互いに関連づけることができるかもしれないという論文を読みました。彼はそれを採用して、リボソームの特定の遺伝子に研究を集中しました。リボソームタンパク質は細胞内の製造の原動力であり、非常に豊富です。

彼は、リボソームの一部を保存すれば、生物同士を関連付ける方法として使用できると考えました。彼が注目したリボソームの一部は、16s rRNA 遺伝子でした。その後、彼は最初の16s rRNA 生命樹を作成しましたが、彼の大きな発見は、人々がひとまとめにしていたこれらの微生物はすべて、実際には 2 つの非常に異なるグループを形成していたというものでした。

細菌

古細菌

30年後、私たちはこの古細菌から生まれ、私たちの直接の子孫になったのかもしれません。

ノーム・ペース: 16s 遺伝子を応用して文化の多様性を特徴づけました。彼はカール・ウーズの同僚でした。彼は 16s rRNA 遺伝子の発見をよく知っていて、それをイエローストーン国立公園などのさまざまな生態系に適用することに興味を持っていました。彼は沸騰したお湯で育つことができる生物に非常に興味を持っていました。彼はそれらの生物を育ててこれらの遺伝子を手に入れようとしていました。あまりうまくいかず、彼は直接その源泉にたどり着く必要があることに気づきました。これが文化に依存しないアプローチの始まりでした。

これは重要なことです。なぜなら、生物を皿の上で育てるにはコツがいるからです。環境中の微生物のごく一部は、このように育てられることがわかりました。温泉では、培養で育てられる生物は 1/1000 未満です。これにより、皿の上で育てることができなかったため、これまで調査されていなかった多様性をすべて調べる道が開かれました。彼は 16s rRNA 遺伝子を使用して、それらの生物を特徴付けていました。

クレイグ・ベンター:彼はそれを次のレベルに進め、1つの遺伝子を見るのではなく、すべての遺伝子を見ました。彼はそのゲノミクスをノーム・ペースが示した環境サンプルに適用しました。これがメタゲノミクスとして知られるようになりました。彼はヒトゲノムの最初の配列を導いたことで知られていました。彼はそれを微生物やコミュニティにも適用しました。

これにより、次のようなあらゆる環境に参入できるようになりました。

-温泉

-土壌

-便サンプル

そして、環境から DNA を抽出し、そこに生息する生物のゲノムを配列し、それらを再び組み合わせます。これで、すべての生物の設計図が完成しました。これは、配列決定技術の大幅な改善によっても推進されました。これらの科学者が活動していた間ずっと、彼らは第 1 世代の配列決定技術 (サンガー配列決定) を使用していました。次の世代の配列決定は 2000 年代半ばに登場しましたが、これは次のような点で有益でした。

-もっと多くのシーケンスを作成できます

-安いです

- より多くの人々がアクセスできるように扉が開かれた

これに、コンピューターの処理速度の向上も加わりました。例を挙げると、

最初のゲノム研究 (2004 年に遡る) はエネルギー省が後援しました。当時は約 50 万ドルの費用がかかりましたが、今日の機械を使えば、わずか数ドルで同じ量の DNA を処理できます。

生命科学の分野では、生態学や進化に関する疑問を問うことができる新しいツールキットが登場した時期を迎えています。その原動力となったのは、シーケンシング技術です。ほとんどの人は、ヒトゲノムのシーケンシングが行われていることを知っていますが、これは人類にとって大きな節目です。シーケンシングとは、ゲノム内の塩基や文字の順序を決定して、設計図にアクセスすることです。これにより、生物の能力がわかります。微生物は、この改良技術の恩恵を受けています。なぜなら、微生物の設計図をシーケンシングするのは、人間よりもはるかに簡単だからです。何と言っても、ゲノムは千分の一の大きさなのですから！

グリーン遺伝子とは何ですか?

Green Genes は、マーカー遺伝子を使用して生物を分類する 16s rRNA 遺伝子のデータベースです。ただし、誰もメンテナンスしていないため、現在は廃止されています。

「Ubiome」は、16s rRNA 遺伝子を使用して腸内微生物叢のコミュニティ プロファイリングを提供しています。これにより、特定のサンプルに何が含まれているかがわかります。16s rRNA 配列を抽出したときに何が含まれているかを確認するにはデータベースが必要なため、グリーン ジーンが役立ちました。

弊社「Microba」の場合、16s 遺伝子を使用するだけでなく、ショットガン シーケンシングを使用してコミュニティを特徴付けることができます。単一の 16s マーカー遺伝子を超えて調べると、そこに誰がいるのかだけでなく、その人が何をできるかもわかります。メタゲノミクスは 2004 年に開始され、ここ 5 年間で本格的に普及しました。メタゲノミクスは、シーケンシングのコストが下がった最近になってようやく顧客に提供されるようになりました。コストが下がった後、弊社 Microba が開発されました。

腸内微生物叢は健康と病気にとって非常に重要な要素であるため、私たちは腸内微生物叢の配列解析に可能性を見出しました。メタゲノミクスを使用して規模を拡大し、何千人もの個人を対象にデータベースを作成することができます。私たちはこのデータベースを作成して、パターンを確認し、どの微生物がどのような状況で重要であるか、そしてその集団にとって重要な機能は何かを調べ始めています。

16s rRNA 遺伝子の制限は何ですか?

カール・ウーゼがこの遺伝子を選んだ理由は、それが非常に保存されているからです。すべての生物を単一の系統樹に関連付けるには、本当に保存されているものが必要です。この過度な保存は、近縁のものを解明しようとするときには不利に働きます。16では、私たちは他の霊長類と区別できません。遺伝子の変化の速度が非常に遅いため、近縁のものを区別するのに十分な違いがありません。多くの場合、異なる種類の種を区別することができます。

それに比べて、メタゲノミクスのようにゲノム全体を使用すると、解像度が高くなります。種レベルを超えて亜種や株レベルまで。16s と他のリボソーム遺伝子の真ん中に ITS 遺伝子 (内部転写スペーサー) があります。これは 16s 遺伝子よりも保存性が低く、16s 遺伝子よりも解像度が高いため、一部の人々が使用しています。これは真菌の分類に使用されていましたが、ゲノム全体を超えて使用できるとしたら、非常に便利です。これが現在私たちが行っていることで、ゲノム全体を使用して高レベルの分類解像度を取得し、生物が何ができるかを判断できます。

洞察を得るためにマイクロバイオームの低解像度の写真から、ウイルスや寄生虫など他のものも含めた高解像度の写真に移行しています。 - クリベン・ゴベンダー

16s 遺伝子を採取する方法は、PCR (ポリメラーゼ連鎖反応) を使用することですが、これはその遺伝子をターゲットにできるかどうかに依存します。生物にその遺伝子が含まれていない場合、ターゲットにすることはできません。たとえば、ウイルスにはリボソームがないため、ターゲットとなる 16s 遺伝子はありません。16sプロファイルでは、どのウイルスが存在するかはわかりませんが、メタゲノミクスではわかります。また、プライマーの特異性に依存します。これらのプライマーでは、原生動物やその他のものをすべて見逃す可能性があります。これは、16s 遺伝子では見逃される可能性のある他のすべての生命体を確認できるため、メタゲノミクスのもう 1 つの利点です。

次のように考えることができます。1960年代のテレビの品質と、現在の高解像度の画像を比べてみてください。これは、16 秒から Whole Genomes に移行するようなものです。

メタゲノムプロセスとはどのようなものですか?

まずサンプルから DNA を抽出し、次にそのすべてをシーケンスします。これはショットガン シーケンシングと呼ばれます。これは、インフルエンザ菌で初めて実証されました。ゲノムを切り出して、短い断片ごとにシーケンスします。ゲノム全体をシーケンスできるシーケンス技術はまだありません。これをジグソーパズルのピースと考えてください。これらすべてのピースを元に戻して箱の絵を描き、それがゲノムです。インフルエンザ菌のような分離株の場合、ジグソーパズルは 1 つしかありません。メタゲノミクスでは、生物のコミュニティまたはマイクロバイオームを調べます。誰かが 500 個のジグソーパズルを手に入れて、さまざまな箱からすべてのピースをつかみ、すべてを 1 つの箱に入れて、これを元に戻すように言うようなものです。メタゲノミクスは、500 個のジグソーパズルを並行して作るようなものです。複雑に聞こえますが、データの処理方法を含めて技術が大幅に向上しており、かなり完全なゲノムを抽出することができます。

私たちは現在、驚くべき速度でこれらのゲノムを抽出しています。人間の糞便サンプルはこのプロセスの代表例です。過去 2 年間で 3 つの主要な研究が行われ、最後の研究ではデータセットから160,000 個の MAG (メタゲノムアセンブリゲノム)が抽出されました。これらのゲノムは私たちの参照データベースであり、現在では Green Genes のような 16 ではなくゲノムに基づいたデータベースがあります。

クイーンズランド大学で開発したデータベースがあります。GTDB はゲノム分類データベースの略です。世界中の誰もが自分のゲノムを持ち込んでこの参照データベースと比較し、その微生物が何であるかを知ることができます。Microba 社ではこれを使用しています。たとえば、お客様からサンプルを採取し、700 万のリード (単一の DNA フラグメントの全体または一部に対応する塩基対のシーケンス) をシーケンスします。次に、そのすべてを参照データベースと比較し、お客様の腸内に存在する微生物の高解像度プロファイルを作成します。

この技術がどこへ向かうのか、そしてさまざまな問題に苦しむ人々に何を提供できるのかを見るのはとても楽しみです。 - クリベン・ゴベンダー

腸の健康分析の将来はどうなるのでしょうか?

私たちはオーストラリア国民の腸内微生物叢 5,000 個以上を解析しました。これらのプロファイルをデータベースと比較し、分析してパターンを探すためにオプトインするかどうかを尋ねました。ほとんどの人がこれが科学的な取り組みに役立つと認識しているため、75% の人がオプトインしました。私たちはこのデータを分析することができ、驚くべき相関関係を発見しました。

-これらのプロファイルに基づいて、炎症性腸疾患を97％の精度で予測できます。

-クローン病か潰瘍性大腸炎かを問わず、IBD の種類を97% の精度で特定できます。

消化器科医がこれらの症状を治療しようとするとき、彼らはいくつかの治療法を自由に利用できます。しかし、その効果は通常、患者によって異なります。「この治療を試してください」と言っても、改善が見られるのは 5 人に 1 人だけかもしれません。腸内微生物叢の便検査だけで、炎症性腸疾患の発症を予測できるだけでなく、特定の治療に対する反応も予測できます。私たちは、検査する症状のいずれについても、強い統計的シグナルを確認しています...

-うつ病患者を扱う際に増加する特定の微生物集団が見られます

-さまざまな種類のがんに対する素因を持つ人々

どのような症状でも、腸内細菌叢に何らかのシグナルが見られます。腸内細菌叢は私たちの一部であり、私たちとともに進化してきました。腸内細菌叢は私たちの健康に重要な役割を果たしています。そして、腸内細菌叢が乱れると、腸内細菌叢に変化が生じ、問題が悪化します。腸内健康は、健康状態の変化に最初に反応するものの 1 つです。腸内健康は、今後起こることの早期警告として使用できます。

だからこそ、現在、この分野に多くの研究が集中しています。腸の健康に関する論文が毎月何百本も発表されています。この情報を利用してさまざまな病気の治療を導くことができる可能性は大いにあります。病気になるかもしれないことを事前に知らせてくれます。これは非常に新しい技術なので、規制当局はようやくこれに対処し始めたところです。診断に関する発言には注意が必要ですが、当社の研究部門では非常に強力で統計的に有意な相関関係が見られており、これが診断に非常に役立つことはわかっています。 

将来、問題を診断するときに、どの微生物が欠如しているか、または減少しているか、また、そこに存在する必要があるかがわかるようになります。特定の微生物が存在するべきでない場合、それに基づいて治療薬を設計できます。私たちは、プロファイル全体の 8% を占める健康なコホートに注目しました。健康なコホートは、他のすべてのコホートと比較して、いくつかの微生物集団が豊富であることが特徴でした。これらの集団を培養できれば、健康な人間の中に見られるプロバイオティクスとなり、他の人を助けることができるのではないかと考え始めることができます。

微生物の大部分は培養されていません。温泉の微生物よりも腸内微生物の培養は簡単ですが、平均的な人間の腸内に存在する種の約 30% は培養されています。つまり、70% は培養されていないということです。健康な人の体内に存在するこれらの種の多くは、これまで培養されたことがないことがわかりました。私たちは、それらの分離に時間を費やしています。それらの遺伝子設計図を持っているので、それを使って分離作業を行うことができます。その可能性は計り知れません。

健康な腸内微生物叢とはどのようなものでしょうか?

オーストラリア人の場合、この健康な腸は、健康的なライフスタイルを送る人々を対象とした調査に基づいています。これには、薬を服用しておらず、病気を報告していない人々が含まれています。これを健康なマイクロバイオームの基準として使用しました。健康な腸内マイクロバイオームを持つ人々の特定の集団を見つけました。この健康プロファイルに従って人々をランク付けし、健康の典型である女性を見つけました。彼女は70歳で、薬を服用しておらず、何年も高繊維食を摂っており、私が腸内健康なマイクロバイオームの頂点と呼ぶ人物です。私たちは、このタイプのマイクロバイオームを使用して、その基準を設定しています。

これらの細菌はすべて、健康的な食事の種レベルの定義です。より重要な情報はそのレベルにあると信じているため、私たちは亜種に進むプロセスを進めています。これらの種のほとんどは培養されたことがないため、まだ名前がありません。健康な腸内微生物叢に最適なものの 1 つは次の通りです。

フェカリバクテリウム・プラウスニッツィ

ゲノム レベルまで調べると、この種は 1 種ではなく 7 ～ 8 種になります。これらの種の 1 つは、抗炎症効果のある遺伝子を持っています。多くの健康問題は炎症を中心にしています。体内で何かが悪くなると、炎症が起こります。天然の抗炎症特性を持つ生物は、健康な微生物叢と関連しています。種を特定する際に、「この生物が健康な微生物叢の一部になるのか、それともディスバイオティック (不健康な) 微生物叢の一部になるのか」についても調べようとします。

しかし、腸は個々に異なります。法医学的アプローチで見れば、すべての人に糞便プロファイルがあれば、誰がどこに行ったかがわかります。なぜなら、それが非常に具体的なものだからです。時間の経過とともに変化するかもしれませんが、それはユニークです。何千もの個人を見ると、それらの信号がわかります。それは、一握りの種に要約されます。IBDに関しては、その特徴を示す20種を発見しました。

腸内微生物叢にはそれぞれに個性があり、複雑な生態系を形成しています。その理由は次のとおりです。

-免疫システムが強化されます

-腸内には500～1000種の生物が生息

- 腸と私たち自身との間でシグナルが送られます。

それにもかかわらず、私たちは前向きな変化をもたらすために利用できる強力なシグナルを持っています。新しい研究分野に参入すると、多くのことが誇張され、人々が多くの主張をすることがあります。注目すべきは、しっかりした優れた科学です。今後 5 ～ 10 年で、マイクロバイオームに基づいて病気を助けたり、なくしたり、病状を管理したりできるさまざまな方法が見つかるでしょう。

どのような種が否定的な意味合いを持っているのでしょうか?

代表的なのはクロストリジウム・ディフィシルです。これらはよく知られた病原菌で、腸に定着すると、腸内環境を乱す可能性があります。ビロフィラ・ワズワーシアは、ほとんどの人の腸内微生物叢に見られる菌の一種で、特定の条件下では悪影響を及ぼし始めることがあります。これらは日和見病原菌と呼ばれています。特定の条件下では、微生物が増殖して問題を引き起こすことがあります。これは亜種に起因します。私たちはまだこのことについて学んでいる最中で、毎週のように、特定の状況下で腸内に悪影響を及ぼしている特定の微生物に関する研究が行われています。

私はMicroba で便検査を受けましたが、興味深い結果でした。ビフィズス菌はほとんどなく、代謝産物のセクション全体が非常に興味深いものでした。 -Kriben Govender

検査の代謝物部分とは何ですか?

これはメタゲノミクスのおかげで可能になりました。私たちは完全な設計図を持っているので、生物がどのような機能を発揮できるかを予測できます。その一環として、生物がどのような代謝産物を生産しているかを予測できます。代謝産物とは、生物によって消費または生成される化学物質です。1つの例は GABA (ガンマアミノ酪酸) です。これは修飾アミノ酸です。生物はこれを食料源として使用します。これは私たちの主要な神経伝達物質の 1 つです。つまり、腸内の生物は私たちに有益な GABA を生産できるということです。 

たとえば、腸内の GABA 生成レベルがうつ病と関連していることが研究で示されています。これは腸脳相関を示しています。レポートにはさらに多くの代謝物も記載されています。メタゲノミクスから、それらの代謝物を生成する能力を予測するという考え方です。将来的には、DNA ではなく代謝物プロファイルだけを読み取ることができるようになるかもしれません。

KEGGとは何ですか?

KEGG は京都遺伝子ゲノム百科事典です。日本で開発されたもので、代謝経路や遺伝子の大部分に関する情報を提供しますが、すべてではありません。生物の代謝能力を解釈するための重要なリソースです。代謝に関する理解が深まるにつれて、より多くのピークを特定できるようになり、より高解像度の画像が得られます。

テクノロジーはどこへ向かうのか?

代謝物を直接分析することで、価格も 15～20 AUD に下がります。これにより、はるかに幅広いユーザーが利用できるようになります。現時点では、500 AUD という価格を見て、高いと思う人もいるかもしれません。しかし、5 年前には同じことをするのに 10,000 AUD かかったことを考えると、その価格ははるかにリーズナブルです。これらのプロファイルを分析するコストはますます安くなります (代謝物に取り組めば、さらに安くなります!)。何百万ものプロファイルを見るのが楽しみです。このデータベースを増やすたびに、統計的有意性が高まります。将来的には、医者でコレステロールの検査を受けるのと同じように、かかりつけ医も腸内細菌叢のプロファイルを取得し、それを健康状態に関する別の情報として利用できるようになります。

機械学習アルゴリズムは使用されていますか?

これが予測可能性を分析する方法です。IBDを 97% の精度で予測でき、そのために機械学習を活用しています。これは複雑なデータセットであり、目では確認できないパターンも確認できます。アルゴリズムを適用し、トレーニングして、テスト セットを作成します。ここで機械学習の効率を評価できます。機械学習はデータが大好きで、より多くの情報を取得すればするほど、予測精度が向上します。

酪酸のために食物繊維をもっと摂取すべきでしょうか?

酪酸は健康に寄与するため、非常に重要な短鎖脂肪酸です。少なすぎても良くありませんし、多すぎても良くありません。便検査を行えば、酪酸を増やすか減らすために何を食べるべきかのアドバイスを受けることができます。検査を受けて、その結果に基づいて食事を改善するために栄養士や栄養学者と協力することを検討してください。検査は時間が経つにつれてますます有用になります。ヒトゲノム検査を受けるたびに、常に新しい情報が出てくるので、プロファイルを頻繁にチェックするように言われます。これは腸内微生物プロファイル検査でも同じです。

腸の健康を改善するための一番の推奨事項は何ですか?

腸の健康を改善するために私がアドバイスできる最良の方法は、食事です。 便検査をすると、食事で何を変えればよいか具体的にわかります。何かが不足しているかもしれませんし、何かが多すぎるかもしれません。これは人によって異なります。これはイスラエルで行われた興味深い研究です。あなたのプロファイルに基づいて、バナナかチョコレートが提供されます。大多数の人はバナナのほうが良い反応を示しますが、少数の人はチョコレートのほうが効果がありました。一般的には野菜をもっと食べなさいと言われますが、これは事実です。しかし興味深いのは、パーソナライズされたプロファイルを取得すると、あなたにとって良いものが他の人には良いとは限らないということです。

もっと野菜を食べるようにアドバイスすることはできますが、プロファイルを作成することで、具体的な情報を得ることができます。今後数年間で、効果的で特定のプロファイルに適したサプリメントや食事に関するアドバイスが得られるようになります。これはパーソナライズされた医療であり、今後数年間でさらに普及すると思います。

私は食生活を変えてきました。肉や加工肉の摂取を減らしました。運動は重要です。食生活を変えて運動を増やすことで得られる早期のメリットの 1 つは、精神衛生です。また、腸内細菌叢の変化も見られます。私のプロフィールには、私が取り入れたさまざまな食品グループの推奨事項がいくつか記載されており、とても気分がいいです。

便の分析は現在と未来のトレンドです。これらの検査は、手頃な価格で IBD、うつ病、さらには一部のがんを予測します。各検査で、科学研究への参加も選択できます。個人はそれぞれ異なるため、個人に合わせた検査を受けることが、腸の健康を改善するために何をすべきかを判断する最善の方法であることを忘れないでください。この情報から利益を得る友人とこれを共有してください。