腸内細菌叢依存的なフェニル酢酸の増加が加齢中の内皮細胞の老化を誘導する

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腸内細菌叢 フェニル酢酸 内皮細胞老化 老化メカニズム 心血管疾患 酸化ストレス

腸内細菌およびその代謝産物が老化過程における血管内皮細胞老化を媒介する分子メカニズムの研究 ——『nature aging』最新成果の解読

一、研究の背景と意義

人類社会が深く高齢化している現状において、心血管疾患（cardiovascular disease, CVD）は全世界の高齢者健康にとって最大の脅威の一つとなっています。現在の疫学的証拠は、老化が心血管疾患の最も重要なリスクファクターの一つであることを示しています。しかし、心血管系機能低下の重要な細胞的基盤である血管内皮細胞（endothelial cell, EC）機能障害、とりわけ内皮細胞老化（senescence）が体内でどのような分子誘因・調節機構により生じるかは、いまだ完全には解明されていません。

近年、腸内細菌叢（gut microbiota）は「ゲノムに次ぐ人体の第二のゲノム」として、医学・生命科学分野において代謝・免疫・炎症など多系統・多疾患状態との密接な関連が徐々に認識され始めています。多くの証拠が、腸内細菌が食事成分を分解することにより多様な代謝産物を生み出していることを示しています——これには有益な短鎖脂肪酸（short-chain fatty acid, SCFA）のみならず、潜在的に有害な芳香族アミノ酸誘導体（例えばフェニル酢酸、phenylacetic acid, PAA）があり、これらが腸—血管軸を介して心血管の健康、炎症反応、さらには加齢自体に影響を与えうることが分かっています。

注目すべきは、前臨床および臨床研究により、特定の腸内細菌が膳食由来のフェニルアラニン（phenylalanine）を分解し、フェニル酢酸（PAA）およびその下流産物——フェニルアセチルグルタミン（phenylacetylglutamine, PAGln）——を産生し、これらの代謝産物の上昇が貧血や慢性腎臓病患者の心血管有害事象や全原因死亡リスクと関連することが示唆されています。しかし、PAAがどのように血管内皮細胞に作用し、その老化を促進し、血管機能障害を誘発し、かつその分子ネットワークがどのようになっているかについては、いまだ深いメカニズム研究が不足しています。

本研究は、上記の臨床的ニーズと科学的ブラインドスポットを背景に行われ、「腸内細菌—フェニル酢酸—血管内皮老化」という新しい腸—血管相互作用軸を明らかにし、さらにSCFA（特に酢酸 acetate）が血管内皮老化を抑制し、血管健康を維持する上での潜在的介入価値を探究することで、加齢関連心血管疾患の予防と治療に新しい発想とターゲットを提供することを目指しています。

二、論文情報と著者について

本研究論文のタイトルは『gut microbiota-dependent increase in phenylacetic acid induces endothelial cell senescence during aging』であり、2025年6月発行の『nature aging』（Nature Aging, Volume 5, June 2025, Pages 1025–1045, DOI: https://doi.org/10.1038/s43587-025-00864-8）に掲載されました。

研究はSeyed Soheil Saeedi Saravi（責任著者）、Benoit Pugin、Florentin Constancias、Khatereh Shabanian 等、多数の研究者による協力によって完成し、著者陣はチューリッヒ大学、ローザンヌ連邦工科大学、ザンクトガレン病院、イタリア・ベルガモ大学、インペリアルカレッジロンドン、スイス・チューリッヒ大学病院など世界屈指の研究機関から構成されています。この研究は、多分野にまたがる国際的な協力体制のもとで進められ、高度な革新性と権威性を備えています。

三、研究デザインと実験プロセス

1. 全体的な研究枠組み

本研究は、「腸内細菌代謝産物PAAがどのように血管内皮細胞老化を促進するのか、また酢酸（acetate）がこの過程にどのように介入しうるか」をテーマとして展開されています。臨床大規模コホートから動物モデル、細胞・分子機構まで、完全な研究チェーンを構築しました。主要な研究プロセスは次の通りです：

  • 大規模人群コホートの臨床データ解析（TwinsUK cohort, n=7303）
  • 動物モデル（マウス）とヒト型加齢モデル
  • 腸内微生物叢オミクスとメタボローム統合解析
  • 特定細菌属（Clostridium sp. asf356）の機能検証
  • in situおよびin vitro内皮細胞表現型と分子機構実験
  • 革新的な介入実験（酢酸補給、Senolytic薬併用）

2. 具体的な実験手順と方法

2.1 臨床コホートおよび動物モデルにおけるPAA/PAGln動態解析

  • TwinsUK人群コホート：ノンターゲットメタボロミクスにより、18〜95歳の健康個体7303例の血漿中PAAおよびPAGlnレベルを検出し、線形回帰や相関分析で年齢との関連性を確認。
  • マウスモデル：3カ月齢（若年）と24カ月齢以上（高齢）のC57BL/6Jマウスを選定し、ターゲットメタボローム解析で血漿中PAAおよびPAGlnレベルを測定。すべてのマウスは性別、体重、腎機能でマッチし、腎機能異常の影響を排除。

2.2 腸内微生物叢オミクスとPAA合成関連経路の特定

  • マウス糞便のショットガンメタゲノムシーケンス：異なる年齢のマウスから新鮮な糞便を採取し、shotgun-metagenomicsシーケンスを実施。
  • KEGGデータベース経路マッチング解析：PAA合成に関連する二つの酸化的脱炭酸経路——phenylpyruvate:ferredoxin oxidoreductase（PPFOR）およびα-ketoisovalerate:ferredoxin oxidoreductase（VOR）——に注目し、年齢別に遺伝子量の変化を解析。
  • ANCOMアルゴリズムとCLR変換：有意な優位性を示す菌叢構造、特にPPFOR/VOR陽性機能菌の変動を同定。

2.3 関連特定菌属の機能検証

  • 種レベルの関連解析：Spearman順位相関分析を利用し、血漿PAAレベルと正の相関を示す優位菌種をスクリーニング。
  • in vitro機能培養実験：スクリーニングされたClostridium sp. asf356をフェニルアラニン含有培地で純粋培養後、LC-MS/MSでPAAとPAGln産生能を確認。
  • TwinsUKヒトコホートのメタ計税データの再検証：900例を対象に、PPFOR遺伝子機能を持った腸菌属とPAA/PAGlnおよびその関連性を解析。

2.4 動物モデルでの生体機能と内皮老化表現型の検証

  • Clostridium sp. asf356定植実験：10〜12週齢の抗生物質プレトリートマウスに当該菌株を経口で定植し、コントロール群と血漿PAA・動脈弾性（張力測定）、細胞老化指標（SA-β-Gal染色、p16^Ink4a、DNA損傷マーカーγ-H2A.X、炎症因子IL-1β/IL-6）を比較。
  • Senolytic薬干渉：ダサチニブ（Dasatinib 5mg/kg）とケルセチン（Quercetin 50mg/kg）の併用で定植群に投与し、老化細胞の除去、動脈機能および内皮新生血管能力の回復を確認。

2.5 PAA直接作用メカニズム体内外検証

  • ヒト大動脈内皮細胞（HAEC）in vitro：無血清環境で10μM PAAを72時間投与し、複製老化コントロール（P15〜17世代）と比較してSA-β-Gal、Ki67、腫瘍抑制遺伝子（p16Ink4a等）、炎症因子、VCAM1等を評価。
  • PAA投与in vivo実験：腹腔内注射で4週間PAA処理したマウスを調査、血管断面（弾性、コラーゲンIII型、MMP-9）、内皮老化/DNA損傷/炎症指標、新生血管能力を測定。
  • Mito-HyPer7.2バイオセンサー法：アデノウイルスでHyper7.2をミトコンドリア標的発現させ、PAA刺激による細胞ミトコンドリアH₂O₂産生をリアルタイムで検出。
  • Seahorse XF解析装置：細胞の基礎および最大呼吸（OCR）、解糖（ECAR）、ATP産生能力をリアルタイム測定し、PAAの内皮エネルギー代謝への影響を評価。

2.6 酢酸介入の抗老化ポテンシャルの探索

  • 酢酸とPAAのin vitro併用実験：外因性3μM酢酸ナトリウムを添加、PAAによる内皮細胞老化、ROS、エネルギー障害、SASP、テロメア維持（hTERT）、DNA損傷に対する拮抗的作用を評価。
  • 分子メカニズムの解明：酢酸がNAD+—SIRT1—NRF2抗酸化経路、さらにはNF-κB炎症経路をいかに調整するかを検討し、ノックダウン実験（si-SIRT1, NRF2阻害）で因果関係を検証。

四、主要実験結果の要点と各フェーズのデータ

1. ヒト／マウスPAA・PAGlnの動態変化

  • 加齢に伴い血漿中PAA（r=0.06, p<0.001）およびPAGln（r=0.25, p<0.001）が有意に上昇、この現象は腎機能の影響ではなかった。
  • 高齢マウスでもPAAとPAGlnの上昇を確認、加齢プロセスとの密接な関連を実証。

2. 微生物叢機能経路変化と特定菌群の蓄積

  • メタゲノム機能解析で、高齢マウス糞便中のPAA生合成経路PPFOR/VOR遺伝子の豊富度が極めて有意に上昇（p<1e-4）、PPFOR+/VOR+菌属が高齢群で72%と青年群（42%）を大きく上回った。
  • Clostridium sp. asf356はPAA上昇と有意に関連する唯一のPPFOR+菌属であり、高齢マウス腸内叢でその相対優位度が顕著に増加。
  • TwinsUKヒト集団でもClostridium属（PPFOR遺伝子保有）の陽性菌がPAAレベルと明確な正の相関を示した（p=2.45e-5）。

3. Clostridium sp. asf356定植実験

  • 菌株定植後、血漿PAAは約3.15倍、PAGlnは約1.7倍に上昇、動脈弾性低下、血管外膜および内臓脂肪の増加、老化・DNA損傷・炎症指標（p16Ink4a、γ-H2A.X、IL-1β/IL-6、SA-β-Gal）の全面的上昇を認め、動脈血管拡張能および内皮新生血管能の顕著な低下。
  • Senolytic薬剤併用によってこれらの老化表現型は効果的に消失し、内皮機能が回復。

4. PAA早老化メカニズム体内外実験

  • PAAによるヒト内皮細胞刺激で、複製老化細胞とほぼ同一の表現型（細胞大型扁平化・多核化、Ki67減少、p16Ink4a/p19Ink4d/p21上昇、SASP分泌亢進（IL-1β/IL-6/VCAM1等）、DNA損傷明瞭）を呈した。
  • ダサチニブとケルセチンでPAA誘導性老化細胞の選択的除去が可能となり、新生血管能力は大きく回復。

5. PAAによるROS・エネルギー障害・エピジェネティクス制御ネットワーク機構解析

  • PAAにより内皮細胞ミトコンドリアH₂O₂産生が激増（Mito-Hyper7.2レッドオキシ比は2倍超）、NADPHオキシダーゼNOX4がアップ、抗酸化防御遺伝子GPX1がダウンし、酸化ストレス負担が増大。
  • PAA投与群Seahorse解析で、基礎呼吸・最大呼吸・ATP産生が著減（最大40〜50%低下）、解糖能も大きく減少し、エネルギー代謝が損なわれた。
  • エピジェネティクス機構として、PAAはH₂O₂を介したCaMKIIリン酸化→HDAC4リン酸化・細胞質移行→VCAM1等キープロ炎症SASP遺伝子の抑制解除、eNOSリン酸化抑制、血管拡張・新生血管能損傷に至る。

6. 酢酸の予防的介入とシグナル経路機構

  • 高齢マウス糞便の酢酸レベルは若齢に比べ80%低下し、プロバイオティクス（Prevotella、Rikenellaceae）減少と関連。
  • 酢酸補給により、PAA誘発の老化表現型（Saβ-Gal、p16Ink4a、γ-H2A.X）が明確に低下、hTERT発現上昇、テロメア短縮とDNA損傷が逆転。
  • 酢酸ナトリウムはエネルギー代謝（OCR 30〜40%上昇）を著明に改善し、NAD+レベル上昇、NAD+依存性のSIRT1脱アセチル化酵素を活性化、NRF2—GPX1/PRDX3等抗酸化酵素、NF-κB介したSASP分泌を低減し、新生血管能を顕著に回復。
  • SiRNA実験で、酢酸の抗老化効果はSIRT1-NRF2、SIRT1-NF-κB経路に依存、pharmacological inhibitorでエネルギー—抗酸化二重経路の調節作用がさらに裏付けられた。

五、研究の結論・価値とハイライト

1. 主要な結論

本研究は、腸内細菌由来PAAが老化過程における血管内皮老化を駆動する中核分子であることを初めて示し、NOX4を介したミトコンドリアH₂O₂過剰産生、SASP表現型・エピジェネティクス制御（HDAC4/VCAM1/eNOS修飾）およびエネルギー障害の活性化を通じ、血管機能障害およびangiogenesisの減退をもたらすことを明らかにしました。Clostridium sp. asf356がこの過程を推進する鍵となる細菌属であることを定義し、臨床での精密な微生物介入のターゲットを提供しました。また、酢酸補給がSIRT1/NRF2抗酸化—エネルギー経路、およびSIRT1-NF-κB炎症抑制を介してPAA誘発の内皮老化表現型を顕著に抑制することを初めて体系的に証明し、高効率の微生態Senomorphic介入戦略を示しました。

2. 科学的意義と応用価値

  • 老化関連の微生物—代謝産物—血管機能障害の因果関係を解明し、腸—血管軸加齢メカニズムの分子図を深化させた。
  • 初めてPAAおよびその機能菌属を、血管老化・動脈硬化などのバイオマーカー（biomarker）および介入ターゲットとして提唱し、精密介入の基礎とした。
  • 健康な腸内微生物が産生する鍵SCFAとしての酢酸の、血管内皮老化抑制および機能回復における治療的潜在性を明らかにし、SCFA補給剤開発や電気生理調節といった新たな予防治療戦略の実験的根拠を示した。

3. 研究のハイライトと革新性

  • マルチオミクス（メタゲノム＋メタボローム）、大規模ヒトコホート、分子表現型実験を一体的に組み合わせた体系的で厳密な研究プロセス。
  • PAA誘発「エネルギー＋エピジェネティクス＋酸化ストレス＋SASP」多重シグナルネットワークを発掘・実証し、Senomorphic介入の新しい発想を提案。
  • Mito-Hyper7.2レッドオキシ感受など最先端技術を駆使し、細胞酸化ストレスイベントの高時空分解機構解析を推進。

六、その他の有用な内容と展望

  • 研究ではSenolytic薬（Dasatinib＋Quercetin）が微生物由来代謝産物誘導型老化モデルで有効であることも評価され、医薬品と微生態との協調的介入の経験を提供。
  • 腸内微生態修復（菌叢多様性促進、acetate-producing菌の補給等）が今後、高齢者やハイリスク群の心血管老化抑制の核心戦略となる可能性を示唆。
  • 今後、機能菌叢科学、微生物「移植＋エコバイオティクス＋栄養介入」方向での基礎・トランスレーショナル研究に理論的なモデルを提供。

七、まとめ

本研究は、臨床および基礎研究の証拠を統合し、「腸内細菌—代謝産物PAA—血管内皮老化—機能障害」という完全なメカニズム経路を初めて確立し、動脈硬化や加齢関連心血管疾患の予防・制御に理論的基盤と新しい介入ターゲットを提供しました。微生態Senomorphic（例えば酢酸）は、健康的な老化の新たな幕開けとなり、世界の高齢者心血管健康管理に包括的な解決をもたらすと期待されます。