【研究報告】（自然科学部門）

乳幼児期の未発達な腸管免疫系に対する
プロバイオティクスの効果の検証―成熟期の免疫系に対する効果との比較―

井上京都府立大学大学院生命環境科学研究科動物機能学研究室
緒

言

亮

講師

児に摂取させたところ、皮疹スコアの改善が見られたことが報告されている 6）。

腸管は栄養吸収器官であると共に体内最大の免疫器官でもある。腸管にはおよそ 450 種類の腸内細菌が定着
14

上述のように、腸管免疫系は発達過程である乳幼児

1）

しており、その総数は約 10 個とされている 。また、期と成熟後では免疫細胞数など多くの点で異なってい生体は呼吸や飲食によって日々莫大な量・種類の微生物る。そのため、同量のプロバイオティック乳酸菌を摂取や抗原を取り込んでおり、腸管の粘膜面はそれらの抗原しても効果が異なる可能性が高い。しかし、プロバイオに絶えず接している。そのため、腸管は病原体の侵入をティック乳酸菌の免疫刺激・調節効果について乳幼児受けやすく、絶えず感染に備える必要がある。そこで腸期、成熟期の各時期をターゲットにそれぞれに多くの研管には、有害か無害かを判断し有害な抗原（病原菌）の究がなされているものの、両者を包括的に研究した報告

みを効率的に排除するための防御システムが備わっておはほとんどない。プロバイオティック乳酸菌の研究を進り、これを腸管免疫系と呼ぶ。

めるうえで乳幼児期、成熟期の効果や差異を包括的に研究することは、各時期のより適切な摂取量や効果を知る

腸管免疫系は出生児には抗原感作を受けていない未

うえで重要な要素である。

熟な状態である。腸管免疫系の発達には腸内細菌叢による刺激が不可欠であることが無菌マウス等を使用した研

そこで本研究では、異なる免疫刺激能を持つ 2 種類の究により明らかになっている。例えば、腸内細菌を持たプロバイオティック乳酸菌を哺乳期と成熟後のマウスにない無菌マウスでは通常マウスと比較して、小腸および投与し、その腸管免疫系への影響を DNA マイクロアレ

大 腸 粘 膜 固 有 層 の IgA 産 生 細 胞 が 少 な く 腸 管 腔 へ のイにより遺伝子発現を網羅的に解析することで、幼少

2）

sIgA 分泌が少ない ことが知られている。一方、無菌期・成熟期の腸管免疫系に対するプロバイオティック乳

マウスの腸内に細菌を定着させると、小腸および大腸粘酸菌の免疫刺激効果の差異を明らかにすることを目的と

3）

した。

膜固有層の IgA 産生細胞数が増加する 。
発達過程にある乳幼児期の腸管免疫系は、T 細胞やIgA 産生細胞数をはじめ、IgA 分泌量や抗菌ペプチド発材料および方法

現量など多くの点で成熟した腸管免疫系と異なってい供試動物る。例えば、ヒトでは、1 歳半の幼児の糞便中 IgA 濃度

日本 SLC より哺乳期マウスとして 7 日齢の Balb/c マ

は、成人のおよそ半分である（Inoue et al. 未発表デー

ウスを雌雄各 15 頭、成熟マウスとして 7 週齢の Balb/cタ）。マウスの場合では、哺乳期（2 週齢）のマウス小

マウス雌雄 15 頭を購入した。導入後、1 週間の馴致期間

腸における T 細胞（CD3 陽性細胞）数は 5 週齢のもののを設け、哺乳期マウスは 14 日齢で、成熟マウスは 56 日

4）

齢（8 週齢）で実験に使用した。

約半分であり 、IgA 産生細胞数に至っては 1/10 以下で5）ある 。
マウスへの投与試験

プロバイオティック乳酸菌は、乳幼児から老人まで

哺乳期、成熟マウスの両方で対照群、幅広い年齢層に利用（処方）されており、近年では新生

LD（LD: Low Dose）群、児にも利用しはじめられている。例えば、

High Dose）群、

strain GG を 5 ヵ月齢のアトピー性皮膚炎乳
1

LD 群、

HD （HD:井

表1

上

各実験群名、本文中の略記、投与菌株および投与量

群名

哺乳期
マウス
（Suckling）

Control

Control

成熟マウス（Adult）

亮

LD
HD

LD
HD

略記

投与菌株
―

LD
HD

S-Control
S-LG-LDS-LG-HDS-LP-LDS-LP-HD―

LD
HD

A-Control
A-LG-LD
A-LG-HDA-LP-LD
A-LP-HD

表2

HD 群の計 5 群を設定した（表 1）。1 群当たり 6 頭とし、哺乳期マウスは各群の平均体重が均等になるように 7 日
齢で腹仔間で仔の入れ替えを行い、雌雄混合の群とした。成熟マウスは各群それぞれ雄雌 3 頭ずつとした。投し、哺乳期マウスには 100 μl を成熟マウスには 200 μl を

表3

毎日 16 時に投与した。
剖検および試料採取
幼少期マウスは 21 日齢、成熟マウスは 63 日齢（9 週―
1×107 cfu
1×109 cfu
1×107 cfu
1×109 cfu

A株
A株
B株
B株

−
1×107 cfu
1×109 cfu
1×107 cfu
1×109 cfu

成熟マウス

哺乳期マウス

共通

2698
2046

1598
1695

114
40

株投与群において対照群に対して統計的有意（ ＜0.05）な変動がみられた遺伝子数（全55,622 遺伝子中）
成熟マウス

哺乳期マウス

共通

3424
2435

4568
2432

626
89

LD 群
HD 群

齢）で解剖を行った。マウスを全身麻酔下におき、頸部

A株
A株
B株
B株

投与群において対照群に対して統計的有意（ ＜0.05）な変動がみられた遺伝子数（全 55,622
遺伝子中）

LD 群
HD 群

与期間は 7 日間とし、体重に応じて乳酸菌濃度を調整

投与量（体重 100 g 当たり）切開により脱血後、開腹し、回腸を摘出した。回腸は開裂後内容物を除去し、スライドグラスでスクレイプしてブリダイゼーション後のアレイスライドは、洗浄後、専腸管粘膜を採取した。回腸粘膜は RNA

用スキャナで各プローブの蛍光値を測定した。

に浸潤し、4℃で一晩静置した後、−80℃で実験使用時まで保存しマイクロアレイデータは CLC MainWork Bench 6（CLCた。

bio）で標準化を行い、アレイ間の蛍光値の差を補正した。その後、パスウェイ解析（GeneGO）に供するため

腸管粘膜からの全 RNA 抽出に同ソフトウェアを使用して統計解析を行った。パス

QuickGene RNA tissue kit S II（KURABO）を用いて RNA

ウェイ解析は 2 群間比較の統計解析結果を元にするた中で凍結保存した回腸粘膜から全 RNA をめ、哺乳期マウス、成熟マウスそれぞれで対照群と各乳抽 出 し た。 抽 出 方 法 は 添 付 プ ロ ト コ ー ル に 準 拠 し、酸菌投与群で 2 群間比較を行った。各群におけるプロー

QuickGene-Mini 80 を 用 い て 全 RNA を 抽 出・DNase 処

ブごとの蛍光値の平均値の差は -test により解析した。

理を行った。
結DNA マイクロアレイ解析

果

変動遺伝子数抽出した RNA100 ng を使用して cRNA 合成およびラベ

DNA マイクロアレイ解析の結果、各群で発現が対照

ル化反応を行った。操作は全て Low Input Quick Amp群に対して有意に（ ＜0.05）変動した遺伝子の数を表 2、Labeling Kit, one color（Agilent）のプロトコールに従っ

3 に示す。
哺乳期マウスにた。得られた cRNA サンプルは増幅効率およびラベル化を投与した場合を除き、ど効率を確認した後、SurePrint G3 Mouse GE 8x60K の各

ちらの乳酸菌株、投与時期においても高濃度（HD）投アレイに添加し、65℃で一晩ハイブリダイズした。ハイ

与群よりも低濃度（LD）投与群の方がより多くの遺伝
2乳幼児期の未発達な腸管免疫系に対するプロバイオティクスの効果の検証―成熟期の免疫系に対する効果との比較―

を低用量で投与した場合を除き、全て子が有意に変動した。
哺乳期マウスにの乳酸菌投与群で対照群に対して 1,700 から 3,000 遺伝子

を低濃度投与した群（S-LP-LD 群）では、対照群（S-Control 群）に対して変の発現に有意差がみられた。

を低用量で動した遺伝子数が 5,194 個と投与群の中で最も多くの遺投与した場合は、哺乳期で 5,194 遺伝子、成熟期で 4,050

伝子が変動した。成熟マウスに同株を低濃度投与した群遺伝子が対応する日齢の対照群に対し発現量に有意差が（A-LP-LD 群）では対照群（A-Control 群）に対して 4,050

みられ、他の群と比較して顕著に多数の遺伝子の発現に遺伝子の変動がみられ、そのうち哺乳期の投与でも変動変動が確認された。これにより、変動遺伝子だけで判断がみられたものは、626 個であった。

するとの低用量投与が哺乳期、成熟期共に最も効果が高いことが示唆される。また、成熟マウス
パスウェイ解析
文章量の観点から、本項ではにを高用量（HD）、低用量（LD）投与した場

合でも、低用量投与群のほうがより多数の遺伝子が有意LD 群につな発現変動がみられた。このことから、高用量の投与よ

いてのみを示す。
対照群と各乳酸菌投与群で 1.5 倍以上（ ＜0.05）変動

りも低用量のほうがより多くの遺伝子の発現が変動する

した遺伝子を対象として、哺乳期マウス、成熟マウスそ傾向がある、つまり変動遺伝子数からみると低用量投与

れぞれでパスウェイ解析を行った。 値の低い順に 10 個のほうが乳酸菌の投与効果が高い可能性が考えられる。

のパスウェイを挙げたものを表 4〜7 に示す。

これは、高用量投与の場合、投与菌に対する免疫的無応

様々なパスウェイが、S-LP-LD 群で対照群（S-Control

答（寛容）が成立しやすいためではないかと考えられる。

群）に対して上方制御された遺伝子が関わるものとしてこれは同時に、短期間投与の場合は高用量投与の方が高確認された。細胞骨格に関わるパスウェイや、細胞接着

い効果が得られる可能性を示唆しているが、この点は今に関わるパスウェイに加え、Immune response̲MIF-

後検討が必要である。
同じ菌株を同一用量投与した哺乳期、成熟マウスで、

induced cell adhesion といった免疫反応のパスウェイ

対応する日齢の対照群に対して有意に発現量が異なる遺や、成長ホルモンが関与するパスウェイがみられた。
A-LP-LD 群では、補体が関わるパスウェイが挙げら

伝子のうち、共通するものを確認したところ、どちらのれ、また、Immune response̲Immunological synapse

菌株、投与量でも 2–5％程度の遺伝子しか共通しておらformation のように抗原提示・細胞遊走に関わるパス

ず、ほとんどの遺伝子は投与時期特有に変動する遺伝子

ウェイもみられた。A-LP-LD 群でも、S-LP-LD 群と共であることがわかった。また、共通している場合でも、通して上方制御されるパスウェイは見られなかった。

哺乳期では上方制御されるが成熟後では下方制御される

下方制御された遺伝子が関わるパスウェイとしては、

HSP70 のような遺伝子も存在した。このことから、同

S-LP-LD 群では、細胞周期に関わるパスウェイである

じ菌株を同用量投与したとしても哺乳期と成熟マウスでCell cycle̲Cell cycle（generic schema）などがみられは変動する遺伝子が全く異なることが示された。

た。一方、S-LP-LD 群で上方制御されていた細胞骨格にパスウェイ解析関わるパスウェイは、A-LP-LD 群では下方制御されるものとして確認された。しかし、MyHC 遺伝子が S-LP-

パスウェイ解析の結果、日齢、菌株、用量の違いでLD 群で上方制御される遺伝子として共通してみられた

多くの異なるパスウェイが変動することが明らかになっ以外は、共通して変動する遺伝子は確認されなかった。

た。特に、哺乳期と成熟マウスで変動するパスウェイ
は、投与菌の種類、投与用量を問わず共通するものはほ考

察

とんど認められなかった。一方で、成熟マウスでは変動遺伝子数

A-LG-LD 群を除く 3 群で補体に関わるパスウェイの上

DNA マイクロアレイ解析の対象遺伝子は 5 万以上と方制御が見られた。補体は感染に対する初期防御に必要

非常に多数にわたるため、プロバイオティック乳酸菌のな要素である。また、胆汁酸代謝に関わるパスウェイは投与効果の概要を掴むことを目的に、上方、下方制御を

どちらの菌株でも高用量投与をした場合に共通して下方問わず各群で発現量が対応する日齢の対照群に対して有制御され、低用量を投与した場合には多機能性サイトカ

意に異なる遺伝子数を算出した。

インであるオンコスタチン M が関わるパスウェイが共3

哺乳期マウスの4230

1.679E-05
2.127E-05
2.955E-05
3.800E-05

Development̲WNT signaling pathway. Part 2

Blood coagulation̲GPCRs in platelet aggregation

Development̲Growth hormone signaling
MAPK cascades
Cell adhesion̲Gap junctions

4

5

10

7

6

7

9

8

12

TRIO, Talin, Filamin A, CCL2, Tcf（Lef）,c-Src, Actin, G-proteinalpha-i family, c-Jun, IL8RB
MLCP（reg）,Filamin A, MyHC, Actin, MRLC

Tubulin beta, Tubulin alpha, PKC, c-Src, Actin, Tubulin（inmicrotubules）
AP-1, CCL2, c-Src, G-protein alpha-i family, c-Jun, MKP-1, IL8RB

TRIO, Talin, MLCP（reg）,Filamin A, eIF4G1/3, MyHC, Tcf（Lef）,
c-Src, TGF-beta receptor type II, eIF4G3, MRLC, c-Jun
EGR1, AP-1, HDAC4, ATF-3, c-Src, PKC-epsilon, Adenylate cyclase,c-Jun, MKP-1, FosB
Talin, MLCP（reg）,Tcf（Lef）, c-Src, Dsh, WNT, Actin, TGF-beta
receptor type II, MRLC, TCF7 L2（TCF4）, Frizzled, c-Jun
Casein kinase I epsilon, Tcf（Lef）,Dsh, WNT, TCF7 L2（TCF4）,
Frizzled, c-Jun, WNT1Talin, MLCP（reg）,G-protein alpha-z, SNAP-23, ITGB3, G-proteinalpha-i family, G-protein alpha-i2, Adenylate cyclase, MRLC
EGR1, IRS-2, Elk-4, IRS-1, C/EBPbeta, c-Src, c-Jun

6.474E-09
2.300E-07
2.516E-07
1.014E-06
1.715E-06
1.407E-05
1.975E-05
4.213E-05
6.029E-05
6.029E-05

Immune response̲BCR pathway

Immune response̲PIP3 signaling in B lymphocytes

Immune response̲Lectin induced complement pathway
Immune response̲Classical complement pathway
Immune response̲NFAT in immune response

Apoptosis and survival̲APRIL and BAFF signaling

Immune response̲Immunological synapse formation

Immune response̲NF-AT signaling and leukocyte interactions

Immune response̲MIF-the neuroendocrine-macrophage connector

値

46

46

59

39

49
52
51

42

54

88

7

7

8

7

9
9
8

9

10

14

総遺伝子数 変動遺伝子数

CYP51A1, SC4MOL, FDFT1, PMVK, HMGCS1, MVD, FDPS, LSS,
ERG1, MVK, HMDH, NSDHL, ER24, IDI1
Syk, PKC-beta, CD79 complex, PI3K cat class IA, Calcineurin A（catalytic）,CD45, AKT（PKB）,CD21, CD19, VAV-1
Syk, PKC-beta, CD79 complex, PI3K cat class IA, CD45, AKT（PKB）,
PLC-beta, CD19, VAV-1
C2, C4a, CD21, C2b, C4, C2a, C3 convertase（C2aC4b）,C4b, Clusterin
C2, C4a, CD21, C2b, C4, C2a, C3 convertase（C2aC4b）,C4b, Clusterin
Syk, MHC class II, CD79 complex, PI3K cat class IA, Calcineurin A（catalytic）,AKT（PKB）,VAV-1, NF-AT
TACI（TNFRSF13B）,Calcineurin A（catalytic）,CD21, CD23, TRAF5,
BAFF-R, NF-AT2（NFATC1）
MHC class II, PI3K cat class IA, Rac2, ICAM2, SKAP55, CD2, VAV-1,
CXCR4
MHC class II, CD79 complex, Calcineurin A（catalytic）, CD40（TNFRSF5）,cPLA2, NF-AT2（NFATC1）, NF-ATcPKC（conventional）, MHC class II, PKC, PLC-beta, PLA2, cPLA2,
Adenylate cyclase type VII

変動遺伝子

LD 群が対照群（A-Control）に対して 1.5 倍以上高い発現を示した遺伝子（ ＜0.05）が関わるパスウェイ

Cholesterol Biosynthesis

Pathways

成熟マウスの

23

100

6.016E-05
1.140E-04

46

5.446E-05

71

53

111

10

12

変動遺伝子

上

表5

Cytoskeleton remodeling̲Regulation of actin cytoskeleton by Rho
GTPases

Immune response̲MIF-induced cell adhesion, migration andangiogenesis
Cell adhesion̲Chemokines and adhesion

PI3K/AKT and

4.845E-06

Cytoskeleton remodeling̲TGF, WNT and cytoskeletal remodeling72

3.159E-06

Reproduction̲GnRH signaling102

総遺伝子数 変動遺伝子数

1.969E-06

値

LD 群が対照群（S-Control）に対して 1.5 倍以上高い発現を示した遺伝子が関わるパスウェイ

Cytoskeleton remodeling̲Cytoskeleton remodeling

Pathways表4

井亮

1.459E-03
1.459E-03

Cell cycle̲Regulation of G1/S transition（part 2）
Apoptosis and survival̲NGF signaling pathway

26
26

51

23
47

17
38
21
34

58

5
5

7

5
7

5
7
5
6

11

総遺伝子数 変動遺伝子数
Casein kinase II, alpha chains, PRKAR2A, PP2A regulatory, PKA-reg
type II（cAMP-dependent）,PKA-reg（cAMP-dependent）,PP2C,AMPK alpha 1 subunit, PDE4D, Filamin B（TABP）, PP2A
structural, AMPK beta subunit
CBP, PIAS1, PIAS2, AKT（PKB）, SAE1TR-alpha, CBP, MBD2, PCAF, MTA3, NRSF, MTA1
E2F5, DP1, p107, CDK2, CDK6
IGF-1 receptor, Fyn, G-protein alpha-12 family, DBS, Ephrin-A
receptors, Ephrin-A
DBS, MR-GEF, B-Raf, AKT（PKB）,RalA
AMPK alpha subunit, CPT-1A, AKT2, PKA-reg（cAMP-dependent）,
AKT（PKB）, AMPK beta subunit, C/EBPalphaPP2A regulatory, PKA-reg type II（cAMP-dependent）,G-proteinalpha-12 family, PKA-reg（cAMP-dependent）,AKAP11, PDE4D,
G-protein alpha-13
AKT（PKB）, DP1, p107, CDK2, CDK6AKT（PKB）, ICAD, GAB1, Nucleophosmin, DFF40（CAD）

変動遺伝子

5
102

1.588E-05

Cell adhesion̲Integrin-mediated cell adhesion and migration
Androstenedione and testosterone biosynthesis and metabolism p. 2
Immune response̲Oncostatin M signaling
MAPK in mousecells
Immune response̲Oncostatin M signaling
MAPK in humancells
Translation̲Non-genomic（rapid）action of Androgen Receptor
Transcription̲Androgen Receptor nuclear signaling
Signal transduction̲Activation of PKC
G-Protein coupled
receptor

36

1.137E-05

Androstenedione and testosterone biosynthesis and metabolism
p. 2/ Rodent version
Cytoskeleton remodeling̲Cytoskeleton remodeling
48
35
35
37
40
45
52

6.213E-05
1.368E-04
1.368E-04
1.795E-04
2.617E-04
4.586E-04
8.997E-04

111

4.358E-06

Cytoskeleton remodeling̲TGF, WNT and cytoskeletal remodeling

5
5
5

5

6
5
5

9

6

10

総遺伝子数 変動遺伝子数値

Pathways

SOS, ERK2（MAPK1）, SRD5A1, Dsh, WNTSOS, ERK2（MAPK1）, SRD5A1, Dsh, WNT
PKC-theta, PLC-beta, MELC, MLCK, ERK1/2

MMP-13, SOS, ERK2（MAPK1）,C/EBPbeta, ERK1/2

VEGFR-2, MMP-13, SOS, ERK2（MAPK1）,MELC, MyHC, MYLK1,
MLCK, ERK1/2
ERK2（MAPK1）, MELC, MyHC, MYLK1, MLCK, ERK1/2
UGT1A1, AKR1C4, UGT2A1, SRD5A1, UGT1A10
MMP-13, SOS, ERK2（MAPK1）,C/EBPbeta, ERK1/2

VEGFR-2, MMP-13, SOS, ERK2（MAPK1）,MELC, MYLK1, Dsh,
WNT, MLCK, ERK1/2
UGT1A1, AKR1C4, UGT2A1, SRD5A1, UGT1A10, UGT1A7C

変動遺伝子

LD 群が対照群（A-Control）に対して 1.5 倍以上低い発現を示した遺伝子（ ＜0.05）が関わるパスウェイ

1.385E-03

Signal transduction̲PKA signaling

成熟マウスの8.100E-04
8.428E-04

G-protein signaling̲Cross-talk between Ras-family GTPases
Development̲Leptin signaling
PI3K-dependent pathway

表7

1.755E-04
2.184E-04
5.173E-04
7.898E-04

DNA damage̲Role of SUMO in p53 regulation
Transcription̲Sin3 and NuRD in transcription regulation
Cell cycle̲Cell cycle（generic schema）
G-protein signaling̲RhoA regulation pathway

値

LD 群が対照群（S-Control）に対して 1.5 倍以上低い発現を示した遺伝子（ ＜0.05）が関わるパスウェイ

2.586E-06

Pathways

哺乳期マウスのRegulation of CFTR activity（normal and CF）

表6

乳幼児期の未発達な腸管免疫系に対するプロバイオティクスの効果の検証―成熟期の免疫系に対する効果との比較―

井

上

亮

通して下方制御された。哺乳期マウスでも、同じように程度異なるのかは用法・用量も含めほとんど知見がな

Ras ファミリーの GTPases が様々な生理反応を誘導するかった。本研究の成果は、時期に応じた適切な用法・用際に変動するパスウェイがどちらの菌株でも低用量を投量を知るための最初の科学的知見であり、これは新生与した際に下方制御された。

児・小児医療現場における効果的なプロバイオティクスの利用方法や新たな利用方法の探索への第一歩であるとこれらのことは、乳酸菌株、用量が同じであっても期待される。

腸管免疫の成熟度が異なれば、全く異なる影響がでることを示唆しており、同時に、菌株が異なっていても日齢謝が同じであれば共通の反応が誘導され得ることも示唆し辞ている。同じ菌株を発達過程と成熟後に投与しても、異本研究は、公益財団法人三島海雲記念財団平成 25 年

なる菌株を同じ日齢に投与するよりも大きく効果が異な度学術研究奨励金の助成により実施されました。助成しると考えられる。

て頂きました公益財団法人三島海雲記念財団および関係者の方々に深謝致します。

ま と め
参考文献

本研究により、発達過程にある腸管免疫系と、成熟した免疫系では同じプロバイオティック乳酸菌を摂取し

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6） M. Kalliomäki, et al.:
, 361, 1869–1871, 2003.

ても効果が大きく異なることが示された。この理由として、緒言でも述べたように、哺乳期と成熟後では免疫細胞の数をはじめとして、抗原を取り込む器官であるパイ
エル板の成熟程度など多くの点で免疫系の状態が異なっていることが挙げられる。プロバイオティック乳酸菌は年齢層に関わらず日常的に利用されているものの、腸管免疫系が未発達である乳幼児に対する効果が大人とどの6