魚には脳内微生物叢があります。人間もそれを持つことができるでしょうか?

この物語のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

細菌は私たちの内部、周囲、そして全身に存在します。深海の熱水噴出孔から雲の上、耳、口、鼻、腸の隙間まで、地球のほぼあらゆる場所で生息しています。しかし科学者たちは長い間、バクテリアは人間の脳内では生存できないと考えてきた。強力な血液脳関門のおかげで、臓器は外部からの侵入者からほとんど守られていると考えられています。しかし、健康な人間の脳には独自のマイクロバイオームが存在しないと確信できるでしょうか?

過去 10 年間にわたり、初期の研究では相反する証拠が示されてきました。潜在的な微生物の研究に使用できる、汚染されていない健康な人間の脳組織を入手することが難しいことを考えると、このアイデアは依然として物議を醸している。

最近、ある研究が出版されました。 科学の進歩 これは、脳マイクロバイオームが健康な脊椎動物、特に魚に存在する可能性があり、実際に存在するというこれまでで最も強力な証拠を提供した。ニューメキシコ大学の研究者らは、サケやマスの脳内で繁殖する細菌群集を発見した。微生物種の多くは、脳組織内で生存できるようにする特別な適応と、血液脳関門を通過する技術を備えています。

コロラド大学ボルダー校でヒトのマイクロバイオームを研究している生理学者のマシュー・オルム氏は、この研究には関与していないが、微生物の集団が脳内に生息できるという考えには「本質的に懐疑的」だと述べた。しかし、彼は新しい研究が説得力があると感じました。 「これは脳内マイクロバイオームが脊椎動物に確かに存在することを示す具体的な証拠だ」と同氏は述べた。 「したがって、人間が脳内マイクロバイオームを持っているという考えは突飛なものではありません。」

魚の生理機能は多くの点で人間の生理機能と似ていますが、いくつかの重要な違いがあります。それでも、「これが哺乳類と私たちに関係があるかどうかを考えることは、間違いなく、新たな比重を置くことになる」と、コロラド大学ボルダー校で神経変性疾患の分子基盤を研究しており、同じく実験には関与していないクリストファー・リンク氏は言う。作品。

人間の腸内マイクロバイオームは体内で重要な役割を果たし、脳と通信し、腸-脳軸を通じて免疫システムを維持します。したがって、微生物が神経生物学においてさらに大きな役割を果たす可能性があると示唆するのは、まったく突飛な話ではありません。

微生物を捕まえる

アイリーン・サリナスは何年もの間、鼻と脳の間の距離は非常に近いという単純な生理学的事実に魅了されてきました。ニューメキシコ大学で働く進化免疫学者は、腸内壁や鼻腔などの人間版のシステムがどのように機能するかをより深く理解するために、魚の粘膜免疫システムを研究しています。彼女が知っているように、鼻には細菌が多く存在しており、細菌は脳に「本当に、本当に近い」場所にあり、匂いを処理する嗅球からわずか数ミリメートルの距離にあります。サリナスさんは、細菌が鼻から嗅球に漏れているのではないかという予感を常に抱いていた。長年の好奇心を経て、彼女は大好きなモデル生物である魚についての疑惑に立ち向かうことにしました。

サリナスと主著者アミール・マニを含む研究者チーム 研究は、野生で捕獲されたものと彼女の研究室で飼育されたものを含む、マスとサケの嗅球から DNA を抽出することから始めました。彼らは、データベース内の DNA 配列を検索して微生物種を特定することを計画しました。

しかし、この種のサンプルは、研究室や魚の体の他の部分からの細菌によって簡単に汚染されており、それが科学者がこのテーマを効果的に研究するのに苦労している理由です。もし嗅球の中に細菌のDNAが見つかったとしたら、それが本当に脳に由来するものであることを彼ら自身や他の研究者に納得させなければならないだろう。

それらの根拠をカバーするために、サリナスのチームはこの魚の全身のマイクロバイオームも研究した。彼らは魚の残りの脳、内臓、血液をサンプリングした。彼らは、発見した細菌が脳組織自体に存在することを確認するために、脳の多くの毛細血管から血液を抜き取りました。

「戻ってやり直さなければならなかった [the experiments] 念のために何度も何度も」とサリナス氏は語った。このプロジェクトには 5 年かかりましたが、初期の段階でも、魚の脳が不毛ではないことは明らかでした。

サリナス氏の予想どおり、嗅球にはいくつかの細菌が存在していた。しかし、脳の残りの部分にはさらに多くの機能があることを知って彼女はショックを受けました。 「脳の他の部分には細菌がいないだろうと思っていました」と彼女は言う。 「しかし、私の仮説は間違っていたことが判明しました。」魚の脳には大量の細菌が存在するため、顕微鏡で細菌細胞を見つけるのにわずか数分しかかかりませんでした。追加のステップとして、彼女のチームは微生物が脳内で活発に生きていることを確認した。彼らは休眠していたり死んでいたりしませんでした。

オルムは彼らの徹底したアプローチに感銘を受けました。サリナス氏と彼女のチームは、「さまざまな方法をすべて使用して、同じ質問に丸をつけました。そのすべてが、実際にサケの脳内に生きた微生物が存在するという説得力のあるデータを生み出しました」と彼は述べた。

しかし、もし存在するとしたら、どうやってそこにたどり着いたのでしょうか?

要塞への侵入

研究者たちは、魚を含むすべての脊椎動物には血液脳関門があるため、脳にマイクロバイオームが存在する可能性には長い間懐疑的でした。これらの血管と周囲の脳細胞は、一部の分子のみの脳への出入りを許可し、侵入者、特に細菌などのより大きな分子の侵入を防ぐ門番として機能するように強化されています。そこでサリナスさんは当然、自分の研究室の脳がどのようにして植民地化されたのか疑問に思った。

彼女の研究室は、脳から採取した微生物の DNA を他の臓器から収集した DNA と比較することにより、体内の他の場所には存在しない種のサブセットを発見しました。サリナス氏は、これらの種は血液脳関門が完全に形成される前の発生初期段階で魚の脳に定着した可能性があると仮説を立てた。 「早い段階では、何でも入り込む可能性があります。それは無料です」と彼女は言いました。

しかし、多くの微生物種は体内にも存在していました。彼女は、魚の脳マイクロバイオームのほとんどの細菌は血液と腸に由来し、継続的に脳内に漏れ出ているのではないかと考えています。

「植民地化の第一波の後は、出入りするための特定の機能が必要になります。」と彼女は言いました。

サリナス氏は、細菌が通過できる特徴を特定することができました。分子の通過を可能にする障壁の小さなドアのような接合部を開閉できるポリアミンとして知られる分子を生成するものもあります。他の細菌は、体の免疫反応を回避したり、他の細菌と競合したりするのに役立つ分子を生成する可能性があります。

サリナスさんはその行為中に細菌に感染したこともあった。彼女は顕微鏡の下で観察し、血液脳関門内で時間とともに凍結した細菌の画像を捉えました。 「文字通り、横断の途中でそれをキャッチしました」と彼女は語った。

微生物が脳組織内で自由に生きているのではなく、免疫細胞に飲み込まれている可能性があります。それは「この論文の最も退屈な解釈」であろう、とオルム氏は述べ、魚がバクテリアを封じ込めることでバクテリアの生息に適応してきたことを示唆することになるだろう。

しかし、細菌が自由に生きている場合、脳を超えて体のプロセスに関与する可能性があります。人間の腸内マイクロバイオームが消化器系や免疫系の調節に役立つのと同じように、微生物が生物の生理機能の側面を積極的に調節している可能性があるとサリナス氏は示唆した。

もちろん、魚は人間ではないが、公平な比較が可能になる、とサリナス氏は言う。そして、彼女の研究は、魚の脳に微生物が住んでいるのであれば、私たちにも微生物が住んでいる可能性があることを示唆しています。

難攻不落かどうか？

細菌は人間のほぼすべての臓器系に生息していることが発見されていますが、多くの科学者にとって脳は一歩先を行きすぎています。ダブリン市立大学で血液脳関門を研究しており、今回の新たな研究には関与していないヤノシュ・ヘラー氏は、血液脳関門は伝統的に「通過不可能」とみなされてきたと述べた。さらに、脳には、潜在的に有害な侵入者を排除するために長時間働いている免疫細胞があります。人間の脳内で微生物が発見された場合、それらは活動性感染症に関連しているか、通常はアルツハイマー病などの病気によるバリアの破壊に関連しています。

この仮定は 2013 年に疑問視され、HIV/AIDS の神経学的影響を研究している科学者たちが、病気の人と健康な人の両方の脳内に細菌の遺伝的ヒントを発見しました。この発見は、病気がない場合でも人間は脳内マイクロバイオームを持っている可能性があることを初めて示唆した。

「10年前には誰も信じていませんでした」とヘラー氏は語った。追跡調査はそれほど多くはありませんが、結論が出ていません。 「微生物のDNAは基本的にどこにでも存在するため、微生物が存在すると思い込むのは非常に簡単です」とオルム氏は言う。 「したがって、それが存在することを私に納得させるには、多くの証拠が必要になるでしょう。」

この魚の実験は、人間の脳マイクロバイオームが不可能ではないことを彼や他の研究者に確信させた。しかし、健康な人に害を与えずにそれを確認することはほぼ不可能です。根拠を築くために、リンク氏はげっ歯類で魚の実験を繰り返すことを提案した。 「このプロトコルはマウスの脳に非常に簡単に適応できるはずです」とサリナス氏は言い、実際に彼女のチームはその研究を開始した。彼らは、微生物が健康なマウスの嗅球に存在し、程度は低いが脳全体に存在するという初期のヒントを発見した。

「魚がそれらを持っているとしても、あなたがそれらを持っていない、またはネズミがそれらを持っていないという理由はありません」とリンクは言いました。微生物が魚の血液脳関門を通過して魚の脳内で生き残るように適応したのであれば、私たちの体内でも同じことができるかもしれない。魚類と同じレベルでそれらが存在する可能性は低いと彼は付け加えた、「しかし、それは全く存在しないという意味ではありません。」

たとえ少数であっても、常在微生物は私たちの脳の代謝や免疫システムに影響を与える可能性があるとリンク氏は述べた。それらが本当に存在する場合、これは、私たちが存在を知らなかった神経学的調節の追加の層を示唆することになります。微生物が私たちの神経生物学に影響を与えていることはすでにわかっています。現在、腸内の微生物は、消化器系を曲がりくねった腸ニューロンによって感知される代謝産物を生成することによって、腸-脳軸を介して脳の活動を調節しています。

脳内の細菌が私たちの生理機能に直接影響を与えているということは、証明されていないものの、興味深い命題です。しかし、サリナス氏のような研究のおかげで、健康な人間の脳にも微生物が存在する可能性があるという考えを受け入れる科学者が増えています。

“なぜだめですか？”ヘラー氏は語った。 「彼らがそこにいることにもうショックを受けていません。」さらに興味深い疑問は、「それらはすべて理由があってそこにあるのか、それとも誤ってそこにあるのか?」ということだ、と彼は言う。

この記事は元々、サイモンズ財団が科学に対する一般の理解を高めるために立ち上げた、編集的に独立したオンライン出版物である QuantaMagazine.org によって公開されたものです。