カルニチン代謝：新規喘息治療ターゲット？

 喘息患者の尿中メタボロームから、喘息をコントロールするための新たな介入のターゲットとなりうるエネルギー代謝の根本的な違いを特定とのこと、具体的には、カルニチンらしいが・・・

Urinary metabotype of severe asthma evidences decreased carnitine metabolism independent of oral corticosteroid treatment in the U-BIOPRED study, 

Stacey N. Reinke et al, 

European Respiratory Journal (2021). DOI: 10.1183/13993003.01733-2021

https://erj.ersjournals.com/content/59/6/2101733

【序文】 喘息は、表現型の定義が曖昧な異質な疾患である。重症の喘息患者は、経口コルチコステロイド（OCS）を含む複数の治療を受けていることが多い。治療により、観察される代謝型が変化する可能性があり、疾患の基礎的なメカニズムを調査することは困難である。ここでは、喘息の重症度と投薬との関連で調節された代謝過程を同定することを目的とした。

【方法】 U-BIOPREDの横断的コホートにおいて、健常者（n=100）、軽度から中等度の喘息患者（n=87）、重度の喘息患者（n=418）からベースラインの尿を前向きに収集し、重度の喘息患者（n=305）から12-18ヶ月の縦断的サンプルを収集した。メタボロミクスデータは高分解能質量分析計を用いて取得し、単変量および多変量解析法を用いて分析した。

【結果】 合計90種類の代謝物が同定され、40種類が重症喘息で、23種類がOCS使用で有意に変化した（p<0.05、偽発見率<0.05）。 

多変量解析の結果、健常者と軽度から中等度の喘息患者で観察された metabotypeは、重度の喘息患者の metabotypeと有意に異なる（p=2.6×10^-20）。OCS治療喘息患者は非治療の患者と有意に異なる（p=9.5×10^-4）。 

metabotypeは経時的に安定であることが示された。 

カルニチンレベルは、重症喘息において、OCSに独立した、最も強い減少を示した。 

喀痰・気道ブラッシングにおいて、カルニチン値減少は、脂肪酸代謝のpathway enrichment scoreの減少、 carnitine transporter SLC22A5の発現減少を介し、ミトコンドリア機能障害と相関した。

代謝物量の階層的クラスター分析（HCA）。HCA は多変量 Spearman 相関距離法と Ward のグループ連結法を用いて行った。黒文字：一変量解析でも多変量解析でも有意でない代謝物、赤文字：一変量解析および/または多変量解析で有意な代謝物。*b) 結果として得られたクラスタの対数変換およびzスケールデータの平均値（95％CI）を臨床群に対してプロットしたもの。HC：健康な対照群、MMA：軽度から中等度の喘息、SAns：重度の喘息非喫煙者、SAs：重度の喘息元喫煙者、L：縦断的データ。

経口コルチコステロイド（OCS）の使用により層別化した重症喘息の非喫煙患者を用いた主成分-正準変量解析（PC-CVA）。クロスバリデーションにより、5つの主成分がCVAモデルで使用する最適な数であることが示された（補足図E2）。 a）臨床クラスでラベル付けされたベースラインデータのスコアプロット、b）ベースラインモデルに投影した重症喘息群の縦断的データ。赤：健常対照者（HC）、黄：軽度～中等度喘息（MMA）、緑：重症喘息非喫煙者（SAns）、青：OCS治療を受ける重症喘息非喫煙者（SAns+OCS）、L：縦断データ、黒丸：各ベースライン群の平均、黒点：各縦断群の平均、実線丸：ベースライン群の平均、黒丸：ベースライン群の平均の95％CI。実線円：ベースライン群の平均の95％信頼区間、破線円：経時的な平均の95％信頼区間。c) loadings plot は、モデルに有意に（p<0.05）寄与した代謝物を表示する。代謝物の位置は、canonical variate (CV) 1 (x-axis) と CV2 (y-axis) における効果の大きさと方向を表示します。代謝物の象限位置は、スコアプロットにおける臨床群の象限位置と関連している。つまり、代謝物は同じ象限を持つ臨床群で最も多く存在することになります。代謝物の色分けは、図1で確認された対応するクラスターに基づいて、図の凡例に従って行われています。
 

【結論】 これは、喘息における疾患とOCSに関連した代謝の違いを明らかにした最初の大規模研究である。観察された代謝型に異なる治療法が広く関連していることから、治療および代謝に特異的な潜在的調節効果を評価する必要性があることが示された。カルニチン代謝の変化は、OCS治療に依存しない潜在的な治療標的であり、重症喘息におけるミトコンドリア機能不全の役割を強調するものである。

牛豚肉レッドミート：カルニチン由来腸内細菌叢TMAO産生で動脈硬化促進

牛や豚肉のような"red meat"ではカルニチンやコリンを多く含む。そして、腸内細菌を介してTMAOのような動脈効果促進性物質増加する

Intestinal microbiota metabolism of L-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis
Nature Medicine volume 19, pages 576–585 (2013)


主にカルニチンからの腸内細菌叢によるTMA及びTMAO産生が重要で、コリンからのものではなさそうという報告

「カルニチン」論争再燃？


トリメチルアミン-N-オキシド：　trimethylamine N-oxide (TMAO)

食品中に含まれるレシチン(コリン)が腸内細菌によりトリメチルアミン(TMA)に代謝され、さらに肝臓においてFMO酵素によりTMAOへと代謝され、これがマクロファージを変化させアテローム性動脈硬化などの心血管疾患に結びついているとする論文がある。また赤肉などに含まれるカルニチンも同様に腸内細菌－肝臓代謝を経てTMAOとなり、これがアテローム性動脈硬化のリスクを高めているという報告もある。

Wiki


慢性の食事パターン上のTMAOの値、代謝、腎排泄の心血管リスク増加インパクトと腸管microbiotaの中間代謝産物：γ役割ブチロベタイン（γBB）、経口l-カルチニンサプリメントのγBB産生、TMA/TMAOへの異化についての検討

• TMAO値、代謝、腎排泄へ食事のインパクトは？
• TMAお値を減少/回復しCVDリスク減少するための介入は存在するか？

 "Impact of chronic dietary red meat, white meat, or non-meat protein on trimethylamine N-oxide metabolism and renal excretion in healthy men and women"
Eur Heart J 2018
DOI: 10.1093/eurheartj/ehy799.

ボランティア(n=113)：ランダム化2-arm(高-、低-飽和脂肪)交叉デザイン研究
各々のarmで、３つの４週間等カロリー食（washout期間を各々設ける）を評価
蛋白は25%カロリーmetabolic kitchenで全食事準備
red meat、white meat、非meat蛋白のTMAO代謝への影響を検討

TMAOと他の代謝関連TMAを各食事期間最終で定量化
重isotope tracerにてランダムsubset(n=13)を設定調査

red meat慢性食では、white meatや非meat食とは異なり、血中・尿中TMAO増加（２倍超 P＜0.0001)
red meat食はTMAOのfractional腎排出減少(P＜0.05)するも、逆にカルニチン排泄増加、2つの腸管microbiota-産生代謝産物carnitine, γ-butyrobetaine,とcrotonobetaineは増加 (P ＜ 0.05)

経口アイソトープ暴露にてred meat、white meat( vs. 非-meat)では、カルニチンからのTMA及びTMAO産生は増加 (P ＜ 0.05)するが、choline. Dietary-saturated fat はTMAOやその代謝産物へインパクトなさなかった


慢性的red meat食では、全身性にTMAO値増加する
(i) 食事由来前駆物質増加
(ii)カルチニンからのmicrobitaによるTMA/TMAO産生増加で、コリン由来ではない 
(iii) 腎TMAO 排泄減少

red meat中止４週間内に血中TMAOは減少する