個別化モデルが拓く未来：腸内細菌「C. diff」の感染リスクを予測し、あなたに合ったプロバイオティクスで予防

C. diffは、病院や長期介護施設などを中心とした医療関連感染症の主な原因菌として知られています。しかし、この菌を保有していても誰もが発症するわけではありません。驚くことに、私たちの30～40%は、今この瞬間も腸内にこの菌を保有しているとされています。C. diffは科学者が「日和見病原菌」と呼ぶ存在で、命を脅かす病気を引き起こす能力を持ちながら、普段は腸内で静かに共生し、抗生物質の使用後など、特定の条件下で活動を開始し、深刻な事態を引き起こします。もし、この感染が本格化する前にリスクを特定できたらどうでしょうか？

2025年8月6日に『Cell Systems』誌で発表された新しい研究で、システム生物学研究所（ISB: Institute for Systems Biology）の研究者たちは、個人の腸内にC. diffが定着しやすいかどうかを予測し、特定のプロバイオティクス治療がその定着を防いだり、あるいは改善したりできるかを検証するための、強力な個別化モデリングの枠組みを開発しました。この論文は、「Personalized Clostridioides difficile Colonization Risk Prediction and Probiotic Therapy Assessment in the Human Gut（ヒト腸内におけるクロストリディオイデス・ディフィシル定着リスクの個別化予測とプロバイオティクス治療評価）」と題されています。

「C. diffは日和見菌です。腸内で静かに潜伏し、条件が整うと病気を引き起こす準備ができています。もし私たちがその『機会』を奪うことができれば、脅威を無力化できるのです」と、ISBの上級著者であり准教授のショーン・ギボンズ博士（Dr. Sean Gibbons）は述べています。「これは、病気が始まってから対処するのではなく、発症前に予防するための道筋を示してくれます。」

研究チームは、共同上級著者であるクリスチャン・ディーナー博士（Dr. Christian Diener）（現在はグラーツ医科大学の助教）によってISBで開発された、マイクロバイオーム規模の代謝モデルを使用して、15,000以上のヒト腸内マイクロバイオームサンプル内でC. diffがどのように振る舞うかをシミュレートしました。このモデルは、個々の腸内細菌や代謝組成のユニークな特徴に基づき、「高増殖」「中等度増殖」「増殖なし」という3つの定着状態を特定しました。

研究者たちは、ヒトの腸内細菌からなる合成された実験室ベースのコミュニティでC. diffの侵入実験を行い、どのコミュニティが感受性を持ち、どれが抵抗性を持つかを正確に予測できることを見出しました。さらに、C. diffの定着動態が既知のヒトの時系列データや、再発性C. diff感染症患者の糞便移植前後のデータにおいても、C. diffの定着を正確に予測できることを示しました。

C. diff抑制のメカニズムをより深く理解するため、研究者たちは、再発性C. diff感染症を解消することが知られている特定のプロバイオティクスカクテルが、C. diffの増殖を促進する主要な代謝物—コハク酸（succinate、ジカルボン酸の一種）、トレハロース（trehalose、糖の一種）、オルニチン（ornithine、アミノ酸の副産物）など—をめぐって競合することで、その増殖を抑制することを示しました。

また、このプロバイオティクスカクテルは、特定のマイクロバイオータの状況下ではモデル予測されたC. diffの増殖をより効果的に抑制する一方で、他の状況下では効果が低いことも明らかになり、応答者と非応答者の存在が示唆されました。自然に抵抗性を持つマイクロバイオータのモデル出力を調べることで、著者たちは、フォカエコーラ（Phocaecola）属のような優勢なグラム陰性嫌気性菌属をシミュレーション上のプロバイオティクスカクテルに含めることで、モデル予測されるC. diff増殖抑制効果がさらに向上することを発見しました。これらの結果は、個別化され、モデルによって予測されたプロバイオティクスが、C. diffの抑制を改善し、非応答者の割合を減らす可能性を示唆しています。

「この研究は、私たちを『精密プロバイオティクス』—つまり、一人ひとりの腸内エコシステムを考慮した、オーダーメイドの介入—に一歩近づけるものです」と、論文の筆頭著者であり、ISBのギボンズ研究室のポスドク研究員であるアレックス・カー博士（Dr. Alex Carr）は語ります。「最終的な目標は、C. diffのような日和見菌が害を及ぼす前に、それらを腸内から除去することです。」

この発見は、C. diff感染症を減らすための即時的な意味合いを持つと同時に、他の日和見病原菌を積極的に管理するための長期的な可能性も秘めています。また、モデルに基づいたこれらの介入は臨床試験での検証が必要ですが、各患者の腸内マイクロバイオームに個別化された、よりスマートで標的を絞ったプロバイオティクス治療を設計するための青写真を提供します。

「単に腸内に微生物を大量に送り込んで最良の結果を期待するのではなく、私たちは今やモデルを使って、適切な人に適切なプロバイオティクスを組み合わせることができます」と、ギボンズ博士は言います。「これは、腸内マイクロバイオームの機能を合理的に設計するためのシステム生物学的なアプローチであり、マイクロバイオームを介した治療法の有効性を向上させる上で、非常に大きな可能性を秘めていると私たちは考えています。」

ISBについて

システム生物学研究所（ISB）は、シアトルを拠点とする協力的かつ学際的な非営利の生物医学研究機関です。私たちは、老化、脳の健康、がん、慢性疾患、感染症など、人間の健康における最も差し迫った問題のいくつかに焦点を当てています。私たちの科学はトランスレーショナル（橋渡し研究）であり、現実世界の臨床的インパクトをもたらす健全な科学研究を推進しています。ISBは、米国最大級の非営利医療システムの一つであるプロビデンスの関連機関です。

画像：クロストリディオイデス・ディフィシル

[News release] [Cell Systems abstract]