豚の出生時体重区分と新生児栄養との関連における血清メタボローム特性解析

Serum Metabolomic Characterization in Pigs in Relation to Birth Weight Category and Neonatal Nutrition.

抄録

本研究の目的は、低出生体重（LBW）および正常出生体重（NBW）の子豚において、離乳前の栄養制限を行った場合と行わなかった場合の発達の違いを、血清メタボロームプロファイル分析を用いて明らかにすることであった。分娩時に112頭の子豚をLBW（1.22±0.28kg）またはNBW（1.70±0.27kg）と判定し、分娩後2～28日目に通常栄養（NN）または制限栄養（RN）（6時間／日哺乳なし）にランダムに割り付けた（n=8pigs/group）。28日目に子豚は一般食で離乳させた。28日目と56日目に空腹時採血を行い（n=8pigs/group）、ダイレクトインジェクション質量分析と逆相LC-MS/MSカスタムアッセイを組み合わせた定量メタボロミクスで分析した。データは対数変換とオートスケーリングにより正規化した。部分最小二乗判別分析（PLS-DA）を実施し、濃縮および経路トポグラフィー分析を統合して、グループ間の差分代謝産物をさらに探索した（metaboanalyst.ca）。d28で、LBW子豚はNBW群と比較して、必須アミノ酸レベルが低いだけでなく、脂肪酸酸化、解糖、TCAサイクルに関連する代謝物も減少していた。エネルギー産生と調節に関連する代謝物が全体的に減少していることから、LBW対NBWはエネルギー生存状態にあることが示唆された。56日目、LBW豚はNBW豚と比較して、カルニチン、アセト酢酸、β-ヒドロキシ酪酸およびグリセロールの増加により、脂肪酸の利用およびそれに伴うケトン体産生が増加したことが明らかになった。さらに、NBW豚と比較して、LBW豚は血清グルコースおよび乳酸が一貫して減少し、TCAサイクル代謝物であるピルビン酸、コハク酸、クエン酸およびα-ケトグルタル酸も28日目と同様に減少していることがわかった。LBW豚は解糖およびTCAサイクルへの依存度が低く、グリセロール産生量が多いことから、56日目には耐糖能に障害があると考えられる。以上のことから、LBW豚は初期に代謝異常が多く、十分な栄養や再栄養によっても解消されず、NBW豚に比べて成長および生活成績不良の生理・代謝機構を後期には明らかにできると思われる。

The objective of this study was to characterize developmental differences in low birth weight (LBW) and normal birth weight (NBW) piglets with or without pre-weaning nutrient restriction using serum metabolomic profile analysis. At farrowing, 112 piglets were identified as LBW (1.22 ± 0.28 kg) or NBW (1.70 ± 0.27 kg) and were randomly assigned to receive normal nutrition (NN) or restricted nutrition (RN) (6 h/day no suckling) from d 2 to 28 post-farrow (n=8pigs/group). On d 28, piglets were weaned onto a common diet. Fasted blood samples were obtained on d 28 and 56 (n=8pigs/group) and were analyzed using quantitative metabolomics via a combination of direct injection mass spectrometry with a reverse-phase LC-MS/MS custom assay. Data were normalized using logarithmic transformation and auto-scaling. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) was carried out to further explore the differential metabolites among the groups (metaboanalyst.ca) with an integrated enrichment and pathway topography analysis. On d 28, LBW piglets had lower levels of essential amino acids as well as reduced metabolites associated with fatty acid oxidation, glycolysis, and the TCA cycle compared to the NBW group. The overall reduction of metabolites associated with energy production and regulation suggests that LBW vs. NBW are in an energy-survival state. On d 56, LBW pigs had increased utilization of fatty acids and resultant ketone production, evident by increased carnitines, acetoacetate, β-hydroxybutyrate, and glycerol compared to NBW pigs. Additionally, compared to the NBW pigs LBW pigs had a consistent decrease in serum glucose and lactate as well as reduced TCA cycle metabolites: pyruvate, succinate, citrate, and α-ketoglutaric acid similar to d 28. Low reliance on glycolysis and the TCA cycle and higher glycerol production in the LBW pigs may indicate impairments in glucose tolerance at 56 d. In summary, LBW piglets appear to have more metabolic alterations in early life, which is not resolved with adequate nutrition or refeeding and may elucidate physiological and metabolic mechanisms of poor growth and life performance compared to NBW pigs later in life.