〜 おへその乱読1000本ノック #0097 ～ 断食模倣食による多臓器再生と健康寿命の改善

　ようこそ、第97回 おへその乱読1000本ノックへ。今回は、Brandhorst et al.（2015）による、断食模倣食が多臓器再生と健康寿命に及ぼす影響を検討した研究を取り上げます。
　前回は、タンパク質摂取量、IGF-1、死亡リスクの関係が、年齢によって大きく変わる可能性を見てきました。栄養は、単に多いか少ないかではなく、いつ、どのように、どの生理状態で作用するかによって意味が変わります。今回はその視点をさらに進め、持続的な制限ではなく、周期的に断食に近い状態を作るという発想に注目します。
　断食は、老化研究において古くから関心を集めてきたテーマです。しかし、完全な絶食を長く続けることは容易ではなく、誰にでも安全に適用できる方法とは言えません。そこで本論文では、食べながら断食様の応答を引き出す断食模倣食という介入が提案されます。いわば、栄養を断つのではなく、身体に断食中であるかのように振る舞わせる試みです。
　本論文の魅力は、断食模倣食を単なる減量法としてではなく、代謝応答、再摂食、組織再生、健康寿命をつなぐ介入として位置づけた点にあります。栄養制限は、老化を遅らせるだけなのか。それとも、老いた組織に再び修復と再生の余地を開くのか。今回は、断食模倣食を手がかりに、栄養介入と多臓器再生の接点を見ていきます。

1．イントロダクション：断食の効果を食事として再現する

1.1　食事組成とカロリー量は老化と加齢関連疾患を左右する

　食事の組成とカロリー量は、老化および加齢関連疾患に影響を与える主要な因子である。食事制限は、酸化損傷、炎症、エネルギー代謝、細胞保護機構に関わる代謝・細胞応答を変化させる。したがって、栄養介入は単なる体重管理ではなく、老化過程そのものに作用しうる生物学的介入として位置づけられる。

1.2　断食は食事制限の中でも強い代謝応答を引き出す

　断食は、食事制限の最も極端な形であり、水以外の食物を摂取しない介入である。断食は、慢性的に繰り返す間欠的断食と、2日以上の絶食を周期的に行う長期絶食に分けられる。これまでの研究では、間欠的断食や長期絶食が、糖尿病、がん、心血管疾患、神経変性疾患に対して保護的に作用する可能性が示されてきた。

1.3　長期絶食はIGF-1低下、オートファジー、免疫再生と結びつく

　長期絶食では、血糖、インスリン、IGF-1が低下し、オートファジーが誘導される。また、絶食後の再摂食に伴って、白血球数の大きな変動と幹細胞依存的な免疫系再生が起こることも報告されている。すなわち長期絶食は、単なるエネルギー欠乏ではなく、細胞保護、ストレス抵抗性、再生応答を引き出す介入として理解できる。

1.4　水だけの長期絶食は実行性と安全性に課題がある

　一方で、水だけの長期絶食を広く適用することは容易ではない。特に高齢者や虚弱な人では、栄養不良や既存の機能低下を悪化させる可能性がある。そのため、完全な食物制限に伴う負担とリスクを抑えながら、長期絶食に近い生理応答を誘導する食事介入が必要となる。

1.5　FMDは断食様の代謝変化を食事で誘導するために設計された

　そこで本研究では、断食によって生じる代表的な代謝変化を再現する食事として、断食模倣食（fasting-mimicking diet：FMD）を設計した。FMDでは、血糖とIGF-1の低下、ケトン体とIGFBP-1の上昇を指標として、長期絶食に近い応答を食事によって誘導することを目指した。

1.6　本研究はFMDが健康寿命を促進するかをマウスとヒトで検証する

　本研究では、マウスに4日間のFMDを周期的に与え、その後は通常食に戻すことで、健康寿命を促進できるかを検討した。さらに、ヒトにおいても同様のFMDを3サイクル実施する予備的ランダム化試験を行い、その実行可能性と老化関連リスク指標への影響を検討した。
　以上の背景のもと、本研究では、酵母、マウス、ヒトを用いて、周期的絶食または断食模倣食が老化関連機能に及ぼす影響を多階層的に検討した。まず、その全体像を Graphical Abstract に示す。

2．酵母：周期的絶食は寿命とストレス抵抗性を高める

2.1　栄養条件を周期的に切り替えて絶食を再現する

　周期的な栄養欠乏が寿命に影響するかを調べるため、まず出芽酵母を用いて検討した。酵母細胞を栄養豊富な培地と水の間で48時間ごとに切り替え、周期的絶食（periodic fasting：PF）を再現した。この実験では、栄養がある状態とない状態を反復すること自体が、細胞寿命に影響するかを評価した。

2.2　周期的絶食は寿命延長と酸化ストレス抵抗性をもたらす

　周期的絶食を受けた酵母では、中央値寿命および最大寿命が延長した。また、過酸化水素処理後の生存細胞数も大きく増加し、酸化ストレスに対する抵抗性が高まった（Fig. 1A–C）。したがって、周期的絶食は単に栄養摂取を減らすだけではなく、細胞をストレスに強い状態へ移行させる介入として働く。

2.3　周期的絶食の効果は既知の長寿転写因子だけでは説明されない

　周期的絶食による寿命延長は、Rim15、Msn2/4、Gis1を欠損した酵母でも維持された。これらは食事介入や遺伝的介入による寿命延長に関わる因子であるが、PFの効果はそれだけでは説明されなかった（Fig. 1A, B）。この結果は、周期的絶食が既知の長寿経路とは一部異なる機構を介して、細胞を老化と毒性ストレスから保護しうることを示している。

3．マウス：周期的FMDは断食様代謝と組織再生を誘導する

3.1　中年期からFMDと通常食を周期的に反復する

　酵母で周期的絶食の効果を確認した後、マウスでは完全絶食ではなく、断食に近い代謝応答を誘導する食事としてFMDを用いた。FMDは、低カロリー・低タンパク質の食餌として設計され、血糖、IGF-1、IGFBP-1、ケトン体などの変化を指標に、長期絶食に近い状態を再現することを目的とした。補足表では、72時間絶食と96時間FMDが、血糖低下、ケトン体上昇、IGF-1低下、IGFBP-1上昇という共通した生理応答を示すことが整理されている（Table S1）。

　マウスには16か月齢から4日間のFMDを月2回与え、FMD期間以外は通常食を自由摂取させた。すなわち本研究の介入は、持続的な摂取制限ではなく、断食様状態と通常食への再移行を周期的に繰り返す設計である（Fig. 1D, E; Fig. S1A, B）。

3.2　FMDは一過性の体重低下と断食様代謝を誘導する

　FMD期間中、マウスの体重は各サイクルで低下したが、再摂食後にはその多くが回復した。FMD群は通常食期間に摂食量を補うため、14日間の累積摂取カロリーは対照群と同程度となった（Fig. 1D, E; Fig. S1A, B）。したがって、この介入は長期的な総摂取カロリーの単純な低下ではなく、栄養状態を周期的に変化させる介入として位置づけられる。
　FMD終了時には、血糖、インスリン、IGF-1が低下し、ケトン体とIGFBP-1が上昇した。これらの変化は再摂食後におおむね通常食群と同程度へ戻った（Fig. S1C–G）。FMDは、マウスにおいて一過性の断食様代謝状態を作り出し、その後に通常栄養状態へ戻す介入である。

3.3　FMDは内臓脂肪を減少させ、除脂肪量を維持する

　FMDの反復により、体組成にも変化が認められた。28か月齢時点で、FMD群では総脂肪量が低下する傾向を示し、特に内臓脂肪が対照群より少なかった。一方、皮下脂肪への影響は明確ではなく、除脂肪量は両群で同程度に保たれた（Fig. 1F–K）。
　この結果は、周期的FMDが体重を一律に減らす介入ではなく、内臓脂肪を中心に体組成を変化させることを示している。FMD期間中に一時的な摂取制限があっても、通常食期間を含めた総摂取カロリーは大きく低下していないため、内臓脂肪の減少は単純なカロリー不足だけでは説明されにくい。

3.4　FMD後の再摂食は肝臓、筋、骨に再生・保護的変化をもたらす

　FMD終了時には、腎臓、心臓、肝臓の重量が低下したが、再摂食後には回復した。心機能、腎機能、腎組織への明確な有害影響は認められず、臓器重量の変化は不可逆的な障害ではなく、FMDと再摂食に伴う可逆的変化として評価された（Fig. 1L–N; Fig. S1H–V）。
　とくに肝臓では、再摂食後に細胞増殖マーカーであるKi67陽性細胞が増加し、肝細胞の再増殖が認められた（Fig. 1O, P; Fig. S1S）。この結果は、FMDによる一過性の臓器縮小と、再摂食後の回復が、組織再生応答として結びつく可能性を示している。
　筋でも、加齢に伴って低下するPax7発現が、FMD後の再摂食によって若齢マウスに近い水準へ回復した。また、筋におけるp62の加齢性増加はFMD群で抑えられた（Fig. 1Q, R; Fig. S1W–Z）。さらに、FMD群では大腿骨骨密度の加齢性低下も抑制された（Fig. 1S）。
　以上より、周期的FMDは、FMD期間中に断食様代謝と一過性の組織縮小を誘導し、再摂食後に肝臓、筋、骨などで再生または保護的な変化を引き出す。FMDの効果は、摂取制限期のみで完結するものではなく、通常食への再移行を含む周期的な栄養変化の中で現れる。

4．マウス：FMDは加齢関連病変、免疫老化、認知機能、寿命に作用する

4.1　FMDはがんと炎症性病変を減少させる

　周期的FMDが加齢関連病変に及ぼす影響を調べるため、老齢マウスの剖検と病理解析を行った。C57BL/6マウスでは加齢に伴って血液系腫瘍、とくにリンパ腫が多く認められる。本研究でも、対照群では皮下または内臓の腫瘤、リンパ腫、複数臓器の異常病変が観察された。
　FMD群では、剖検で確認された腫瘍発生率が対照群より低下した。リンパ腫の発生割合も低く、腫瘍関連死の時期は遅延した。また、複数の異常病変を有する個体もFMD群で少なかった（Fig. 2A–L）。この結果は、中年期から開始した周期的FMDが、加齢に伴う腫瘍負荷を軽減することを示している。
　炎症性病変にもFMDの影響が認められた。FMD群では、炎症を伴う組織数が少なく、重度の皮膚病変も対照群より低頻度であった（Fig. 2M, N）。したがって、周期的FMDは、腫瘍だけでなく、加齢に伴う炎症性病変にも作用する。

4.2　FMDは免疫老化を改善し、骨髄由来幹細胞・前駆細胞を増加させる

　加齢に伴う造血系の変化は、適応免疫細胞の低下やリンパ球系から骨髄球系への偏りとして現れる。FMD群では、白血球数、リンパ球/骨髄球比、血小板、赤血球、ヘモグロビンなどの血液指標において、加齢性変化の改善が認められた（Fig. 2O–S）。この結果は、周期的FMDが免疫老化に伴う血液プロファイルの変化を部分的に戻すことを示している。
　さらに、骨髄中の間葉系幹細胞・前駆細胞もFMD群で増加した（Fig. 2T）。骨髄由来幹細胞・前駆細胞は、成体組織の維持や再生に関わる細胞集団である。したがって、FMDによる免疫系の変化は、血液細胞の数的変化にとどまらず、再生に関わる細胞集団の増加を伴っていた。

4.3　FMDは高齢マウスの認知機能と海馬神経新生を改善する

　老化は運動機能や認知機能の低下を伴う。FMD群では、ロータロッド試験における成績が改善し、運動協調性の向上が認められた（Fig. 3A, B）。ただし、この成績は体重とも関連しており、FMDによる脂肪量低下の影響も含まれる。
　認知機能については、Y迷路、新奇物体認識試験、Barnes迷路を用いて評価した。FMD群では、作業記憶、短期記憶、空間学習・空間記憶に関連する指標が改善した（Fig. 3C–K）。これらの結果は、周期的FMDが高齢マウスの認知機能を改善することを示している。

　認知機能の改善が神経新生と関連するかを調べるため、海馬歯状回におけるBrdU陽性細胞とDCX陽性未成熟ニューロンを評価した。高齢マウスではBrdU陽性細胞が加齢に伴って低下していたが、FMD群ではBrdU陽性細胞およびBrdU/DCX二重陽性細胞が増加した（Fig. 4A–E）。この結果は、FMDが海馬における神経新生を促進することを示している。
　さらに、FMD後には海馬IGF-1が低下し、歯状回でIGF-1受容体mRNAが上昇した。歯状回を含む試料ではPKA活性が低下し、神経分化と生存に関わる転写因子NeuroD1の発現が上昇した（Fig. 4F–I）。したがって、FMDによる認知機能改善は、海馬神経新生とIGF-1/PKA/NeuroD1系の変化を伴っていた。

4.4　FMDは中央値寿命を延長するが、最大寿命への効果は限定的である

　FMDが寿命に及ぼす影響も検討された。対照群の中央値寿命は25.5か月であったのに対し、FMD群では28.3か月に延長した。これは約11%の延長に相当する（Fig. 5A）。一方で、最大寿命への明確な延長効果は認められなかった（Fig. 5A, B）。
　非常に高齢のマウスでは、FMD期間中または終了後数日以内に死亡する例も認められた。そのため、26.5か月齢以降はFMD期間を4日間から3日間に短縮し、29.5か月齢でFMD介入を終了した（Fig. 5C–E）。この結果から、周期的FMDは寿命と健康寿命に有効な介入となりうる一方、非常に高齢の個体では介入強度を調整する必要があると考えられる。

5．ヒト：FMDは短期予備試験で老化関連リスク指標を改善する

5.1　ヒトFMDは月5日間を3サイクル行う予備的ランダム化試験として実施された

　マウスで周期的FMDの効果を確認した後、ヒトでもFMDの実行可能性と老化関連リスク指標への影響を検討した。対象は一般成人であり、FMD群と対照群に割り付けた。FMD群では、月に5日間のFMDを3か月間、合計3サイクル実施し、各FMD期間後には通常食へ戻した。対照群では通常の食事を継続した（Fig. 6A）。
　ヒト用FMDは、IGF-1低下、IGFBP-1上昇、血糖低下、ケトン体上昇を誘導しつつ、栄養を維持できるように設計された。摂取エネルギーは1日目が約1090 kcal、2〜5日目が約725 kcalであり、低タンパク質・高脂質寄りの植物ベース食として構成された（Table S4）。

5.2　FMDはヒトでも断食様の代謝変化を誘導する

　FMD実施中、血糖は低下し、βヒドロキシ酪酸は上昇した。また、IGF-1は低下し、IGFBP-1は上昇した（Fig. 6B–E）。これらの変化は、マウスで確認されたFMDの断食様代謝応答と同じ方向である。
　したがって、ヒト用FMDは、完全絶食ではなく食事を摂取する介入でありながら、少なくとも本試験で測定した代謝指標においては、断食に近い応答を誘導した。

5.3　FMDは体重、体脂肪、血圧、疾患リスク指標を改善方向に変化させる

　3サイクルのFMD後、体重と体脂肪は低下した。体幹部脂肪も低下傾向を示し、除脂肪量への影響は限定的であった（Fig. 6F–H）。また、血圧やCRPにも改善が認められ、とくにCRPが中等度または高リスク範囲にあった被験者では、FMD後に正常範囲へ戻る例が多く認められた（Fig. 6I）。
　さらに、末梢血中の間葉系幹細胞・前駆細胞は、FMD終了時に増加傾向を示したが、有意差には達しなかった（Fig. 6J）。この点については、ヒトでFMDが特定の幹細胞集団を増加させるかを判断するには、より大規模な試験が必要である。
　以上より、ヒトFMDは、短期間の介入で体重、脂肪量、血圧、炎症指標、IGF-1などを改善方向に変化させた。これらの結果は、糖尿病、心血管疾患、がん、老化に関連するリスク因子およびバイオマーカーが、FMDによって変化しうることを示している。

5.4　ヒト試験は小規模予備試験として慎重に解釈する

　本試験では、3サイクルのFMDに対する遵守率は高く、自己申告された有害事象の程度は低かった。補足図では、被験者の性別、年齢、民族背景、有害事象、骨密度、安全性評価としての代謝パネルが示されている（Fig. S5）。重大な有害事象は報告されなかった。
　一方で、本試験は小規模な予備的ランダム化試験であり、介入期間も短い。したがって、ヒトにおいてFMDが疾患発症を抑制する、あるいは健康寿命を延長すると直接示したものではない。本研究で示されたのは、FMDがヒトでも実行可能であり、老化関連疾患に関わる複数のリスク指標を改善方向に動かしうることである。

6．考察：FMDは断食様ストレスと再摂食後再生を組み合わせる周期的栄養介入である

6.1　酵母、マウス、ヒトをつなぐ共通軸は周期的な栄養ストレスである

　本研究では、酵母、マウス、ヒトを用いて、周期的な栄養制限が老化関連機能に及ぼす影響を検討した。酵母では、栄養豊富な培地と水を周期的に切り替えることで、寿命延長とストレス抵抗性の増加が認められた。マウスとヒトでは、完全絶食ではなく、断食に近い代謝応答を誘導するFMDを用いた。
　これらの実験系に共通するのは、持続的な栄養制限ではなく、栄養状態を周期的に変化させる点である。酵母では栄養培地と水、マウスとヒトではFMDと通常食を切り替えることで、栄養欠乏に近い状態と再栄養状態を反復させた。この周期性が、本研究全体を貫く介入設計である（Graphical Abstract）。

6.2　FMDの特徴は制限期と再摂食期を組み合わせる点にある

　FMDは、摂取カロリーとタンパク質を一時的に低下させ、血糖、インスリン、IGF-1の低下、ケトン体とIGFBP-1の上昇を誘導した。その後、通常食へ戻すことで、低栄養様状態から再栄養状態へ移行させた。この切り替えにより、FMDは単なる摂取量低下ではなく、代謝状態を周期的に変動させる介入として働く。
　マウスでは、FMD終了時に一部臓器の重量が低下し、再摂食後に回復した。肝臓ではKi67陽性細胞が増加し、筋ではPax7発現の回復、骨では骨密度低下の抑制が認められた。これらの結果は、FMDの効果が制限期だけで完結するものではなく、再摂食期を含む一連の周期的変化として現れることを示している（Fig. 1）。

6.3　IGF-1低下は重要な指標だが、効果全体は多系統応答として理解される

　FMDでは、マウスとヒトの双方でIGF-1の低下が認められた。前回取り上げたLevine et al.（2014）でも、タンパク質摂取、IGF-1、死亡リスクの関係が重要な論点であった。本研究はその流れを受け、FMDによってIGF-1を一時的に低下させる介入を、マウスとヒトで検討した研究として位置づけられる。
　一方で、本研究で観察された効果はIGF-1低下だけに還元されない。マウスでは、内臓脂肪、腫瘍、炎症、免疫老化、骨髄由来幹細胞・前駆細胞、海馬神経新生、認知機能、寿命が評価された。したがって、FMDの効果は、単一のホルモン変化ではなく、断食様代謝、細胞保護、再生応答、加齢関連病変の抑制を含む多系統応答として理解する必要がある（Fig. 2–5）。

6.4　マウスの健康寿命改善とヒトのリスク指標改善は区別して解釈する

　マウスでは、中年期から周期的FMDを開始することで、内臓脂肪の減少、腫瘍発生率の低下、炎症性病変の減少、免疫老化の改善、神経新生と認知機能の改善、中央値寿命の延長が示された。これらの結果は、FMDがマウスの複数の健康寿命指標に作用することを示している。
　一方、ヒト試験は小規模かつ短期間の予備的ランダム化試験である。ヒトでは、FMDが血糖、IGF-1、体重、体脂肪、血圧、CRPなどを改善方向に変化させたが、疾患発症や健康寿命そのものを直接評価したものではない。したがって、マウスでの健康寿命改善と、ヒトでのリスク指標改善は、同じ強さでは解釈しない。本研究におけるヒトデータは、FMDの実行可能性と老化関連リスク指標への短期的影響を示す位置づけである（Fig. 6）。

6.5　FMDは栄養制限を量から周期性へ拡張する

　従来の食事制限研究では、総摂取カロリーや栄養素の量が主要な焦点となってきた。本研究では、FMD期間中に一時的な摂取制限を行う一方、通常食期間を含めた長期的な摂取量は単純に低下しない設計が用いられた。したがって、FMDの効果は、栄養を持続的に減らすことではなく、断食様状態と再摂食状態を周期的に作ることによって説明される。
　本研究は、栄養介入を量だけでなく時間構造から捉える視点を示している。FMDは、完全絶食の負担を避けながら、断食様の代謝応答を誘導し、再摂食後の再生応答と組み合わせる介入である。これにより、栄養制限研究は、何をどれだけ減らすかという問題から、いつ制限し、いつ戻すかという周期性の問題へと拡張される。

7．結論：FMDは多系統再生と健康寿命改善を結びつける栄養介入モデルである

　本研究では、周期的な絶食または断食模倣食（FMD）が、老化関連機能に及ぼす影響を酵母、マウス、ヒトで検討した。酵母では、周期的絶食により寿命とストレス抵抗性が増加した。マウスでは、周期的FMDにより断食様の代謝変化が誘導され、再摂食後には複数組織で再生または保護的な変化が認められた。さらに、内臓脂肪、がん、炎症性病変、免疫老化、認知機能、中央値寿命にも改善が示された。
　ヒトでは、月5日間のFMDを3サイクル行う短期予備試験により、血糖、IGF-1、体重、体脂肪、血圧、炎症指標などが改善方向に変化した。ただし、ヒト試験は小規模かつ短期間であり、疾患発症や健康寿命延長を直接示すものではない。
　以上より、FMDは、完全絶食の負担を避けながら断食様の代謝応答を誘導し、再摂食後の再生応答と組み合わせる周期的栄養介入である。本研究は、栄養制限を単なる摂取量の低下としてではなく、制限期と再摂食期を含む時間構造として捉える必要性を示している。