環境ナノ粒子の動脈硬化促進メカニズムの解明

文献情報

• 文献番号: 200736008A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: 環境ナノ粒子の動脈硬化促進メカニズムの解明
• 課題番号: H17-化学-一般-008
• 研究年度: 平成19(2007)年度
• 研究代表者(所属機関): 岩井 直温(国立循環器病センター研究所疫学部)

研究分担者(所属機関)

• 丹羽　保晴(国立循環器病センター研究所疫学部)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 健康安全確保総合研究 化学物質リスク研究
• 研究開始年度: 平成17(2005)年度
• 研究終了予定年度: 平成19(2007)年度
• 研究費: 13,700,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

1. ナノ粒子投与による生体内分布の解明及び生理機能への影響調査を行う。
2. 各臓器・組織障害を形態学的・生化学的・生理的に明らかにし、モデル動物でナノ粒子の経気道曝露が心血管系疾患を増悪させるメカニズムを解明する。

研究方法

1. 蛍光ナノ粒子である,Quantum dot (Q-dot) (11.2 nmol/ml、粒子径: 20 nm)をラット気管内へ投与し、 6時間後にラットの脳、腎臓、脾臓を摘出し、臓器を固定後、パラフィン切片を作製し、Q-dotを蛍光顕微鏡下で観察した。
2. 動脈硬化発症モデルマウス；LDL receptor knockout mouseにカーボンブラック（CB）を長期間投与し、動脈硬化進展との関連性をCB処置後のHUVECの遺伝子発現プロファイリングと比較検討し、動脈硬化症の発症メカニズムを解明する。

結果と考察

1. 今回の実験から、ナノ粒子の体内動態が想像以上に早く、ナノ粒子投与後6時間以内にそのほとんどが体外へ排泄されるものと考えられた。体内侵入の可否は、ナノ粒子の物理化学的性状と、ナノ粒子を取り込む細胞の機能（エンドサイトーシス、ファゴサイトーシス、ピノサイトーシス）に依存することが推察できた。
2. ラット、マウス曝露実験の条件は、平均粒子径サイズが116.4nmのCBを曝露した。ナノサイズのCBは肺胞を通過し循環血中へ侵入し、直接細胞や臓器障害を引き起こす可能性は低いと考えられた。メカニズムをインフォーマティクス的に考察すると、細胞(HUVEC)や個体(LDLR/KO mouse)レベルでの遺伝子発現パターンとそこから予測される蛋白質レベルの時空間的機能分類から、細胞増殖、炎症反応のマスター遺伝子、FOS, NFkBや細胞接着、炎症マーカー遺伝子、ICAM-1, CXCL2, CCL2がCB曝露により上昇した。従って、CB曝露による動脈硬化発症メカニズムはこれらの遺伝子群の発現上昇が病態発症へ繋がると考察した。

結論

大気中微粒子による曝露で心血管病の発症が増加する原因は、肺組織の炎症反応に起因し、それに引き続く血管内皮細胞障害から動脈硬化へと進展すると考えられる。
新しいナノ粒子の開発、応用に際しては、充分に生体レベルでの影響を精査する必要がある。また、既存の多くの環境因子は、低濃度で長期間の影響下ではじめて生体に影響を及ぼす可能性が考えられるため、例え、急性曝露実験で毒性が無いと評価され実用化、市場に流通されたとしても継続してその後の長期的な影響観察調査が必要不可欠と考える次第である。

公開日・更新日

• 公開日: 2008-03-31
• 更新日: -

文献情報

• 文献番号: 200736008B
• 報告書区分: 総合
• 研究課題名: 環境ナノ粒子の動脈硬化促進メカニズムの解明
• 課題番号: H17-化学-一般-008
• 研究年度: 平成19(2007)年度
• 研究代表者(所属機関): 岩井 直温(国立循環器病センター研究所疫学部)

研究分担者(所属機関)

• 丹羽　保晴(国立循環器病センター研究所疫学部)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 健康安全確保総合研究 化学物質リスク研究
• 研究開始年度: 平成17(2005)年度
• 研究終了予定年度: 平成19(2007)年度
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究では、ナノ粒子・マテリアルの人体に対する影響を体系的に理解することを目的とする。特に、ナノ粒子の心血管系への医学的影響とそのメカニズムを、実験動物と培養細胞を用いて網羅的に解析する。これらの調査結果は、ナノ粒子の人体に対するリスク評価の基礎データとなりうる。ナノ粒子の安全性を評価することは国民の健康維持に貢献するばかりでなく、今後の産業開発のあり方を問う上でも不可避であると考えられる。

研究方法

ナノ粒子の物理的性質の解析と、内皮細胞、マクロファージを中心としたナノ粒子の培養細胞への影響（主に急性効果）を調べ、解析した。更に、動物実験を中心とした、ナノ粒子吸入あるいは経口投与による生体内分布の解明及び生理機能（炎症反応・血小板凝集能・凝固能）への影響調査を行った。

結果と考察

ナノ粒子は、非生理的な高濃度では、直接的な細胞毒性が存在する。モデル動物の吸入曝露により動脈硬化性疾患の増悪がみられるが、これはナノ粒子が体内に侵入して細胞毒性を及ぼしたのではなく、肺局所での持続的な炎症性反応が全身性に波及した影響と考えられた。
ナノ粒子は種々雑多であり、対象とするナノ粒子の種類で病態に対する影響も大きく異なると考えられる。新しいナノ粒子の導入に当たっては、充分に生体への影響を調査してから、実用化等を考慮する必要性がある。また、多くの環境要因は、低濃度長期曝露の末に効果を発現してくると考えられ、現時点では、良い評価方法の無いのも問題である。急性毒性が無いと判断され、実用化・流通されるに至っても、その後の長期観察調査が必要不可欠である。

結論

新しいナノ粒子の開発、応用に際しては、充分に生体レベルでの影響を精査する必要がある。また、既存の多くの環境因子は、低濃度で長期間の影響下ではじめて生体に影響を及ぼす可能性が考えられるため、例え、急性曝露実験で毒性が無いと評価され実用化、市場に流通されたとしても継続してその後の長期的影響観察調査が必要不可欠と考える。In vitro, in vivo共に低濃度での長期間曝露実験の評価方法は未だ確立されていないが、我々が培養細胞を用いたpreliminaryな長期間曝露実験から染色体異常などの変異原として癌などの疾患に関与する可能性を提示した。よって、産業ナノ粒子、環境ナノ粒子の無制限な生産、消費、廃棄はやがて人をはじめとする生態環境に有害であることを警鐘する。

公開日・更新日

• 公開日: 2008-03-31
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 200736008C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: 環境微細粒子の代表として水溶性フラーレンと炭素粒子を選び、細胞への直接作用及び吸入・経気道曝露の影響を観察した。水溶性フラーレンは、細胞内でプロテアゾーム・ユビキチン系を活性化し、細胞死を招来することを明らかとした。ナノサイズ炭素粒子の吸入曝露によって、炭素粒子の生体内侵入は認められなかったが、肺局所における炎症反応の惹起から動脈硬化性疾患の進展を増悪させることが明らかとなった。
• 臨床的観点からの成果: ナノ粒子の動脈硬化発症過程における作用点は、初期段階に血管内皮細胞を障害し、その後マクロファージを活性化させ、変性LDLの細胞内への取り込みを促進し（泡沫化）、泡沫化した細胞から分泌されたMMPによってプラークが破綻し、ADPによって活性化、凝集した血小板が血栓を形成し、心筋梗塞へ進展すると推察している。大気中の微小粒子は炭素、有機化合物、重金属などから主に構成されていることから考えて、肺組織での炎症、循環血中への侵入により動脈硬化が進展すると思われる。
• ガイドライン等の開発: 空気曝露などで血液中のナノ粒子の濃度が本実験レベルに到達することはまず、考えられない。また、産業ナノ粒子の場合特殊条件化で高濃度のナノ粒子に曝露されることがありうるが、当初は急性毒性の危険性を想定していたが、本実験から強い毒性は確認できなかった。但し、環境中と同レベルの濃度のナノ粒子に長期に亘って曝露するとどのような変化が現れるのかは今のところ不明であり今後検証する必要があると考えている。
• その他行政的観点からの成果: 問題となっている自動車排気ガス由来環境炭素粒子に関しては、体内に侵入して細胞毒性を引き起こすというよりは、肺局所での炎症反応が全身性に波及し、動脈硬化性疾患を進展させると考えられた。In-vivo、in-vitroともに低濃度慢性曝露の良い評価方法は現時点では確立できていないが、細胞培養を用いたpreliminaryな検討では、染色体異常、がんなどの疾患に関与する可能性が示唆された。
• その他のインパクト: 水溶性フラーレンを環境レベルの濃度で長期間細胞培養するとやがて細胞自身の性質が次第に変化し、より一層細胞増殖能を持ち、かつナノ粒子に耐性を持った細胞が出現することを明らかにした。この結果は、極低濃度のナノ粒子でさえも培養細胞に長期間曝露すると化学的変異原として作用し得ることを示唆する。

発表件数

• 原著論文（和文）: 1件
• 原著論文（英文等）: 9件
• その他論文(和文): 0件
• その他論文(英文等): 0件
• 学会発表(国内学会): 3件
• 学会発表(国際学会等): 0件
• その他成果(特許の出願): 0件 ; 「出願」「取得」計0件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: Yamawaki H, Iwai N.; Mechanisms underlying nao-sized air-pollution-mediated progression of atherosclerosis-Carbon black causes cytotoxic injury/inflammation and inhibits cell growth in vascular endothelial cells.; Circulation Journal , 70 , 129-140 (2006)
• 原著論文2: Yamawaki H, Iwai N.; Cytotoxicity of water-soluble fullerene in vascular endothelial cells.; Am J Physiol Cell Physiol , 290 , 292-297 (2006)
• 原著論文3: Niwa Y, Hiura Y, Murayama T 他; Nano-sized carbon black exposure exacerbates atherosclerosis in LDL receptor knock-out mice.; Circulation Journal , 71 , 1157-1161 (2007)
• 原著論文4: Niwa Y, Hiura Y, Sawamura H 他; Inhalation exposure to carbon black induces inflammatory response in rats.; Circulation Journal , 72 , 144-149 (2008)

公開日・更新日

• 公開日: 2015-06-01
• 更新日: -