研究 research

・ 我々の研究室では金属類が神経系に及ぼす毒性のメカニズムと、これを防御する生体内防御因子に関する研究を行っています。

Ø タリウムの2つの酸化還元状態が及ぼす神経毒性効果のモデル細胞を用いた検討

Neurotoxic effects of two redox states of thallium examined in model cells

概要：光学ガラスの製造やシンチレーションカウンターなど様々な産業、医療用途に用いられるタリウム (Tl) は殺人に用いられることもある毒性の高い重金属であり、その曝露はヒト神経系をはじめとした様々な臓器に傷害をもたらすことが知られている。Tlは1価 (Tl(I)) と3価 (Tl(III)) の酸化状態を取ることが知られており、Tl(I) は中性水溶液中で、Tl(III) は有機溶媒中や酸性溶液中で安定であり、一部海中などにTl(III) の存在が報告されている。我々は、GT1-7細胞*を用い、Tl(I) とTl(III) の毒性の違いに関する検討を行っている。この検討により、Tlはいずれの酸化状態においてもGT1-7細胞のアポトーシスを起こすが、Tl(III) はTl(I) よりも細胞死の発生が遅く最終的にはより強い酸化ストレスと細胞傷害性を示すことが明らかとなった。化学的特性においてTl(I) はカリウム (K) と、Tl(III) はアルミニウム (Al) と似ているとされる。Tl(I) はKと同様ナトリウム・カリウムポンプの働きにより速やかに細胞内に流入することで、比較的早くGT1-7細胞毒性を発現しているのではないかと考えられた。一方、Tl(III) に類似したAlはクエン酸、マルトールなどとキレートを形成することで、脳における蓄積と神経様培養細胞内への取り込みが促進されるなど、その取り込み効率はKと比べて非常に低いとされる。おそらくTl(III) はAlと同様のメカニズムで細胞内に取り込まれ、その速度はTl(I) に比べて遅く、これが細胞死を遅らせる一因となるのではないかと考えられた。細胞内には酸化ストレスに対する防御因子が存在するが細胞外にはあまり存在しないため、細胞は外からの酸化ストレスには弱いと考えられている。Tl(III) はTl(I) よりもGT1-7細胞内への流入が遅くなる分、酸化ストレスに対して脆弱な細胞外において作用する時間が長くなり、その結果より強い酸化ストレスを与えるのではないかと考えられた (図1)。今後、GT1-7細胞においてTl、特にTl(III) によって誘導される毒性メカニズムをさらに検討していくことで、Tlの中枢神経系における毒性メカニズム解析への応用が期待できる。

Abstract: Thallium (Tl), a highly toxic heavy metal, exist in monovalent (Tl(I)) and trivalent (Tl(III)) ionic states. This study aimed to compare the toxicities of Tl(I) and Tl(III) in the mouse hypothalamic GT1–7 neuronal cell line. Decreased viability and increased cytotoxicity were observed in the GT1–7 cells 16 h after Tl(I) or Tl(III) treatment. Compared with Tl(I), Tl(III) was more cytotoxic, as indicated by extracellular lactate dehydrogenase levels. Both treatments induced caspase 3 activity, DNA fragmentation, malondialdehyde (MDA) production, and superoxide dismutase activity in the cells. MDA production was higher after Tl(III) than after Tl(I) treatment. Moreover, co-treatment with antioxidants, such as mannitol, ascorbic acid, or tocopherol, significantly attenuated the Tl-induced decrease in GT1–7 cell numbers. Thus both treatments induced oxidative stress-related apoptosis in the cells. Furthermore, Tl(III) reduced cell viability more subtly than Tl(I) after 1 and 3 h of treatment. This result was enhanced by co-treatment with maltol or citric acid, which promoted the influx of metallic elements into the cells. Thus, Tl(III) entered the GT1–7 cells later than Tl(I) and had a delayed onset of toxicity. However, Tl(III) probably produced more extracellular lipid peroxides, which may explain its stronger cytotoxicity than Tl(I).

*GT1-7細胞：マウス視床下部細胞由来の培養細胞で、神経特異的タンパク質を発現するなど神経細胞に似た性質を保持しており、また、ERなどのホルモン受容体を持つ。これらの性質からGT1–7細胞は神経系や内分泌作用に関わる研究に用いられる。

この研究は2024−2026年度科学研究費補助金基盤研究(C) (24K13410) の助成を受けて行われています。この研究に関するこれまでの研究成果については以下論文をご覧下さい。

This research is supported by the Grant-in-Aid for Scientific Research (C) (24K13410) for FY2024-2026. For previous research findings related to this research, please see the following paper.

Ø 亜鉛のホメオスタシス崩壊が導く神経細胞死の誘導と、カルノシンの防御作用

Disruption of Zinc Homeostasis Leads to Neuronal Death and and the Potential of Carnosine as Their Therapeutic Agent

概要：シナプスにおける亜鉛(Zn) ホメオスタシスの崩壊は血管性認知症 (VD) やパーキンソン病 (PD) など様々な神経疾患の発症において重要な役割を果たすことが知られている。我々は、Zn²⁺が神経毒性を引き起こす分子メカニズムに関する研究を行っている。Zn²⁺はカルシウム (Ca) 恒常性、エネルギー生産経路、活性酸素種 (ROS) の生産、小胞体 (ER) ストレス経路、活性化プロテインキナーゼ/c-Junアミノ末端キナーゼ (SAPK/JNK) 経路などに影響を与えることで神経毒性を発揮する。さらに、Zn²⁺による神経毒性から神経細胞を保護する物質をさまざまな農作物の中から探索し、カルノシン（β-アラニルヒスチジン）がERストレス経路やArc 関連経路に影響を与えることによってZn²⁺からニューロンを保護することを見いだし、これが血管性認知症の治療薬となる可能性があることを明らかとした (図2)。今後、カルノシンの内在性保護物質としての役割と、Zn²⁺に誘発される細胞毒性に対する保護効果についての分子メカニズムについてさらに検討を重ねることで、このジペプチドの神経変性疾患の治療用途についての可能性を探っている。

Abstract: Synaptic zinc ions (Zn²⁺) play an important role in the development of vascular dementia (VD) and Parkinson’s disease (PD). In this article, we reviewed the current comprehension of the Zn²⁺-induced neurotoxicity that leads to the pathogenesis of these neuronal diseases. Zn²⁺-induced neurotoxicity was investigated by using immortalised hypothalamic neurons (GT1-7 cells). This cell line is useful for the development of a rapid and convenient screening system for investigating Zn²⁺-induced neurotoxicity. GT1-7 cells were also used to search for substances that prevent Zn²⁺-induced neurotoxicity. Among the tested substances was a protective substance in the extract of Japanese eel (Anguilla japonica), and we determined its structure to be like carnosine (β-alanylhistidine). Carnosine may be a therapeutic drug for VD and PD. Furthermore, we reviewed the molecular mechanisms that involve the role of carnosine as an endogenous protector and its protective effect against Zn²⁺-induced cytotoxicity and discussed the prospects for the future therapeutic applications of this dipeptide for neurodegenerative diseases and dementia.

この研究に関するこれまでの研究成果については、以下論文をご覧下さい。

For previous research findings related to this research, please see the following paper.

・ 我々の研究室では、薬毒物等の分析を行うための機器や手法を応用して、アロマテラピー精油の薬理作用について研究を行っております。

Evaluation of the biological responses of essential oils by an in vitro system using cell line.

概要：アロマテラピーとこれに用いられる植物由来のエッセンシャルオイルは、不安、軽度の気分障害、がん関連の痛みなど、さまざまな症状に対する補完療法や代替療法として広く使用されている。また、アルツハイマー病やうつ病などのいくつかの疾患の治療にも効果があると報告されている。アロマテラピーにおいては、芳香成分が鼻腔を経由して嗅上皮に侵入し、嗅細胞の匂い受容体と結合することによって嗅覚細胞が刺激される。匂いの情報は嗅球から大脳辺縁系、視床下部などに伝えられ、様々な中枢効果を現し、心身に影響を与えるのではないかと考えられている、嗅覚系はこのような外界からの匂い情報の伝達のみならず、外界からの物質の侵入経路にもなりえる。嗅上皮から嗅球に至る経路では、逆行性軸索輸送により物質輸送が行われることが知られている。我々は精油に含まれる芳香成分が嗅覚系を経由して中枢に移行し、神経細胞に直接作用しうると考えている。また、芳香浴やマッサージなどによって皮膚に塗布され表皮、真皮、毛嚢、皮脂腺などから吸収され、吸入、経口投与であれば鼻腔，消化管の粘膜から吸収され、毛細血管から血管・リンパ管内に侵入し、精油成分が神経系や免疫系等、生体に直接作用する可能性も考えられる (図2)。エッセンシャルオイルの薬理作用を調べるため、我々は不死化視床下部神経細胞 (GT1-7細胞) を使用したin vitroアッセイシステムを開発した。このシステムを用いて様々なエッセンシャルオイルをテストしたところ、ゼラニウムオイルがエストロゲン受容体 (ER) 拮抗薬であるタモキシフェンの神経毒性を増強することが明らかとなった。ERアゴニスト (β-エストラジオール) は、TMXとゼラニウムによるGT1-7細胞死を阻害した。ゼラニウムオイルと、その主成分であるゲラニオールは、ERαとERβに対して弱いアゴニスト活性を示し、ゲラニオールはゼラニウムオイルで観察されたものと同様に、TMXに誘導される細胞死を増強した。これらのデータは、ゲラニオールがゼラニウム油の必須成分であることを示している。我々のシステムは、エッセンシャルオイルを利用した神経変性疾患や有害な内分泌かく乱物質の治療薬の開発に役立つ可能性がある。

Abstract: Aromatherapy and plant-based essential oils are widely used as complementary and alternative therapies for various symptoms, including anxiety, mild mood disorders, and cancer-related pain. Furthermore, it was reportedly effective for the care of several diseases such as Alzheimer’s disease and depressive illness. Aromatherapy is performed by irritation to olfaction, or by application, inhalation, or oral administration of essential oils with the aroma component of plants and fruits. The chemical components in the essential oils bind with the receptors in the olfactory bulb causing these effects. They stimulate the limbic system (the emotional center of the brain) affect the physiological functions of the autonomic nervous, endocrine, and immune systems via hormones, neurotransmitters, and cytokines. The olfactory system not only transmits odour information, but also acts as an entry pathway for outside substances. Molecules can be transported from the olfactory epithelium to the olfactory bulb via retrograde axonal transport. The components of essential oils applied to the skin using an aromatic bath or massage can be absorbed through the epidermis, dermis, hair follicles, and sebaceous glands. In cases of inhalation or oral administration, oils absorbed from mucous membranes in the nasal cavities and the gastrointestinal tract enter the blood and lymph vessels to potentially exert effects on the biological systems, such as nervous system. To investigate the pharmacological effects of essential oils, we developed an in vitro assay systemusing immortalized hypothalamic neuronal cells (GT1–7 cells). The effects of essential oils on cytotoxicity were evaluated using this system. Among tests of various essential oils, we found that geranium oil enhanced the neurotoxicity of the oestrogen receptor (ER) antagonist: tamoxifen. Geranium oil and ER agonist β-estradiol (E2) attenuated the inhibition of GT1-7 cell growth.Geranium oil and geraniol, a major constituent of Geranium oil, showed weak agonist activity on ERα and ERβ with geraniol augmenting TMX-induced cell death similar to that observed in Geranium oil. These data indicate that geraniol is an essential constituent of Geranium oil. Our screening method may be beneficial for the development of drugs for the treatment of neurodegenerative diseases or harmful endocrine disruptors.

この研究は第35回薬学研究振興財団 (2014年度、グループB) の助成を受けて行われました。この研究に関するこれまでの研究成果については、以下論文をご覧下さい。

This research was funded by the 35th Research Foundation for Pharmaceutical Sciences (FY2014, Group B). For previous research findings related to this research, please see the following paper.

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