Nature Neuroscience (2024) Published: 25 March 2024

Pervasive environmental chemicals impair oligodendrocyte development (広汎な環境化学物質がオリゴデンドロサイトの発達を阻害する)

Erin F. Cohn, Benjamin L. L. Clayton, Mayur Madhavan, Kristin A. Lee, Sara Yacoub, Yuriy Fedorov, Marissa A. Scavuzzo, Katie Paul Friedman, Timothy J. Shafer & Paul J. Tesar

Abstract

Exposure to environmental chemicals can impair neurodevelopment, and oligodendrocytes may be particularly vulnerable, as their development extends from gestation into adulthood. However, few environmental chemicals have been assessed for potential risks to oligodendrocytes. Here, using a high-throughput developmental screen in cultured cells, we identified environmental chemicals in two classes that disrupt oligodendrocyte development through distinct mechanisms. Quaternary compounds, ubiquitous in disinfecting agents and personal care products, were potently and selectively cytotoxic to developing oligodendrocytes, whereas organophosphate flame retardants, commonly found in household items such as furniture and electronics, prematurely arrested oligodendrocyte maturation. Chemicals from each class impaired oligodendrocyte development postnatally in mice and in a human 3D organoid model of prenatal cortical development. Analysis of epidemiological data showed that adverse neurodevelopmental outcomes were associated with childhood exposure to the top organophosphate flame retardant identified by our screen. This work identifies toxicological vulnerabilities for oligodendrocyte development and highlights the need for deeper scrutiny of these compounds’ impacts on human health.

環境化学物質への暴露は神経発達を障害する可能性があるが、オリゴデンドロサイトは妊娠期から成人期にかけて発達するため、特に影響を受けやすい。しかし、オリゴデンドロサイトに対する潜在的リスクについて評価された環境化学物質はほとんどない。今回、培養細胞を用いたハイスループットの発生学的スクリーニングにより、我々は、異なるメカニズムでオリゴデンドロサイトの発生を阻害する2種類の環境化学物質を同定した。一方、家具や電化製品などの家庭用品によく含まれる有機リン系難燃剤は、オリゴデンドロサイトの成熟を早期に停止させた。それぞれの化学物質は、マウスおよびヒトの出生前の大脳皮質発達の3Dオルガノイドモデルにおいて、オリゴデンドロサイトの発達を障害した。疫学的データの解析から、神経発達に有害な転帰が、我々のスクリーニングで同定されたトップクラスの有機リン系難燃剤への小児期の曝露と関連していることが示された。本研究は、オリゴデンドロサイトの発達に対する毒物学的脆弱性を明らかにし、これらの化合物がヒトの健康に及ぼす影響について、より深く精査する必要性を強調するものである。

Introduction

ヒトは数多くの環境化学物質にさらされているが、その大半は毒性プロファイルが不明である。しかし、化学物質への曝露が単独で発症の引き金になったり、基礎にある遺伝的要因を悪化させて疾患の一因になったりすることがある1,2,3。発達途上にある中枢神経系は環境による障害に特に敏感であり、化学物質曝露が発達の重要な時期に起こると、小児にとって特に有害となる可能性がある4,5。例えば、重金属のメチル水銀や鉛、ポリ塩化ビフェニルなどの工業化学物質は、脳の発達を阻害することが知られている6,7。重要なことは、自閉症スペクトラム障害や注意欠陥多動性障害などの神経発達障害の有病率が過去10年間で増加していることである8,9。しかし、遺伝的要因だけではこの増加を完全に説明することはできない4。したがって、化学物質への曝露を含む環境因子が、神経発達障害にどのように関与しているか、あるいは神経発達障害を引き起こしているかを評価することが不可欠となっている。

グリア細胞よりも神経細胞の方が、化学毒性に対する感受性がより詳細に評価されている10,11。オリゴデンドロサイトは、効率的な神経細胞伝達を促進するミエリンを生成し、神経細胞の機能と寿命に不可欠な代謝的・栄養学的サポートを神経細胞に提供している12,13。逆に、オリゴデンドロサイトの発達障害や欠損は、Pelizaeus-Merzbacher病などの遺伝性疾患や多発性硬化症などの炎症性疾患において、重大な認知障害や運動障害をもたらす14,15,16。オリゴデンドローム形成と髄鞘形成はともに、ヒトの環境化学物質曝露に対して脆弱な窓を広く持っている。オリゴデンドロサイト前駆細胞（OPC）からの乏突起endrocyteの発生は、胎児期に始まり、生後2年間を通じて増加する。成熟すると、オリゴデンドロサイトはニューロンを髄鞘化するが、この過程は乳児期から小児期にかけてピークを迎え、青年期、成人期まで続く17,18。従って、オリゴデンドロサイトは胎児期に脆弱であるだけでなく、出生後も長期にわたって脆弱である。

オリゴデンドロサイトの機能を特異的に標的とする環境化学物質は、天然物や工業化合物を含めてほとんど報告されていない19,20。環境中に存在する化学物質の大部分は、オリゴデンドロサイトの毒性について評価されてこなかったが、その一因として、オリゴデンドロサイトの発達を高純度かつ高スケールで捉えることが困難であったことが挙げられる。本研究では、急速に拡大する環境汚染物質のレパートリーに属する1,823種の化学物質を評価する毒性スクリーニング・プラットフォームを開発した。その結果、オリゴデンドロサイトの発達を阻害する化学物質として、一般家庭でよく見られる2種類の化学物質を同定した。

Discussion

化学物質の安全性を評価することは、人の健康を守るために不可欠である。環境化学物質の大部分が中枢神経系に及ぼす影響は不明であるが、ハイスループット・スクリーニングは、懸念される化学物質の優先順位をつけ、関連する神経細胞タイプへの毒性作用に基づいて、環境による発病の引き金を特定する強力なツールである2,40。オリゴデンドロサイトは、発生神経毒性学において、ユニークで十分な研究がなされていない細胞集団であることから、我々は、1,823種類の環境化学物質がオリゴデンドロサイトの発生に及ぼす影響を調べるための毒性スクリーニング・プラットフォームを開発した。このプラットフォームは、スケーラブルで純粋なマウスOPCを使用し、未知の生物活性を持つ化学物質をスクリーニングすることによって、潜在的な神経毒性物質を効率的に同定するように設計された。ヒトの健康に対する潜在的毒性物質のリスクを評価するためにヒト皮質オルガノイドを使用することで、種特異的かつ保存された反応を同定することができ、発達神経毒性試験のために他のモデルを使用したこれまでの取り組みを拡張する役割を果たした20,41,42,43。このアプローチにより、マウスとヒトのオリゴデンドロサイトの生成を阻害する化学物質を、四級化合物と有機リン系難燃剤という2つのクラスから同定した。

第四級化合物は、パーソナルケア製品、医薬品、帯電防止剤によく含まれている。SARS-CoV-2を除去するためのEPA登録製品の半数以上を含む消毒剤にこれらの化学物質が広く使用されていることは、COVID-19のパンデミック以前から一部の第四級アンモニウム化合物の血中濃度が倍増していることからも明らかなように、ヒトへの暴露を増加させる原因となっている可能性が高い44,45。オリゴデンドロサイトに特異的な細胞毒性ヒットでは、第4級化合物が濃縮されており、他の細胞種との比較を通じて、第4級化合物による細胞死に対する発達中のオリゴデンドロサイトの感受性の高さを証明した。このin vitroでの結果を、生後マウスに塩化セチルピリジニウムを投与することにより、in vivoで検証した。このモデルおよびヒト出生前の脳発達の3Dモデルにおいて、これらの化学物質がオリゴデンドロサイト発達の重要な時期にオリゴデンドロサイト系に特異的に細胞毒性を示すことが示された。第四級化合物は、発生中のオリゴデンドロサイトにおいてISRを誘導し、CHOPの蓄積とアポトーシスをもたらすが、ISRIBとQVD-OPHのコンビナトリアル・トリートメントにより、これを抑制できることを報告する。遺伝性疾患や炎症性疾患では、発育中のオリゴデンドロサイトや再生中のオリゴデンドロサイトは、小胞体ストレスやそれに続くISRの長時間活性化に対して特に感受性が高いが、これは発育中のオリゴデンドロサイトが大量のミエリンタンパク質を産生する必要があるためである46。第四級化合物の特異的な毒性の根底には、このような感受性があり、疾患における病態を引き起こしたり、悪化させたりする可能性がある。

発育中のオリゴデンドロサイトでは、第四級化合物の毒性のIC50値はナノモル領域であり、小児における多くの第四級アンモニウム化合物の予測血中濃度と同様である47。in vitroとin vivoの両方で、我々は四級アンモニウム化合物への急性暴露を評価したが、オリゴデンドロサイトの発達にまたがる慢性暴露は、生物濃縮能力を考慮すると、さらに低濃度で毒性を引き起こす可能性がある45。マウスとヒトのオリゴデンドロサイトにおける細胞毒性データと慢性暴露の潜在的リスクを考慮すると、第四級アンモニウム化合物が生後早期の間に血液脳関門を通過する能力を実証した我々のデータと、第四級アンモニウム化合物の使用の増加は、神経発達毒性に関する重大な健康上の懸念を提起している48。

有機リン系難燃剤の広範な使用は環境を汚染し、ヒトへの暴露を増加させており、ヒトの血液、尿、母乳、脳脊髄液からこれらの化学物質が検出されている49,50。われわれは、有機リン系難燃剤TDCIPPがin vitroおよびin vivoの両方でマウスのオリゴデンドロサイトの発生を停止させ、小児の推定血中濃度と同程度の濃度でヒト皮質オルガノイドにおけるオリゴデンドロサイトの生成を阻害することを示した51。これらの化学物質は脳脊髄液中では血液中よりも高濃度に達する可能性があるため50。

TDCIPPへの出生前曝露を評価したヒトの疫学研究では、母親の曝露と認知発達遅延との関連が確認されている33。しかし、これらの研究は出生前の曝露のみに焦点を当てている。したがって、有機リン系難燃剤による乳児期および小児期の神経発達におけるオリゴデンドローンと髄鞘形成の重要な時期の障害は、まだ評価されていない。我々は、有機リン系難燃剤への小児期の曝露と神経発達の異常な転帰との関連を明らかにするために、2013年から2018年にわたる米国CDCのNHANESのデータセットを分析した。ロジスティック回帰分析の結果、尿中BDCIPP濃度が高い小児では、複数の認知・運動異常転帰を報告するORが有意に増加することが示された。有機リン系難燃剤への暴露を継続的に評価し、小児の白質発達を直接測定することで、化学物質が介在するオリゴデンドロサイトの発達障害が、認知および運動の異常転帰に影響するという重要な証拠が得られるであろう。有機リン系難燃剤は広く浸透しており、人体への暴露はどこにでもあるが、行動介入はTDCIPPへの暴露を減らすのに効果的であり、子どもへの潜在的リスクを最小化するために考慮されうる52。

この研究により、一般的な家庭用化学物質に対するオリゴデンドロサイト系の毒物学的感受性が明らかになり、これらの化学物質への曝露による健康への潜在的懸念が提起された。第四級アンモニウム化合物やホスホニウム化合物、有機リン系難燃剤への暴露が及ぼす影響の全容を明らかにするためには、実験的・疫学的研究を継続する必要がある。この研究の結果は、化学物質への曝露を減らし、人の健康を守るための規制や行動介入に関する決定に役立つ科学的基盤に貢献するだろう。

本日は医学類4年生のプログレスセミナーの後、医療科学類4年生が論文紹介を行いました。生物学類2年生の方が参加してくださいました。ありがとうございました！

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