レビュー論文:フッ素が中枢神経系の恒常性障害に与える影響(The Influence of Fluorine on the Disturbances of Homeostasis in the Central Nervous System)
出典:https://link.springer.com/article/10.1007/s12011-016-0871-4
doi: 10.1007/s12011-016-0871-4
PMCID: PMC5418325 PMID: 27787813
他の参考:フッ素による人体と環境への過剰負荷の化学的側面
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8945431/
©Biological Trace Element Research
Author:
K Dec, A Łukomska, D Maciejewska, K Jakubczyk, I Baranowska-Bosiacka, D Chlubek, A Wąsik, I Gutowska
Received 2016 Aug 24;
Accepted 2016 Oct 11;
Issue date 2017.
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Abstract
フッ素は環境中に自然に存在し、ヒトのフッ素への毎日の曝露は主に飲料水によるこの元素の摂取に依存し、地理的地域と関係している。一部の国では、私たちは風土病のフッ素症を観察できます-フッ素の過剰摂取によって引き起こされる硬組織と軟部組織の損傷である。最近の研究は、フッ素が中枢神経系(CNS)に有毒であることを示した。フッ素の過剰摂取によって引き起こされる構造的脳損傷につながるいくつかの既知のメカニズムがある。この元素は血液脳関門を通過することができ、細胞学的変化、細胞活性およびイオン輸送(例えば塩素輸送)に影響を及ぼすニューロンに蓄積する。さらに、フッ素は非酵素的糖化最終産物(AGE)の濃度、神経伝達物質の代謝(主にグルタミン酸作動性の神経伝達に影響を及ぼす)、およびグルコース輸送体の障害であるGLUT1によるニューロンのエネルギー代謝を変化させる。また、呼吸鎖の一部である重要なタンパク質の活性を変化させ、機能不全を引き起こす可能性もある。フッ素はまた、神経変性につながるCNSにおける酸化ストレス、グリア活性化および炎症に影響する。これらの変化の全ては、神経細胞接着分子(NCAM)、グリア線維性酸性蛋白質 (GFAP)、脳由来神経栄養因子(BDNF)およびMAPキナーゼの発現の変化を介して、異常な細胞分化およびアポトーシスの活性化をもたらす。この元素への過剰な曝露は、すべての脳構造の永続的な損傷、学習能力の障害、記憶障害および行動上の問題などの有害な影響を引き起こす可能性がある。この論文では、小児および成人におけるフッ化物神経毒性の概要を提供する。
Introduction
フッ素は環境中に存在する活性非金属であり、工業や医療(診断、予防)で使用されている [1]。私たちの生物のフッ素への毎日の暴露は、主に私たちが居住する地理的地域に依存する。暴露に寄与する最も重要な因子は、飲料水中のフッ素含有量であり、程度は低いが、大気中および食物中のフッ素含有量である[2, 3]。さらに、この元素は、その有効性および口腔ケア用製品の製造コストの低さのために、虫歯の予防に一般的に使用されている[2, 4–6]。
乳児および小児の生体では、吸収されたフッ素の約80–90%が蓄積される。より少量が成人の生体に貯蔵される(60%)。摂取されたフッ素の75%~90%は胃や腸で吸収され、循環系に到達したフッ素の99%はカルシウムを豊富に含む組織(主に硬組織)に輸送される。遡及的研究はフッ素症の症状(骨や歯の生理機能の障害および軟組織の損傷)がフッ素の供給が0.15mg/kg/24時間を超えると出現することを示した[2, 3, 6~9]。近年、科学者たちはこの元素が神経系に及ぼす毒性影響に注目している。出生前および出生後の発達段階におけるフッ素への長期曝露は、ニューロンおよびグリアの代謝および生理学に毒性影響を及ぼし、記憶および学習に関連する過程の障害をもたらす[4, 10, 11]。飲料水中のフッ素含有量が高い地理的地域で実施された疫学調査では、これらの地域に住む小児は、フッ素に汚染されていない地域の小児と比較して、知能レベルが統計的に有意に低下していることが示された[10, 12, 13]。胎児期および新生児期のフッ素曝露は、この元素が胎盤を透過する能力を有し、血液脳関門を通過できるため危険である。若年者は、防御機構が十分に発達しておらず、血液脳関門の透過性が成人より高いため、フッ素の毒性影響に対する抵抗性が低い[2, 14~16]。この現象はラットで行われた研究で確認された。その動物は高レベルのフッ素(10、25、50mg/L)に8か月間曝露された。ラットの脳内のフッ化物含有量は、対照群の250倍も高かった [9]。しかし、フッ素が認知および学習能力を低下させ、記憶喪失を引き起こす正確なメカニズムは明確には定義されていない。これまで、この元素は、神経伝達、炎症性因子の合成、フリーラジカルプロセスおよび中枢神経系の細胞のアポトーシスに対する影響に関して研究されてきた [17]。
Cytological Changes within Neurons(ニューロン内の細胞学的変化)
コンパクトなヘテロ二量体チューブリンからなる微小管は細胞小器官が浮遊する細胞骨格を形成する。細胞の種類によっては、微小管は数mmの長さにも達することがあり、その弾力性とヘテロ二量体の構築または分解によって長さを調節する能力は、細胞の生理学にとって特に重要である [18]。細胞骨格の適切な構築はニューロンの機能にとって重要である。微小管構築の障害は樹状突起の劣化、軸索の変性およびPurkinje細胞数の減少に影響した[9, 19]。フッ素に曝露された成体マウスでは、海馬におけるヘテロ二量体 (Tuba1およびTubB2a) を形成するチューブリンの発現低下が観察された(飲料水中のフッ素含有量100mg/L)。チューブリンの合成における障害は、細胞の成熟や分裂などの過程に関連して重要である、なぜなら、これらの障害は、シグナル伝達の能力を欠いた機能不全のニューロンの生成につながる可能性があるからである [9]。
脳内のフッ素の蓄積は、ニューロンのリボソームとRNAの濃度であるニッスル小体の含有量にも影響する。これらの濃度は灰白質の特徴的な色の原因となる。比較的低濃度のフッ素に暴露された成体ラットでは、ニッスル物質の含有量の有意な減少が観察された(飲料水中のフッ素濃度、2.1mg/Lおよび10mg/L)。これらの値は、活動中のニューロンで計算されます。それらの含量は、老化して退化する細胞で減少する [1]。
Neuron Activity and the Transportation of Ions(ニューロンの活動とイオンの輸送)
成体標本で行われた研究は、ニューロンの体積に対するフッ素の負の影響を示した。細胞の体積とイオン濃度の調節は、神経系の恒常性の維持に重要な影響を及ぼす[4, 20]。神経シナプスが刺激されると、細胞の体積は最初の体積の4~30%増加する。このような変化は、細胞質から細胞外へのイオンと水の流れの変化、およびその逆に関連しているため、ニューロンの活動に影響を及ぼす[21–23]。フッ素(5mM)は、細胞からの塩化物イオンの流出を増加させ、MAPキナーゼファミリーのタンパク質の活性を変化させることによって、成体ラットおよびマウスの海馬のニューロンの恒常性に障害を引き起こす。これはニューロンの体積と活動の減少につながる[4]。MAPキナーゼ、すなわちマイトジェン活性化プロテインキナーゼは、マイトジェン(分裂促進因子)のような細胞外因子に対する応答の調節に関与するタンパク質ファミリーである。タンパク質ERKとJNKおよびタンパク質p58のアイソフォームはセリントレオニンキナーゼファミリーに属する。これらのタンパク質は、細胞の成長と分化の調節、アポトーシスの調節、および遺伝子の発現に影響を及ぼす [24]。しかしながら、最近の解析により、それらが膜輸送体の活性の調節にも関与していることが証明された。フッ素はRasタンパク質の活性に影響を与え、ERKの活性化につながる一連の反応を活性化する。これは膜イオンチャネルに影響を与え、イオンの流れの変化(塩化物イオンの流出の増加を含む)と神経細胞の体積の変化を引き起こし、細胞代謝、細胞機能、そして何よりも神経インパルスの伝達に障害を引き起こす[25, 26]。
The Energy Metabolism of Neurons(ニューロンのエネルギー代謝)
ミトコンドリアの活動は、ニューロンの数多くの過程と寿命に影響する非常に重要な因子である。解糖能力が限られているため、これらの細胞は中枢神経系の主要なエネルギー源である酸化的リン酸化のプロセスに依存している。ミトコンドリアによって作られたエネルギーは、膜イオンチャネルの活性とシナプスを介したインパルスの伝達に使われ、これらの器官の機能不全は神経変性疾患で観察される[27, 28]。ニューロンのエネルギー代謝に影響する重要な因子の1因は、グルコースの輸送、吸収および変換である。グルコースはニューロンの主要なエネルギー源であるからである[29]。生体に適切な量のグルコースを供給することが認知機能の改善に大きく影響することは周知の事実であり、グルコース代謝の障害がニューロンの死の原因である可能性があることが多くの解析によって確認されている [30–32]。フッ素に曝露されたラットでは、グルコース使用量の減少(飲料水中のフッ素濃度、50および100mg/L)、ならびに神経系におけるグルコース取り込みに関与する主要受容体であるGLUT1(飲料水中のフッ素濃度、25、50および100mg/L)の大脳皮質および海馬における発現の減少が観察された [30]。
ミトコンドリアの機能にとって同様に重要な因子は酸化ストレスである。活性酸素種(ROS)の過剰産生によって引き起こされる酸化ストレスは、ミトコンドリア酵素の活性に対する影響を介してニューロンの機能に有意に影響する。13mg/kg/24時間の割合でフッ素を投与したラットでは、神経細胞のミトコンドリアにおけるROS合成の増加、ミトコンドリア膜の完全性の障害およびミトコンドリア膜電位の変化が観察された[33]。高濃度(150mg/L)のフッ素飲料水への出生前および出生後のマウスの暴露は、動物の大脳皮質のエネルギー代謝に障害を引き起こした。観察された事実の1個は、ATPシンターゼのサブユニットの1個であるATP5hの活性の増加であった。この酵素は、F1とF0という2個の二量体を形成するいくつかのサブユニットからなる。F1は触媒部分であり、F0はプロトン輸送に関与する膜サブユニットである。これらのサブユニットの機能障害は細胞内のエネルギーバランス(ATP/ADP)の変化をもたらす。その結果、F0のコンテンツの一部であるサブユニットATP5hの活性亢進が認められ、ATP合成酵素の活性に異常が生じていた[15, 34]。フッ素曝露は呼吸鎖複合体1の一部であるNADH‐ユビキノン酸化還元酵素の活性低下を引き起こした。それは鎖中のイオンの輸送とATP合成過程に必要なナトリウム勾配の生成に関与している。前述のATP合成酵素とNADH-ユビキノン酸化酵素の活性の変化は、神経細胞のミトコンドリアにおけるATP合成の有意な減少をもたらす[15, 35]。マウスで実施された別の研究では、フッ素が呼吸鎖の複合体およびクエン酸回路の酵素の活性に影響を及ぼすことが確認された。複合体I、II、IIIおよびIVの活性の低下;高濃度フッ素(飲料水中のフッ素濃度270mg/L)に暴露されたマウスの大脳皮質、小脳及び海馬においてイソクエン酸脱水素酵素及びコハク酸脱水素酵素が認められた [27]。
呼吸鎖複合体の活性低下は、細胞全体と同様にミトコンドリアの分解につながる経路を活性化するROSの合成の増加に影響する[27]。ROSと脂質過酸化産物は、イソクエン酸デヒドロゲナーゼの活性領域を遮断する化合物の生成にも関与し、その結果、クレブス回路におけるイソクエン酸の酸化的脱炭酸を阻害し、この経路の活性に影響を及ぼす。フッ素自身は、タンパク質の水素結合を切断する能力を通じて、多くの酵素の活性に影響を与える - 例えば、酵素活性中心において[36, 37]。さらに、ミトコンドリアにおけるフリーラジカル合成の増加は、酸化ストレスの開始とミトコンドリアDNAの分解をもたらす。これらのプロセスの結果、ミトコンドリアで起こる別の現象が形成される - ATP合成に必要な酵素の発現の障害とATP濃度の低下。その結果、細胞死を引き起こすプロセスが活性化される[33]。
Oxidative Stress and the Activity of Anti-Oxidative Enzymes(酸化ストレスと抗酸化酵素の活性)
実験動物モデルを用いて実施した解析により、中枢神経系におけるフッ素の蓄積が、若齢および成体標本の両方において酸化ストレスの活性化を介して炎症および変性プロセスを開始することが確認された。酸化ストレスは、ROSの合成と抗酸化酵素の活性との間のバランスの乱れによって引き起こされる。ROS濃度の増加は代謝障害、炎症状態の開始および細胞の分化、成熟および分裂の障害をもたらす。その結果、組織損傷を引き起こす[17, 38]。ROSは細胞のシグナル経路に障害を引き起こすだけでなく、濃度が高いと膜脂質放出と酸化が起こる。このプロセスの産物はさらに生理的および薬理学的に活性な炎症性化合物に変換される可能性がある[39]。
細胞培養および動物モデルで実施された多数の分析は、脳におけるフッ素蓄積がROS濃度の増加、抗酸化酵素活性の低下および脂質過酸化の強度の増加をもたらすことを確認した。海馬から分離したニューロン培養において、48時間のフッ素インキュベーション(濃度、40および80mg/L)後、いくつかの現象が観察された:ROSおよび脂質過酸化の誘導体、マロンジアルデヒド(MDA)の合成の増加、抗酸化酵素、スーパーオキシドジスムターゼ (SOD)およびグルタチオンペルオキシダーゼ(GPx)の活性の減少、およびグルタチオン濃度の減少[40]。カタラーゼ(CAT)活性の増加がフッ素に曝露された若齢ラットで観察され、これは生命体における酸素フリーラジカルの有害な活性に対する保護機構の活性化を示す可能性がある(飲料水中のフッ素濃度、30および100mg/L)[33, 41]。体重1kgあたり20 mgのフッ素を24時間ごとに投与した成体ラットに関連して、脳内グルタチオン濃度が低下し、OHおよびNOラジカルの産生が増加し、抗酸化酵素CAT、SOD、GPXおよびグルタチオンレダクターゼ(GR)の活性が低下することが観察された[5]。さらに、脂質および蛋白質の酸化強度の増加が大脳皮質、小脳および延髄で観察された(飲料水中のフッ素濃度、50および150mg/L)。これらの結果は、出生前および出生後にフッ素に曝露されたラットにおいて、生後14日目という早期に血清中および脳中のフッ素濃度の上昇が観察され、その結果、分析された動物の脳においてSOD活性の低下および脂質過酸化の強度の上昇が生じた別の分析によって確認された(飲料水中のフッ素濃度20mg/L) [33, 42]。飲料水中のフッ素濃度10mg/Lに暴露した成体ラットでも、脂質酸化生成物濃度の上昇が観察された。これらの動物の場合、SOD活性も低かった[17]。
これまでの解析から、フッ素が脳機能障害に影響を与えるメカニズムの1個として、ROSの合成増加とその活性に対する防御機構の弱体化(抗酸化酵素の活性低下)が挙げられる[43]。中枢神経系では、酸素を利用するプロセスの強度が非常に高い。さらに、高濃度の容易に酸化できる脂肪酸が存在し、抗酸化酵素の活性は他の組織と比較して比較的小さい[7, 44]。長期にわたる酸化ストレスは、フリーラジカルの除去に関与する酵素の「摩耗」を引き起こす。細胞内のフリーラジカルの濃度が上昇すると、脂質の過酸化やタンパク質および核酸の酸化が起こる[40, 45]。ニューロンにおける膜リン脂質の放出と酸化による含有量の変化は、細胞膜の流動性、安定性、透過性の変化をもたらす[46, 47]。さらに、異なるシグナル経路を活性化することにより、酸化ストレスは細胞寿命の減少、成長と分化の障害およびアポトーシスの開始をもたらす[7, 48, 49]。
The Advanced Glycation End Products(終末糖化産物)
蛋白質と脂質の高度糖化最終産物(AGE)は、酵素触媒を介さない多段階プロセスで生体内で自然に生成される。生理学的条件において、AGEは細胞分化の阻害を含む調節機能を果たす。胎児幹細胞では糖化産物の含量が高かった。それらは分化し始めると集中的に分解される。生体内でのAGEの合成と濃度の増加は病理状態で観察される[43, 50]。正常に機能している生体では、AGEはプロテアソーム中で速やかに分解される。しかしながら、いくつかの産物では架橋が起こり、それがこれらの細胞の物理化学的性質に影響を与え、不溶性の凝集体の生成につながる。AGEは特異的な受容体に結合する。現在、非酵素的糖化産物に結合する受容体が5種類が知られている:MSR-1 (マクロファージスカベンジャー受容体)、AGE-R1、AGE-R2 (リンタンパク質に結合する)、AGE-R3 (ガラクトシド基を認識する)、RAGE (AGEs受容体)。受容体AGE-R1–3とMSR-1は循環からの糖化産物の除去に関与するが、RAGEはROS、転写因子、および核因子kB(NF-kB)や前述のMAPキナーゼ (MAPK)などの炎症性粒子の合成に関連するプロセスを活性化するシグナル受容体として作用する[43, 50, 51]。RAGEは、マクロファージ、Tリンパ球、心筋細胞、内皮細胞、平滑筋細胞、ニューロンおよび樹状細胞に発現を示す[52]。ニューロンにおけるAGEの蓄積はROSの合成を増加させ、神経インパルスの伝達を妨害し、神経線維の萎縮を刺激する。さらに、それは細胞のアポトーシスと分化を調節する蛋白質の発現増加と相関する[43, 53]。
成体ラットで実施されたin vivo研究は、フッ素が細胞内のタンパク質の高度糖化産物の濃度を増加させることを示した(飲料水中濃度50mg/L)[43]。RAGEとNADPHオキシダーゼ2(NOX2)の発現の有意な増加も、6か月間フッ素に曝露した標本で観察された(飲料水中の濃度、5および50mg/L)。AGE/RAGEの活性化に対するNOX2の影響を調べるために、細胞培養との同時研究を行った。ヒト神経芽細胞腫由来SH‐SY5Y細胞をさまざまな濃度のフッ素と48時間培養した(適用濃度0.5、5および50mg/L)。次の現象が50 mg/Lの濃度の培養で観察された:培養6時間後のROSとMDAの有意な増加、培養12時間後のNOX2の発現増加と培養24時間後のRAGEの発現増加、および培養36時間後の細胞におけるAGE濃度の増加(分析された粒子の濃度は培養時間と正に相関)。神経細胞の変性を引き起こす機構の一つがAGE/RAGE複合体の活性化であることを確認した。in vitroで実施された追加解析では、AGE/RAGEの活性化につながるメカニズムの1個がNOX2の活性の増加であることが確認された[43]。
蛋白質の非酵素的糖化の強度の増加は、酸化因子の活性が強くなると同時に、抗酸化機構が阻害されると主に観察される。前述のように、フッ素はフリーラジカルの合成を強化し、中枢神経系における抗酸化酵素の活性を低下させ、AGEsの合成とニューロンの膜上でのRAGEの発現を強化する可能性がある。その結果、神経系の細胞にAGEが病的に蓄積する可能性がある[43, 52]。神経細胞にAGEが蓄積は炎症性転写因子を活性化する - 炎症状態を引き起こすNF-kBや神経細胞膜の透過性を変化させ、アポトーシス経路を活性化する可能性のあるMAPキナーゼ。これらのプロセスは樹状突起の脱髄とニューロンの変性を開始する。
The Synthesis of Proinflammatory Factors(炎症誘発因子の合成)
すべての臓器における炎症状態の開始と進展を示す因子の1個は、インターロイキン濃度の変化である。インターロイキンはサイトカインに属する - 細胞間シグナル伝達と免疫応答の調節に関与するタンパク質である[54]。神経系のサイトカインは、睡眠の調節や記憶に関連するプロセスに影響を与える。また、神経変性プロセスにも関与し、血液/脳関門の完全性を維持するのに役立つ[55]。インターロイキン6(Il‐6)はマクロファージ、Bリンパ球、ミクログリア、ニューロン、脂肪細胞、筋細胞および線維芽細胞によって分泌されるが、Il‐6受容体 - 白血球およびミクログリア細胞の一部である - の発現を示す細胞はごく少数である。神経系では、アストロサイトとオリゴデンドロサイトはIl-6に対する受容体の発現を示さない[54]。生理学的条件下では、神経系における低濃度のIl-6が観察される[56]。低濃度では、Il-6は神経保護作用を有する可能性がある - すなわち、Il-6はオリゴデンドロサイトの分化に影響を及ぼし、神経栄養因子として作用し、ニューロンの再生に関与し、Il-6遺伝子が遮断されたマウスでは、ミクログリアの活性化が低下する。Il‐6濃度の上昇は炎症状態や神経変性疾患に現れる[57, 58]。炎症性疾患や神経変性疾患では、Il‐1BやTNF‐αなどの他のサイトカイン濃度の上昇も認められる。これらのサイトカインは炎症状態の開始とニューロンの死に関与する[59]。成体ラットをフッ素に曝露すると、海馬および大脳皮質のミクログリアが活性化され、炎症性サイトカイン - Il-1B、Il-6およびTNF-α - の合成を介して炎症状態が引き起こすことを研究が示す(飲料水中の濃度、60および120mg/L)[60]。
The Activation of Glial Cells and the Migration of Lymphocytes to CNS(グリア細胞の活性化とリンパ球の中枢神経系への移動)
神経系には多数のグリア細胞が存在するが(これらの細胞はニューロンの10倍と推定されている)、情報伝達には関与せず、ニューロンの活動を支援することを任務としている。星状細胞、オリゴデンドロサイト、シュワン細胞を含むマクログリアとミクログリアに分けることができる。星状細胞は、恒常性と神経系の適切な機能の維持に不可欠な機能を果たす。他の役割の中でも、カリウムの代謝と適切な濃度の維持、pHの調節、神経伝達物質の代謝と輸送、刺激の強さの調節に関与している[17, 61]。グリア線維性酸性蛋白質(GFAP)細胞数の増加は星状細胞の活性化とフッ素のような有害因子に対する防御機構の開始を示す。GFAPは星状細胞に特異的な蛋白質である。神経系の細胞が損傷を受けたり、代謝障害を起こしたりすると、その発現が増加します。それは損傷を最小限にし、修復するためにそれらの増殖を刺激する[17, 62]。ミクログリアは神経系に「定着」するマクロファージから分化する細胞である。星状細胞の場合と同様に、その仕事は神経系のバランスを保つことである。しかしながら、それらの影響と活性はマクロファージの活性と相同性がある。それらは神経組織の分解産物の吸収に関与している。したがって、ミクログリアの増殖は、細胞間空間に入り込む不適切なタンパク質や、死にかけたニューロンから放出される物質などの外的要因によって刺激される[63]。ミクログリアの活性化は、MAP-ERKキナーゼの活性に関連する経路が開始されたときに起こる可能性がある。神経系における酸化ストレスは、炎症性物質の合成を開始するグリア細胞におけるERKの発現増加を引き起こす[64, 65]。Bリンパ球の神経系への遊走は病的状態で観察される。それらは、損傷の進行の阻害と、とりわけミクログリアに関与する修復プロセスに関与する[17, 34]。
フッ素に曝露された成体ラットから採取した材料で実施した免疫組織化学分析は、星状細胞の活性化が大脳皮質で起こることを示した(飲料水中のフッ素濃度10mg/L)。研究試料では、星状細胞に特異的に結合したGFAPの免疫反応性の増加が観察された。また、曝露されたラットの脳では、ミクログリアの活性化とB細胞の移動が起こっていることが確認された。その研究は、ミクログリアを含むマクロファージ系由来の細胞に特異的な抗CD68抗体と、B細胞に特異的な抗CD20抗体から構成された [17]。
The Metabolism of Neurotransmitters(神経伝達物質の代謝)
フッ素がニューロンの機能障害に影響する別のメカニズムは、神経伝達物質の濃度変化である。フッ素に長期間さらされると、脳内のグルタミン酸濃度が低下します。グルタミン酸は中枢神経系の全神経伝達物質の約30%を占め、主要な刺激伝達物質である。記憶と学習の過程をつかさどる海馬に多量に分泌される[66–68]。このアミノ酸は食餌とともに生体に供給される。しかしながら、血液/脳関門を通過するのはごく少量である。これは、この神経伝達物質の脳への過剰な流入から神経細胞の脱分極と損傷を防ぐための防御機構である[69, 70]。したがって、中枢神経系では、内因性グルタミン酸の合成とその喪失の間にバランスがなければならない。グルタミン酸の合成には、アスパラギン酸トランスアミナーゼ(AST)とアラニンアミノトランスフェラーゼ(ALT)が関与する。それらの活性はフッ素の過剰供給によって阻害される[69, 71]。この元素はまた、グルタミン酸デカルボキシラーゼ(GAD)の活性を増加させ、その結果、グルタミン酸がγ-アミノ酪酸(GABA) - 神経系における主要な阻害伝達物質 - に変換される。これらのプロセスは、脳内のグルタミン酸プールの減少につながり、シナプス伝達の機能障害や認知機能の障害につながる。
ベルクマングリア細胞(BGC)は小脳に豊富に存在する。神経伝達物質の輸送と代謝、神経系におけるカリウムバランスと正しいpHの維持に関与している。BGCのより重要な機能の1個はグルタミン酸の代謝である。これらの細胞はこの神経伝達物質の主要な供給源の1個であり、グルタミン酸作動性刺激の大部分を担っている[6, 72]。ラットの小脳から単離したBGC細胞を1mMおよび2mMの濃度のフッ素で培養すると、細胞寿命が有意に減少し、グルタミン酸の代謝障害を引き起こした[6, 73]。他の研究では、試験動物の血清、海馬および大脳皮質におけるグルタミン酸濃度の減少(飲料水中のフッ素濃度120 mg/L)、グルタミン酸デカルボキシラーゼ活性の増加およびグルタミン酸の代謝に関与する酵素であるアスパラギン酸トランスフェラーゼおよびアラニントランスフェラーゼの活性の減少が示された(飲料水中のフッ素濃度150 mg/L) [66, 69, 74]。グルタミン酸は特異的なイオンチャネル型および代謝調節型(mGluRs)受容体の刺激を介して記憶プロセスに関与する。mGluR I群の受容体(mGluR1とmGluR5)が担っていることの1個は、シナプスの正しい可塑性の維持である。
これらは海馬、大脳皮質、小脳で発現する。試験動物におけるmGluR5の発現阻害は、空間定位および「空間学習」における有意な障害を引き起こす。フッ素はmGluR5の発現をわずかに減少させた[66, 75]。グルタミン酸作動性刺激は記憶(主に長期記憶)と学習に強く関係しているので、グルタミン酸の合成と輸送のすべての障害はこれら2個のプロセスに負の影響を与える[6, 76]。
フッ素はまた、セロトニン、ドーパミン、ノルエピネフリン、アセチルコリン、エピネフリンなどの神経伝達物質の分泌に変化をもたらす(飲料水中のフッ素濃度、20、40、60mg/L)[77]。100mg/Lのフッ素濃度の飲料水を与えられた成体ラットは、海馬、線条体および大脳皮質におけるノルアドレナリンおよびセロトニンの濃度が高かった[78]。
The Expression of Proteins that Regulate the Maturing, Differentiation and Proliferation of Neurons(ニューロンの成熟、分化、増殖を制御するタンパク質の発現)
出生前および出生後の期間における若い標本のフッ素への継続的曝露は、調節蛋白質の発現への影響を介してニューロンの変性につながるプロセスを開始する。他の現象の中で、脱髄性の変化、プルキンエ細胞数の減少、樹状突起の分解が、長期間フッ素を投与された動物の病理組織像で観察されている[79]。
神経細胞接着分子(NCAM)は、神経系の細胞の接着と移動、軸索とシナプスの発達、およびシグナル経路の活性化に関与する膜糖タンパク質である[80]。アイソフォームNCAM‐120、NCAM‐140およびNCAM‐180の発現の障害は神経系の認知機能に影響するが、NCAM‐180の存在は海馬におけるニューロンの可塑性に有意に影響する。海馬から単離した神経細胞はフッ素(適用フッ素濃度20、40、80mg/L)との培養後にNCAMの発現低下を示す。80mg/Lの濃度では、前述の3個のアイソフォームの量がすべて減少したが、低いフッ素濃度では、アイソフォームNCAM-180の発現も有意に減少した[40]。NCAMの発現低下はニューロンの可塑性に影響し、認知機能の障害を引き起こす。この現象は、NCAM遺伝子をブロックした動物で行われた実験で確認されており、動物は空間学習に問題があることが示された[40, 81]。
フッ素に曝露された動物は慢性疼痛に苦しみ、疼痛に対する感受性が高かった。さらに、これらの動物の大脳皮質及び海馬において、脳由来神経栄養因子(BDNF)の発現の増加及びGFAPの発現の減少が認められた(飲料水中のフッ素濃度、50および150mg/L) [30]。BDNFの発現は、とりわけセリン-トレオニンキナーゼによって調節されているので、神経細胞におけるBDNF濃度の変化は、フッ素によるMAPキナーゼファミリーのタンパク質の活性化によって引き起こされる可能性がある[4]。BDNFはニューロトロフィンに属するタンパク質である - ニューロトロフィンは神経栄養因子のグループであり、神経細胞の分化と生存をサポートする物質を含む[82]。BDNFはニューロンの成長と再生を調節し、その可塑性に影響する。その合成の増加は、組織の損傷や老化などの過程に伴う[83–86]。GFAPは星状細胞に特異的なタンパク質であり、その発現の変化はニューロンやグリア細胞の成熟に影響を及ぼす[87]。神経系におけるBDNF濃度の上昇と同時にGFAP濃度の低下は、神経細胞の成熟における障害と、フッ素の毒性影響によって引き起こされた損傷の中和を目的とした修復プロセスの活性化を示している[11]。
The Influence of Fluorine on the Initiation of Apoptosis in the Central Nervous System(中枢神経系におけるアポトーシスの開始に対するフッ素の影響)
細胞中のROSはシグナル伝達粒子として機能し、生理的濃度では代謝経路の活性に影響する。しかし、細胞内の濃度が高すぎると、DNAの酸化やαヘリックスの破壊など、核酸の酸化を引き起こす。修復機構によって検出されるこのような多くの変化がDNAに蓄積すると、アポトーシス経路が活性化される[88–90]。海馬から分離した神経細胞をフッ素で48時間培養すると、アポトーシス細胞数が有意に増加した。この研究では、20、40、80 mg/Lの濃度のフッ素が使用された。しかしながら、アポトーシス細胞の濃度の増加は40および80 mg/Lの場合に現れた[40]。
核因子κB(NF-kB)は、細胞増殖、細胞周期の調節、炎症状態の発生およびストレスへの応答に関連するプロセスに関与する転写因子である[91–94]。その発現レベルとそれが影響する経路に応じて、それはアポトーシスから細胞を保護したり、プロセスを開始したりする[95, 96]。ラットの海馬から分離したニューロンをフッ素(40および80mg/L)で24時間培養した研究では、DNA損傷の頻度が有意に増加し、NF-kBの合成が増加した[48]。低濃度のフッ素(30mg/L)に暴露した動物では、NF-kBの発現が増加し、これは研究した細胞におけるカルシウムイオン濃度の増加と相関していた。フッ素はニューロンにおけるROSの合成を増加させ、細胞膜に損傷を引き起こすことが広く知られている。カルシウムイオンは損傷した膜を通って神経細胞に移動し、とりわけNF-kBの発現を増加させる。その結果、プログラムされた死の開始に影響を及ぼす[95, 97]。
これまでの解析は、慢性フッ素症で観察されるニューロンのアポトーシスがミトコンドリア経路によって活性化されることを示している。神経細胞変性に関わるプロセスにはMAPキナーゼ、G蛋白質、カルシウムイオン、p38蛋白質、Jun N末端キナーゼ(JNK)が関与するシグナル経路が影響することが証明された[98–100]。ラットを低濃度(5mg/L)および高濃度(50mg/L)のフッ素飲料水に6ヶ月間暴露すると、脳のアポトーシス細胞数およびリン酸化型JNKの含量が有意に増加した。JNKの総量の場合、その変化はわずかであった。この分析は、フッ素がJNKの活性化を介してアポトーシスを刺激することを示唆している、なぜならこれは、暴露された動物の脳では、対照群の動物と比較して、このタンパク質の総含量ではなく、活性型(リン酸化型)の含量が増加しているからである[98]。JNKキナーゼは、カスパーゼの活性化およびこのプロセスに関連する遺伝子発現の変化を介してアポトーシスに影響を及ぼす[101]。さらに、飲料水中のフッ素を与えられた成体ラットでは、アポトーシス促進蛋白質Baxの発現増加とアポトーシス阻害Bcl‐2の発現減少があった。Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling (TUNEL)法による解析により、動物の脳構造におけるアポトーシス過程の強度の増加が確認された(飲料水中の濃度、60および120 mg/L)[60]。
in vivoで得られた結果をin vitro研究で確認した。SH‐SY5Y系細胞の培養において、フッ素(40および80mg/L)との48時間の培養後、カスパーゼ‐3の濃度およびFas、Fas‐L、カスパーゼ‐3およびカスパーゼ‐8の発現の増加があった。カスパーゼ‐3の活性は、ミトコンドリア経路で活性化されるカスパーゼ‐8およびカスパーゼ‐9を含む他のアポトーシス促進蛋白質の発現および活性の変化によって調節される。フッ素の毒性影響によって引き起こされる細胞の損傷は、Fasによるプロカスパーゼ-8の活性化と、最終的にニューロンの分解を開始するカスパーゼ-3の活性化を介して、アポトーシスのミトコンドリア経路の活性化につながる[102]。
Summary(まとめ)
フッ素の神経毒性に関する以前の研究は、中枢神経系の恒常性の障害につながる主要なメカニズムの1個が酸化ストレスであることを示した。ROSは多くのプロセスにおいて高濃度で仲介者として作用する。それらは細胞損傷と代謝障害を引き起こすことができる[38]。フッ素は、ニューロンとグリアにおけるROS合成と脂質過酸化の増加と抗酸化酵素活性の低下の両方に関与している[43]。フッ化物の過剰摂取はまた、転写因子およびNF-kB、インターロイキンおよびMAPキナーゼを含む炎症性物質の合成につながるCNSにおけるAGE合成の増加の原因となる[43]。さらに、フッ素は脳の炎症に関与するグリア細胞活性化と、NCAM、GFAP、BDNF、JNK、BaxおよびBcl2のようなニューロンの分化と増殖を調節し、アポトーシスを開始する蛋白質の発現の変化を引き起こす[17, 30, 60, 61, 101]。CNSにおけるこの元素の蓄積は、ニューロン内の細胞学的変化(チューブリンの発現とニッスル小体の濃度の変化)、およびニューロンの活動とそのエネルギー代謝の変化を引き起こす[1, 4, 9, 15, 30]。神経系におけるフッ素の蓄積は、神経伝達物質の合成、酵素の活性、受容体の発現およびニューロンの可塑性に影響を及ぼす[105–107]。in vivoおよびin vitroモデルで実施された多数の解析により、高濃度のフッ素への長期暴露がニューロンの変性を引き起こすことが確認された[1, 60]。
発達中の中枢神経系は、防御機構が弱まっているため、フッ素の影響に非常に敏感である。小児期にこの元素に暴露すると、すべての脳構造の機能に永続的な損傷が生じることがあります[103, 104]。高用量のフッ素の毒性影響に曝露された若年および成人の両方の標本において、学習能力の障害、記憶および情報処理の障害および行動上の問題を観察することができる。これらはすべて生活の質を低下させる[42]。風土病のフッ素症の発生に関する多くの報告により、世界保健機関(WHO)は飲料水中のフッ素の許容濃度を、ヒトの生体内に過剰に蓄積せず、有害作用を引き起こさないレベルに設定した。現在の値は1.5mg/Lに設定されている [1, 2]。しかし、神経系に対するこの元素の毒性影響に関する最近の知見、特に発生中の生物との関連で危険であることから、フッ素症が頻繁に発生する国ではより高い規制が必要となっている。
翻訳者より補足:日本の水道水について
水道水質基準:https://www.env.go.jp/water/water_supply/kijun/kijunchi.html#01
PFAS:https://www.env.go.jp/water/pfas.html
PFAS Q&A:https://www.env.go.jp/content/000242834.pdf
他の参考:フッ素による人体と環境への過剰負荷の化学的側面
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8945431/
日本の環境省より、日本の水道水質基準では0.8mg/L(≒0.8ppm)となっている。それに加えてPfas(有機フッ素化合物のこと。問題になっているのがペルフルオロアルキル化合物及びポリフルオロアルキル化合物)が難分解性、高蓄積性のため、日本では2020年に50ng/Lと別途制限基準を設けている。
詳しく知りたければ他の参考にPFASについて半減期が推定3.5年か4.8年とか書かれてるので各自勝手に調べてね。
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