このプロトコルの目標は、過度の肝臓損傷を引き起こさないが、むしろ既存の肝臓の損傷を悪化させる低レベルの毒性暴露のマウスモデルを開発することであった。このパラダイムは、人間の暴露と安全と考えられる毒性濃度への暴露時に起こる微妙な変化をよりよく再現します。
このプロトコルの目標は、過度の肝臓損傷を引き起こさないが、むしろ既存の肝臓の損傷を悪化させる低レベルの毒性暴露のマウスモデルを開発することであった。このパラダイムは、人間の暴露と安全と考えられる毒性濃度への暴露時に起こる微妙な変化をよりよく再現します。
豊富な環境汚染物質である塩化ビニル(VC)は、高レベルで脂肪性肝炎を引き起こしますが、より低いレベルでは安全であると考えられています。いくつかの研究は、直接肝毒性としてVCの役割を調査しているが、VCは、高脂肪食(HFD)によって引き起こされる非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)のような他の要因に肝臓の感受性を変更するという概念は新しい。このプロトコルは、VCへの慢性的で低レベルの暴露の影響を評価するための露出パラダイムを記述します。マウスは吸入暴露の開始の1週間前に低脂肪または高脂肪食に順応し、実験を通してこれらの食事に留まる。マウスは、吸入室内のVC(サブOSHAレベル:<1 ppm)または室内空気に6時間/日、5日/週、最大12週間さらされます。動物は体重増加と食物消費のために毎週監視されています。VC暴露のこのモデルはVC吸入だけで過度の肝臓傷害を引き起こさない。しかし、VCとHFDの組み合わせは、肝臓病を有意に高める。この共露光モデルの技術的な利点は、拘束することなく、全身暴露です。さらに、条件は、基礎的な非アルコール性脂肪性肝疾患とVCへの複合暴露の非常に一般的な人間の状況に近いので、VCは肥満の合併症として肝臓損傷の発症のための環境リスク因子であるという新しい仮説を支持する(すなわち、NAFLD)。この作業は、VC(職業・環境)の現在の暴露限界が安全であるというパラダイムに挑戦します。このモデルの使用はVC暴露の危険に新しい光および懸念を与えることができる。毒性誘発性肝障害のこのモデルは、他の揮発性有機化合物のために使用することができ、肝臓や他の臓器系に影響を与える可能性のある他の相互作用を研究.
非常に低いレベルで呼吸する空気中に多数の毒性物質が存在します。塩化ビニル(VC)は、ポリ塩化ビニル(PVC)プラスチック製品1を作成するために業界で使用されるモノマーガスである。これは、一般的な環境肝毒性物質、既知の発癌物質であり、ATSDR有害物質優先リスト2に#4にランクされています。人間の健康に及ぼす毒性の影響や既存の共罹患率との相互作用をよりよく理解するためには、ヒトの暴露を模倣する暴露モデルを確立することが重要である。このグループの主な目的は、低濃度での慢性VC暴露の肝効果を研究することです。VCは肝臓にその主な効果を発揮し、脂肪症を引き起こすことが示されている(高濃度で)、壊死、線維症、肝硬変3、4、ならびに肝細胞癌(HCC)およびそれ以外の非常にまれな肝血管肉腫5を有する毒性関連性脂肪性肝炎(TASH)。TASHは何十年も人口の中に存在していた可能性が高いが、研究者4、6によって特徴付けされず、過小評価されたままでした。VC暴露に対する直接的な毒性の懸念を実証する研究の結果、労働安全衛生局(OSHA)は、8時間の作業日7で許容可能な暴露閾値を1ppmに引き下げた。暴露閾値は低下しているが、このVC濃度が人間の健康に及ぼす影響は不明である7.また、肝疾患などの既存の罹患率に対するVC曝露の影響は、8ではほとんど不明である。この知識ギャップは、非アルコール性脂肪性肝疾患(NALFD)4、6、7、9、10、11、12の世界的な流行の増加に起因して、今日特に重要です。重要なことに、VCは最近、他の原因13から肝疾患の独立した危険因子であることが示されている。したがって、このプロトコルの目的は、揮発性環境毒性物質、基礎的な肝損傷のコンテキストにおけるVCへの暴露のための関連する吸入モデルを開発し、ヒト暴露を模倣し、VC誘発またはVC増強肝障害の潜在的な、新しいメカニズムを同定することであった。
多くの環境毒性物質および汚染物質の暴露の主な経路は吸入によってである。いったん吸入されると、化合物は肺を介して全身循環に入り、肝臓に移動し、排泄される前に肝酵素によって代謝活性化され、14、15、16になる。多くの場合、体内の毒性と損傷を引き起こすこれらの活性代謝産物.このグループおよび他の人による以前の研究は、VCガス17、18への暴露のためのサロゲートとしてVC代謝産物を使用してきました。他のグループは、VCの吸入モデルを使用しています。しかし、非常に高い暴露レベル(>50 ppm)は、急性毒性、重度の肝障害、および腫瘍発達19を誘発するために実施された。これらの研究は、VC誘発発癌性の重要な情報とメカニズムを提供しているが、彼らは他の要因との微妙な効果や複雑な相互作用を再現していないので、人間の暴露にはあまり関連していません。
ここで説明するVC吸入と高脂肪食(HFD)モデル(タイムラインは図1を参照)は、マウスがヒト暴露をより密接に模倣する条件下で毒性物質にさらされる慢性、低用量VC暴露(すなわち、サブOSHA濃度)の最初のモデルである。実際、このモデルからのデータは、代謝経路20への影響、酸化ストレスおよびミトコンドリア機能障害4などのVC曝露ヒトで観察される結果を要約した。頭部のみモデルや鼻のみのモデル21のような吸入の他のマウスモデルは、動物を拘束する必要があり、動物にストレスを引き起こす。ここでは、この全身暴露法は、動物への注射や不必要なストレスを必要としません。動物は食物と水へのアドリビタムアクセスを有し、1日あたりの決定された時間数と週に1日の間、より大きな吸入室内に置かれる。さらに、VCが別の肝毒性に対する感受性を変更するという概念は、このグループ12によって最初に実証された新しい発見であり、直接肝毒性に必要な濃度をはるかに下回る濃度でのVC暴露に影響を及ぼす。
吸入暴露のこの方法は、我々の環境に存在する他の揮発性有機化合物を含む様々な気体毒性物質への曝露を模倣するために使用することができる。実際、揮発性有機化合物は、環境毒性物質の大規模なグループであり、工業化された地域でより一般的であり、その結果、特定の集団が慢性暴露のリスクが高くなる22.このプロトコルは、さまざまな実験的な質問に合わせて変更できます。投与される化合物の時間および濃度の長さは、変化させることができる。最初は肝障害の判定のために開発されたが、他の臓器系はこのモデル23で研究されている。動物との慢性暴露の研究を目指すが、動物のストレスを最小限に抑えたい研究者は、このモデルの使用を検討すべきである。
動物/VC実験はすべて環境衛生省によって承認され、実験動物ケアの安全衛生協会および手順は、地元の制度的動物ケアと使用委員会によって承認されました。
1. 精製・実験食への実験的セットアップと順応
2. 塩化ビニル吸入暴露システム
注:「鼻のみ」から「全身」の暴露、手動から自動システムまで、複数の吸入暴露システムが市販されています。このグループによって以前に公開されたデータは、全身マニュアルシステム12、23、24から導出された。自動吸入暴露システムを示す図を図2に示す。
3. 露出前のセットアップ
4. 暴露ケージと動物の準備
5. 露出の実施
6. 露出後
7. 暴露中のチャンバー内のVC濃度の検証
8. 吸入暴露実験の終了
注:吸入暴露開始後6、8、または12週間後に所望の時間点が与えられると、実験は終了し、動物は安楽死させられます(タイムラインについては図1を参照)。
実験の過程で、動物の体重と食物消費量を毎週監視し、動物の健康を確保し、生体内代謝を評価した。図3Aは、12週間の実験における体重と食物消費量を示す。体重は週1回測定し、食品消費量は全群について週2回測定した。すべてのマウスは研究の過程を通して体重を増やした。一方、HFD群中のマウスはLFD群のマウスとしてより体重が増加したが、VCに曝露されたマウスは、それぞれの対照群のマウスよりも体重が増えなかった。食品消費量は、すべてのグループ間で異なっていなかった12,24.
図3Bは、一般的な形態の分析のためにH&Eで染色された肝臓切片の代表的な顕微鏡写真を示す。LFDグループでは、VCは病理学的変化を引き起こさなかった。HFD給餌は、脂肪症(脂肪蓄積)およびVC暴露がこの効果を増加させた。さらに、HFD群におけるVC曝露は、いくつかの炎症性病巣12、24をもたらした。
血漿トランスアミネアゼ(ALTおよびAST)レベルは、肝臓損傷の指標として測定され、高いトランスアミネアゼレベルは、肝臓の損傷の指標である。LFD群では、VCはトランスアミネアゼレベルを増加させなかった。HFD単独では、わずかに増加したトランスアミネアゼレベルおよび重要なVCは、この効果を有意に強化した(図3C)12、24。
体重対体重比を各群について算出した。HFD は肝臓と体重の比率を有意に増加.しかし、VCはこの効果を有意に増加させなかった(図3D)12.

図 1: 吸入モデルの手順の概要マウスはそれぞれの低脂肪(13%飽和脂肪)または高脂肪(42%飽和脂肪)を1週間アドリビタムに与え、精製された食事に順応させる。1週間後、マウスは吸入レジメンに導入される。そのために、マウスは、<1 ppm(0.85 ppm ± 0.1 ppm)のサブOSHAレベルVC濃度(0.85 ppm ±0.1 ppm)または室内空気(制御)に曝露するための最先端の全身吸入室に置かれ、6時間/日、5日/週、12週間です。吸入手順の間、マウスは食物および水への自由なアクセスを許される。12週で、マウスは午前中に安楽死させる。このモデルは慢性暴露のより長い期間に延長することができる。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:吸入室設計均質な毒性濃度を提供する自動吸入暴露システムの図を示す。カスタムソフトウェアを使用すると、吸入暴露中に環境変数を変更、監視、記録できます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:塩化ビニルだけでは、肝臓の外傷を引き起こさないが、食事誘発性肝疾患を増強する。(A) 体重と食品消費量を毎週監視した。(B)H&E染色による一般的な肝形態の代表的な顕微鏡写真が示されている(倍率=200x)。(C)キチン化血漿を暴露期間の終わりに回収し、肝障害の指標としてトランスアミネアゼ酵素活性について分析した。(D)肝重量は、異なる実験時間点で決定し、全身重量と比較した。結果は、それぞれのLFD制御と比較して平均±SEM.b, p < 0.05 VC の不在と比較して.グループごとのサンプルサイズ n = 8−10。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
VC強化NAFLDのこのモデルは、全身吸入パラダイムにおけるサブOSHA限界VC暴露の効果を評価する新しい方法である。このモデルは研究者がVCの低レベルだけでサブ肝毒性および感作効果を研究することを可能にする。実際、この共暴露モデルは、強化された肝障害、血漿ALTおよびASTおよび中等度の炎症の上昇を達成する一方で、心臓などの他の臓器系に大きく影響しない一方で、この濃度23である。この慢性モデルは全身吸入室を必要とするが、ストレスおよび露出の集中を最小にする。ここで紹介するプロトコルはソフトウェア主導のアプローチですが、手動アプローチは露出12、24の正確で一貫した方法でもあることを私たちの経験から明けています。また、揮発性有機化合物暴露22に起因する他の臓器損傷23を含む複数の研究領域に容易に適用可能である。特に、このモデルは、環境化学物質および基礎疾患5に対するヒト共暴露の病因に近い可能性がある。
同様の結果を得るには、プロトコル最適化の特定の重要なステップを達成する必要があります。例えば、研究者は、チャンバ内のVCまたは他の毒性物質の濃度が所望の暴露範囲内(すなわち、低レベル、サブOSHA、または急性レベル)内であることを確立する必要があります。吸入室のこのステップを最適化することは、関心のある人的暴露のモデルを成功させるために重要です。第2に、1日当たりの露光時間および実験期間の調整も変更され得る。このグループの利益に応じて、職業的暴露設定が達成され、食事療法の追加パラメータも研究された。しかし、環境および急性暴露も、このプロトコルでモデル化され得る。
この作業は、VC(職業・環境)の現在の暴露限界が安全であるというパラダイムに挑戦します。実際、VCの現在のOSHA暴露限界は1ppmであるが、このモデルは、この限界以下のVCの濃度がマウスのHFDによって引き起こされる肝障害を増強するのに十分であることを証明した。このプロトコルは、研究者が研究し、新しい毒性暴露パラダイムを特徴付け、TASHをモデル化することを可能にします。
これは、慢性、低用量VC暴露の最初のモデルです。以前の研究は、VC暴露のサロゲートとして非常に高いボーラス濃度、急性暴露または活性代謝産物を使用しました。これらのアプローチはすべて、ヒトへの暴露に対する知見の関連性を低下させる。したがって、TASH-NAFLD相互作用のこの新しいモデルは、研究者が低レベルVC暴露の複雑な相互作用を調べるために必要なプラットフォームを提供します。
毒性誘発性肝障害のこのモデルは、他の揮発性有機化合物に使用することができ、また、肝臓および他の臓器系に影響を与える可能性のある他の相互作用を研究するためにも、8,22,23.さらに、このモデルは、さらに、この流行毒性24に対する作用様式の介入療法および詳細な機械的研究を調査するために使用することができる。VCは公知の発がん性物質26、27、28であるため、この暴露パラダイムはVC誘発癌の研究のためにも改変することができる。アルコール性肝疾患のような他の共罹患率も、VC共暴露によって増強され得る。さらに、多価不飽和脂肪18、29、30、または異なるタイプの炭水化物31およびこのモデルにおけるVCとの共暴露など、異なるタイプの脂肪を研究することが興味深いであろう。実際、これらの要因のすべては、肝臓損傷の発症に差分効果を有することが知られており、VC誘発性肝疾患に役割を果たす可能性があります。
結論として、これは環境毒性誘発性肝障害の新しい吸入モデルであり、慢性的で低レベルのVC暴露のための暴露パラダイムを確立する。このモデルで使用されるVCの濃度は、それ自体が肝毒性のサブ肝毒性であり、マウスの別の因子(HFD)によって引き起こされる肝障害を増強する。このモデルは、研究者が慢性VC毒性のメカニズムと介入を研究することを可能にし、露出したヒト被験者を見て、暴露の危険性が最も高い翻訳研究に役立つ可能性があります。
WTゴールドスミスは、説明されたシステムのテンプレートであるIEStechnoに金銭的な関心を持っています。残りの著者は開示するものは何もない。
この研究は、国立衛生研究所(K01 DK096042およびR03 DK107912)からジュリアン・バイアーへの賞によって資金提供されました。研究はまた、助成金番号P20GM113226の下で国立衛生研究所の国立総合医科学研究所の機関開発賞(IDeA)とアルコール乱用とアルコール依存症に関する国立研究所によって支援されました。国立衛生研究所は、賞番号P50AA024337の下で。コンテンツは、著者のみ責任であり、必ずしも国立衛生研究所の公式見解を表すものではありません。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ALT/AST試薬 | サーモフィッシャー | TR70121、TR71121 | |
| C57Bl/6Jマウス | ジャクソン研究所 | 000664動物 | 関連するすべての倫理および動物福祉規制に準拠しなければならず、 適切な政府および施設の動物管理および使用委員会によって審査および承認されなければなりません。これは慢性的な研究であるため、4〜6週齢の雄または雌のマウスを使用することをお勧めします。 |
| CO2モニター | IEStechno | Ex-Sens | |
| Eosin | Sigma | E6003 | |
| ヘマトキシリン | シグマ | HHS16 | |
| 吸入暴露チャンバーシステム | IEStechno | GasExpo | 吸入暴露チャンバーシステムには、カスタムソフトウェア、インターフェース、コントローラーハブが含まれています |
| 飽和脂肪酸 (13%) コントロールダイエット | Teklad Diets | TD.120336 | |
| 飽和脂肪(42%)ダイエット | Teklad | TD.07511 | |
| クエン酸ナトリウム | Sigma | 71497 | |
| 塩化ビニル | MATHESON TRI-GAS | Series 3590-CGA * | ガスの取り扱いには注意が必要です |