肝臓での薬物代謝に対する環境化学物質の影響

細川 正清  (千葉大学薬学部薬物学研究室)

 私たちの生活環境には、医薬品、農薬、食品添加物、環境化学物質など膨大な数の合成化学物質に満ちあふれている。これらの化学物質は、それぞれ人間の生活において、疾病の治療、農業生産の向上、食品の保存、健康の増進や快適な生活環境を維持していく上で、重要な役割を果たしており、現代人が生活する上で必要不可欠なのもとなっている。しかしながら、これらの化学物質は、自然環境に多大な影響を与えており、さまざまな影響を及ぼすことがわかっている。現代社会は、このような合成化合物を有効利用し、その恩恵をうけることにより発展してきたのだが、このような化学物質の危険性を認識しなければならない。近年、化学物質の安全性や危険性に対する科学的検討が行われているが、解明されていない多くの未知の部分が残されているのも事実である。化学物質の中でも医薬品は、治療の目的で人間の体内に摂取されるが、ときには本来の目的とは異なる副作用が生じ重篤な症状が惹起される場合もある。このような薬物の有害作用に対する研究は、数多く行われているにも関わらず、未だに解明できない点が多い。一方、医薬品以外の化学物質、特に環境化学物質に関しては、摂取量が不明で曝露環境がそれぞれ異なるため、生物に対する有害作用と作用機序が不明なものが多く、早急な科学的な解明が望まれている。

 ところで、人間を含めた哺乳動物の肝臓には多くの酵素が存在しているが、これらの酵素の中で薬物代謝酵素と呼ばれている一群の酵素は、医薬品を代謝する酵素として重要な役割を果たしている。この薬物代謝酵素は、動物が食物を含めた外来物質がら自分自身を守るために必要な酵素であると考えられている。医薬品を含めた合成化学物質のなかには、天然の物質を模倣したものも多いことから、これらの化合物の解毒や代謝的活性化において重要な役割を果たしているものと考えられている。そこで、今回の市民講座では、哺乳動物の肝臓に含まれる薬物代謝酵素に対する、環境化学物質の影響を中心に延べたい。

1.肝臓の薬物代謝酵素による代謝的活性化

 生体外から体内に入ってきた化合物の代謝は、図1に示したように酸化、還元、加水分解、抱合反応と多様であるが、いずれの代謝過程も解毒代謝、代謝的活性化と活性中間体の生成に関与する。薬物代謝酵素は、肝臓に多く発現していることから、主として肝臓で代謝的活性化をうけ、抱合反応によりいったん安定化され、胆汁中や尿中に排泄される。しかしながら、肝臓以外の臓器に運ばれた抱合体が加水分解をうけ、毒性が発現する場合もある。表1は、主として肝臓の薬物代謝酵素により代謝的活性化をうける化合物の種類と代謝経路について示したものである。この表からわかるように、化学物質の代謝中間体としては、N-水酸化体、エポキシ体などがしばしば認められる。これらの活性中間体は多様な毒性を示し、たとえばN-水酸化体の生成は、肝障害、腎障害、血液障害さらには発がん性の原因となる。

図1.肝臓の薬物代謝酵素による外因性物質の解毒および代謝活性化

表1.肝臓の薬物代謝酵素による環境化学物質の代謝的活性化
化合物代謝的活性化
2-アセチルアミノフルオレン  N-水酸化
アフラトキシンB1エポキシ化
ベンゼンエポキシ化とそれに続く代謝
ベンゾ[a]ピレンと関連化合物  エポキシ化、他の代謝経路
ブロモベンゼンエポキシ化
ジメチルニトロソアミンα酸化;カルボニウムイオン生成への転移
ポリ塩化ビフェニールエポキシ化と環水酸化とそれに続くカテコールの酸化  
トリクロロエチレンエポキシ化
塩化ビニルエポキシ化、他の代謝経路

2.環境化学物質による哺乳動物肝薬物代謝酵素の誘導

 薬物代謝酵素は、外因性物質の代謝に関与する酵素であるため、様々な化合物により酵素誘導を受けることが報告されている。なかでも、プラスチック可塑剤をはじめ、除草剤などの環境化学物質は薬物代謝酵素の他に、肝細胞内のペルオキシソームの増殖およびペルオキシソームに含まれる脂質代謝酵素の誘導についても報告されている。

表2.種々の化合物による薬物代謝酵素およびペルオキシソーム酵素の誘導
化合物ペルオキシソーム酵素
(脂肪酸β酸化酵素)
薬物酸化酵素
(CYP4504A1)
加水分解酵素
(carboxylesterase)
ジ-2-エチルヘキシルプタレート+++++++++
モノ-2-エチルヘキシルプタレート+++++++++
2,4-ジクロロフェノキシ酢酸+++N.D.N.D.
2,4,5-トリクロロフェノキシ酢酸+++N.D.N.D.
パーフルオロ脂肪酸+++N.D.+++
クロフィブレート+++++++++
N.D. not determined

 表2に種々の化合物による薬物代謝酵素およびペルオキシソーム酵素の誘導について示したが、この中でジ-2-エチルヘキシルプタレート (DEHP) およびモノ-2-エチルヘキシルプタレート (MEHP) は、プラスチック可塑剤として汎用されており、私たちの生活環境中に多く含まれている。DEHP は肝細胞で加水分解され MEHP に代謝活性化されることにより酵素誘導作用を示すことが報告されている。また、これらの化合物はラット、マウスなどでは発現生が報告されているが、発がんの機構については明らかとなっていない。

 また、ペルオキシソームを増殖する化合物はここに示した以外にも多くの化合物が報告されているが、いずれも構造に特徴がなく、幅広い化合物により酵素誘導をうけることが明らかとなっている。また、これらの化合物はペルオキシソーム酵素を誘導することから、脂質代謝の大きな変動をもたらし、多くの場合、脂質低下がみられる。表2に示した薬物代謝酵素のうち CYP4A1 は脂肪酸のオメガ水酸化酵素活性を有しており carboxylesterase (CES) は、長鎖脂肪酸エステルの加水分解活性を有するなど、いずれも場合も脂質代謝に関係していることから、なんらかの生理的機構により誘導されることも考えられている。これらの化合物による酵素誘導の機構については明らかになっており、PPAR (peroxisome proliferator activated receptor) とよばれる受容体が、ビタミンAの受容体である RXR (retinol x receptor) と核内でヘテロ2量体を形成し、誘導される酵素遺伝子の5'上流の PPRE (operoxisome proliferator responsive element) とよばれる塩基配列に結合することにより、酵素タンパクの合成過程における転写を促進し、酵素誘導を起こす。しかしながら、PPAR の活性化の機構については明らかになってはいない。また、この誘導には大きな種差が報告されていることから、動物間での酵素誘導機構の差異について明らかにする必要がある。

 このように、プラスチック可塑剤のように生活環境中に多く含まれる物質により、肝臓の酵素が誘導をうけることが明らかになっているが、実際に酵素誘導による毒性作用については明らかになっていない。しかしながら、少なくとも生体内の脂質代謝には大きな影響をあたえることが明らかになっており、今後も注意深い検討が必要であると考えられる。

3.ヒト肝がん由来細胞株を用いた環境化学物質による薬物代謝酵素の誘導

 薬物代謝酵素に関しては、これまでラットやマウス等の実験動物で得られたデーターのヒトへの外挿の問題点が指摘されており、培養細胞等を用いた代替法の開発の必要性が論じられている。しかしながら、酵素誘導に関しては、これまで実験動物を用いた検討がなされてきたが、例えば抗結核薬であるリファンピシンは、ヒトでは薬物代謝酵素であるチトクローム P450 (CYP450) を誘導するが、ラットにおいては誘導が認められないことなど、哺乳動物間での種差の存在が明らかとなっているため、動物実験の結果を直接ヒトへ外挿することは適当でないと考えられる。この問題を解決するために、ヒト初代培養肝細胞系を用いた酵素誘導試験が行われており、このような培養細胞を用いた実験系が、酵素誘導の評価に有用であると考えられるようになってきている。しかし、ヒト初代培養肝細胞は、単離4日後には CYP450 含量が50%以下になるなど、長期培養により肝機能の低下が認められ、長期間使用することは困難である。また、人種差・性差・生存時の薬歴・死因といった個体差や、肝臓の保存時間や細胞の viability などの違いから、供給された細胞により、細胞の有する薬物代謝能にはばらつきが大きく、再現性に問題があると考えられている。さらに、ヒト初代肝細胞は、国内では入手が困難であり、さらに入手には倫理的な問題も付随することから、均一で安定した形質を維持し長期間の実験が可能である細胞株の利用が望まれ、特に、高度に分化しヒト肝機能を維持した樹立細胞株の有用性が考えられていることから、ここでは日本人男性より樹立された、正常肝細胞に類似の形態を示し、アルブミン産生能を持つなどヒト肝機能を高度に維持しているヒト肝由来細胞株である FLC4、FLC5 および FLC7 細胞株を用いた酵素誘導の結果を示す。

表3.ヒト肝がん由来細胞における薬物代謝酵素の発現と酵素誘導
化合物CYP isozymeFLC4FLC5FLC7HepG2
β-ナフトフラボンCYP1A/1B++++++++++++
リファンピシンCYP3A??++

 表3に示したように、β-ナフトフラボン (BNF) によりヒト肝由来細胞株全てにおいて、EROD 活性の増加、CYP1A1 含量および mRNA の増加、CYP1B1 mRNA の増加が認められた。このことより、BNF により、CYP1A1 および CYP1B1 分子種の誘導が。ヒト CYP1A1 は今回使用した BNF のほか環境化学物質であるダイオキシンにより誘導されることが報告されており、誘導のメカニズムとしては、ダイオキシンなどの環境化学物質がアリルハイドロカーボン受容体 (AhR) に結合した後、核内でAhR核移行因子 (Arnt) とヘテロ2量体を形成し、CYP1A1 遺伝子の 5'上流領域の xenobiotic responsive element (XRE) に結合することにより転写が促進されることが明らかとなっている。そこで、FLC 細胞株における誘導機構を調べるために FLC4 細胞株の核タンパク抽出液を用いたところ、XRE に対する核タンパクの特異的な結合が認められ、FLC4 細胞株に AhR が存在することが示唆され、FLC 細胞株における CYP1A1 の誘導はヒト肝細胞と同様の機構で行われているものと考えられた。

 このように、今回 FLC 細胞株において AhR を介する CYP1A の誘導が認められたことから、FLC 細胞株が環境化学物質による酵素誘導の in vitro 評価系としても有用である可能性が考えられた。特に、FLC4 は EROD 活性および CYP1A1 タンパク含量および CYP1A1 mRNA の高い誘導を示しており、環境化学物質による CYP1A の誘導を評価する in vitro 系として、極めて有用であると考えられた。