神経炎症を介した農薬類の神経毒性機序の解明とmicroRNAバイオマーカーの同定

• Project/Area Number: 22K17342
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 58020:Hygiene and public health-related: including laboratory approach
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 平野 哲史 富山大学, 学術研究部薬学・和漢系, 助教 (70804590)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 神経炎症 / ミクログリア / エクソソーム / microRNA / バイオマーカー / 影響評価 / 神経毒性 / 農薬

Outline of Research at the Start

現代において我々は数万の化学物質に無自覚に曝露されており、これらの一部はグリアの活性化による「神経炎症の惹起」を介して種々の神経疾患の発症要因となる。本研究では農薬類をモデル化学物質とし、グリア－ニューロン間クロストークの攪乱を神経毒性の上流イベントとして捉えることで、化学物質曝露による「神経炎症の惹起」に関する有害影響パスウェイ（AOP）を解明し、新規バイオマーカーの開発に応用することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度においては、フェニルピラゾール系農薬フィプロニル(Fip)の体内主要代謝物であるフィプロニルスルホン(FipS)がミクログリアを活性化するメカニズムを明らかにすることを目的とし、細胞内の代謝状態に関するミトコンドリア機能の評価やエクソソームに含まれるmicroRNAとmRNAの統合的ネットワーク解析を行った。
ヒト不死化ミクログリアであるHMC3にFipおよびFipSを曝露し、JC-10蛍光色素および細胞外フラックスアナライザーを用いてミトコンドリア膜電位および代謝機能を評価した結果、FipおよびFipSは濃度依存的なミトコンドリア膜電位の低下を引き起こし、FipSではその作用が顕著に大きくなることを見出した。さらにFipS曝露直後において、ミトコンドリアにおける最大呼吸および予備呼吸能の低下に加え、プロトンリーク量の増加がみられることを明らかにした。またFipS曝露により2倍以上発現上昇したmicroRNA29種を同定し、qRT-PCRによりmiR-665等のmicroRNA発現が上昇していることを確認した。Ingenuity Pathway　AnalysesソフトウェアのmicroRNA target filterを用いて、それらの標的として発現低下が予想され「Axonal Guidance Signaling」のパスウェイに関するmRNAから構成された神経分化に関する機能的ネットワークを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでの研究により、神経炎症を惹起するFipSがミトコンドリア機能低下を引き起こし、さらに活性化したミクログリア由来のエクソソームに含まれるmicroRNAがニューロンの分化に影響を及ぼす新たな相互作用メカニズムの一端が明らかになった。脳内においてグリアやニューロンから分泌されるエクソソーム由来microRNAは血液脳関門を通過し末梢血、尿中においても安定的に検出可能であるため非侵襲的バイオマーカーとしての応用が検討されており、本研究により神経炎症の惹起を検出可能なバイオマーカーの候補を明らかにすることができた。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は、メタボローム解析等を活用し、ミクログリア中に含まれる代謝産物に関する網羅的解析を行うことで、ミクログリア－ニューロン間における細胞間相互作用に化学物質が及ぼす影響に関するさらなるメカニズムを明らかにする。さらにバイオマーカー候補となるmicroRNAを神経細胞に導入することでmicroRNAの機能評価を行う。

Research Products

• [Journal Article] Effects of exposure to the neonicotinoid pesticide clothianidin on mouse intestinal microbiota under unpredictable environmental stress (2024)
  • Author(s): Yonoichi Sakura、Hirano Tetsushi、Hara Yukako、Ishida Yuya、Shoda Asuka、Kimura Mako、Murata Midori、Mantani Youhei、Yokoyama Toshifumi、Ikenaka Yoshinori、Hoshi Nobuhiko
  • Journal Title: Toxicology and Applied Pharmacology Volume: 482 Pages: 116795-116795
  • DOI: 10.1016/j.taap.2023.116795
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of clothianidin exposure at the no-observed-adverse-effect level (NOAEL) in a mouse model of atopic dermatitis (2024)
  • Author(s): ISHIDA Yuya、YONOICHI Sakura、HARA Yukako、SHODA Asuka、KIMURA Mako、MURATA Midori、ITO Makiko、NUNOBIKI Sarika、YOSHIMOTO Ayano、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HIRANO Tetsushi、MATSUO Eiko、IKENAKA Yoshinori、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 86 Issue: 3 Pages: 333-339
  • DOI: 10.1292/jvms.23-0515
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] No-observed-adverse-effect-level (NOAEL) clothianidin, a neonicotinoid pesticide, impairs hippocampal memory and motor learning associated with alteration of gene expression in cerebellum (2024)
  • Author(s): HARA Yukako、SHODA Asuka、YONOICHI Sakura、ISHIDA Yuya、MURATA Midori、KIMURA Mako、ITO Makiko、NUNOBIKI Sarika、YOSHIMOTO Ayano、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HIRANO Tetsushi、IKENAKA Yoshinori、TABUCHI Yoshiaki、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 86 Issue: 3 Pages: 340-348
  • DOI: 10.1292/jvms.23-0516
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantification of the tissue distribution and accumulation of the neonicotinoid pesticide clothianidin and its metabolites in maternal and fetal mice (2024)
  • Author(s): Hirano Tetsushi、Ohno Shuji、Ikenaka Yoshinori、Onaru Kanoko、Kubo Shizuka、Miyata Yuka、Maeda Mizuki、Mantani Youhei、Yokoyama Toshifumi、Nimako Collins、Yohannes Yared Beyene、Nakayama Shouta M.M.、Ishizuka Mayumi、Hoshi Nobuhiko
  • Journal Title: Toxicology and Applied Pharmacology Volume: 484 Pages: 116847-116847
  • DOI: 10.1016/j.taap.2024.116847
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neurotoxicity and behavioral disorders induced in mice by acute exposure to the diamide insecticide chlorantraniliprole (2023)
  • Author(s): KIMURA Mako、SHODA Asuka、MURATA Midori、HARA Yukako、YONOICHI Sakura、ISHIDA Yuya、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HIRANO Tetsushi、IKENAKA Yoshinori、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 85 Issue: 4 Pages: 497-506
  • DOI: 10.1292/jvms.23-0041
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developmental stage-specific exposure and neurotoxicity evaluation of low-dose clothianidin during neuronal circuit formation (2023)
  • Author(s): SHODA Asuka、MURATA Midori、KIMURA Mako、HARA Yukako、YONOICHI Sakura、ISHIDA Yuya、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HIRANO Tetsushi、IKENAKA Yoshinori、TABUCHI Yoshiaki、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 85 Issue: 4 Pages: 486-496
  • DOI: 10.1292/jvms.22-0570
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transgenerational effects of developmental neurotoxicity induced by exposure to a no-observed-adverse-effect level (NOAEL) of neonicotinoid pesticide clothianidin (2023)
  • Author(s): SHODA Asuka、MURATA Midori、KIMURA Mako、HARA Yukako、YONOICHI Sakura、ISHIDA Yuya、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、HIRANO Tetsushi、IKENAKA Yoshinori、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 85 Issue: 9 Pages: 1023-1029
  • DOI: 10.1292/jvms.23-0101
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An adverse outcome pathway-based approach to assess the neurotoxicity by combined exposure to current-use pesticides (2023)
  • Author(s): Hirano Tetsushi、Ikenaka Yoshinori、Nomiyama Kei、Honda Masato、Suzuki Nobuo、Hoshi Nobuhiko、Tabuchi Yoshiaki
  • Journal Title: Toxicology Volume: 500 Pages: 153687-153687
  • DOI: 10.1016/j.tox.2023.153687
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative elucidation of the transfer of the neonicotinoid pesticide clothianidin to the breast milk in mice (2023)
  • Author(s): Shoda Asuka、Nishi Misaki、Murata Midori、Mantani Youhei、Yokoyama Toshifumi、Hirano Tetsushi、Ikenaka Yoshinori、Hoshi Nobuhiko
  • Journal Title: Toxicology Letters Volume: 373 Pages: 33-40
  • DOI: 10.1016/j.toxlet.2022.10.006
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Next-generation effects of fetal and lactational exposure to the neonicotinoid pesticide clothianidin on the immune system and gut microbiota (2023)
  • Author(s): MURATA Midori、SHODA Asuka、KIMURA Mako、HARA Yukako、YONOICHI Sakura、ISHIDA Yuya、MANTANI Youhei、YOKOYAMA Toshifumi、MATSUO Eiko、HIRANO Tetsushi、HOSHI Nobuhiko
  • Journal Title: Journal of Veterinary Medical Science Volume: 85 Issue: 4 Pages: 434-442
  • DOI: 10.1292/jvms.23-0038
  • ISSN: 0916-7250, 1347-7439
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sex-specific behavioral effects of acute exposure to the neonicotinoid clothianidin in mice (2022)
  • Author(s): Kubo Shizuka、Hirano Tetsushi、Miyata Yuka、Ohno Shuji、Onaru Kanoko、Ikenaka Yoshinori、Nakayama Shouta M.M.、Ishizuka Mayumi、Mantani Youhei、Yokoyama Toshifumi、Hoshi Nobuhiko
  • Journal Title: Toxicology and Applied Pharmacology Volume: 456 Pages: 116283-116283
  • DOI: 10.1016/j.taap.2022.116283
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Effects of the diamide pesticide chlorantraniliprole on behavioral and neural activity in mice. (2023)
  • Author(s): Kimura M, Shoda A, Murata M, Hara Y, Yonoichi S, Ishida Y, MantaniY, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 6th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transgenerational effects of the neonicotinoid clothianidin exposure during the fetal and lactational periods on the hippocampal spatial memory and motor learning of male mice. (2023)
  • Author(s): Hara Y, Yonoichi S, Ishida Y, Shoda A, Murata M, Kimura M, Mantani Y, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 6th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neonicotinoid pesticide clothianidin and environmental stress impact on gut microbiota in mice. (2023)
  • Author(s): Yonoichi S, Ishida Y, Hara Y, Kimura M, Shoda A, Murata M, Mantani Y, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 6th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sensitive Detection of Activity Changes in the brain by the Neonicotinoids. (2023)
  • Author(s): Hirai A, Sugio S, Nomiyama K, Shimma S, Hirano T, Nakayama S M M, Ishizuka M, Wake H, Ikenaka Y.
  • Organizer: 6th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Assessment of combined neurotoxic effects of pesticides using adverse outcome pathway (AOP)-based approach. (2023)
  • Author(s): Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N, Tabuchi Y.
  • Organizer: 10th International Congress of Asian Society of Toxicology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Challenges and issues in detecting disturbances of higher brain function caused by environmental chemicals. (2023)
  • Author(s): Hirano T.
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sperm miRNA expression changes and next generation effects due to paternal exposure to neonicotinoid pesticides. (2023)
  • Author(s): Ito M, Nunobiki S, Yoshimoto A, Hara Y, Ishida Y, Yonoichi S, Mantani Y, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transgenerational effects of maternal behavior induced by exposure to neonicotinoid pesticide. (2023)
  • Author(s): Nunobiki S, Yoshimoto A, Ito M, Yonoichi S, Hara Y, Ishida Y, Mantani Y, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Developmental neurotoxicity of fipronil. (2023)
  • Author(s): Yoshimoto A, Ito M, Nunobiki S, Hara Y, Ishida Y, Yonoichi S, Mantani Y, Yokoyama T, Hirano T, Ikenaka Y, Hoshi N．
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toxicity assessment of neonicotinoid-exposed mice using mass spectrometry. (2023)
  • Author(s): Koike T, Hirai A, Nomiyama K, Eguchi A, Hoshi N, Hirano T, Nimako C, Beyene Y, Tamba M, Nakayama S M M, Ishizuka M, Ikenaka Y.
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neonicotinoid-induced changes in brain monoamines and behavior. (2023)
  • Author(s): Hirai A, Beyene Y, Nimako C, Tamba M, Nomiyama K, Eguchi A, Hoshi N, Hirano T, Nakayama S M M, Ishizuka M, Ikenaka Y.
  • Organizer: 7th International Chemical Hazard Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フィプロニル代謝物によるミクログリアの活性化およびエクソソーム分泌を介したニューロンへの作用． (2023)
  • Author(s): 平野哲史，池中良徳，星 信彦，田渕圭章．
  • Organizer: 第2回環境化学物質3学会合同大会
• [Presentation] ネオニコチノイド投与による脳内モノアミンの変動と行動． (2023)
  • Author(s): 平井杏梨、Yared Beyene Yohannes、Collins Nimako、丹場舞、野見山桂、江口哲史、星信彦、平野哲史、中山翔太、石塚真由美、池中良徳、
  • Organizer: 第2回環境化学物質3学会合同大会
• [Presentation] フィプロニル代謝物が引き起こすミクログリアの活性化がエクソソームを介してニューロンに及ぼす影響． (2023)
  • Author(s): 平野哲史，池中良徳，星 信彦，田渕圭章．
  • Organizer: 第50回日本毒性学会
• [Presentation] 子授乳期ネオニコチノイド系農薬曝露が海馬記憶と小脳運動学習機能に及ぼす継世代影響． (2023)
  • Author(s): 原悠佳子，世ノ一さくら，石田祐也，伊藤槙子，布引沙利香，吉本彩乃，万谷洋平，横山俊史，平野哲史，池中良徳，星信彦．
  • Organizer: 第166回日本獣医学会学術集会
• [Presentation] ネオニコチノイド系農薬曝露による腸内細菌叢変動メカニズムに関する研究． (2023)
  • Author(s): 世ノ一さくら，石田祐也，原悠佳子，伊藤槙子，布引沙利香，吉本彩乃，平野哲史，万谷洋平，横山俊史，池中良徳，綾部時芳，中村公則，星信彦．
  • Organizer: 第99回日本解剖学会近畿支部学術集会
• [Presentation] 代替PFASがミクログリアに及ぼす影響． (2023)
  • Author(s): 吉田寿総，平野哲史，田渕圭章．
  • Organizer: 第1回環日本海生命科学研究会
• [Presentation] 神経毒性のAOPにおける共通Key Eventを指標とした農薬類の複合影響評価． (2022)
  • Author(s): 平野哲史，池中良徳，星 信彦，田渕圭章．
  • Organizer: 環境化学物質 3 学会合同大会（第 30 回環境化学討論会，第 26 回日本環境毒性学会研究発表会，第 24 回環境ホルモン学会研究発表会）
• [Presentation] 神経毒性に関するAdverse Outcome Pathway (AOP) に基づいた農薬類の複合影響評価． (2022)
  • Author(s): 平野哲史，池中良徳，星 信彦，田渕 圭章．
  • Organizer: 第49回日本毒性学会
• [Presentation] 環境ストレス負荷下におけるネオニコチノイド系農薬曝露が腸内細菌叢に及ぼす影響． (2022)
  • Author(s): 世ノ一さくら，石田祐也，原 悠佳子，木村真子，正田明日香，村田 碧，万谷洋平，横山俊史，平野哲史，池中良徳，星 信彦．
  • Organizer: 第165回日本獣医学会学術集会
• [Presentation] 胎子授乳期ネオニコチノイド系農薬曝露が海馬記憶と運動学習に及ぼす次世代影響． (2022)
  • Author(s): 原 悠佳子，世ノ一さくら，石田祐也，正田明日香，村田 碧，木村真子，万谷洋平，横山俊史，平野哲史，池中良徳，星 信彦．
  • Organizer: 第165回日本獣医学会学術集会
• [Presentation] ジアミド系農薬がマウスの行動および神経活動に及ぼす影響について． (2022)
  • Author(s): 木村真子，正田明日香，村田 碧，原 悠佳子，世ノ一さくら，石田祐也，平野哲史，万谷洋平，横山俊史，池中良徳，星 信彦．
  • Organizer: 第98 回日本解剖学会近畿支部学術集会．
• [Presentation] ジアミド系農薬がマウスの行動および神経活動に及ぼす影響評価． (2022)
  • Author(s): 木村真子，正田明日香，村田 碧，原 悠佳子，世ノ一さくら，石田祐也，平野哲史，万谷洋平，横山俊史，池中良徳，星 信彦．
  • Organizer: 第150回関西実験動物研究会研究発表会．
• [Presentation] ネオニコチノイド系農薬が哺乳類に及ぼす神経行動学的影響評価とメカニズム解析． (2022)
  • Author(s): 平野哲史．
  • Organizer: 金沢大学 環日本海域環境研究センター主催講演会「環境汚染物質に関する近年の課題と研究」
  • Invited
• [Remarks] researchmap-平野哲史
  • URL: https://researchmap.jp/thirano0128/published_papers/36763931
• [Remarks] 富山大学 生命科学先端研究支援ユニット ゲノム機能解析研究室
  • URL: http://www.lsrc.u-toyama.ac.jp/mgrc/html/laboratory.html