統合的メタロミクスによる鉛汚染源推定に有用な家畜・家禽の探索と種差の分子基盤解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K16197
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 中山 翔太 北海道大学, 獣医学研究科, 助教 (90647629)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 鉛 / 汚染源推定 / 安定同位体比 / 家畜・家禽 / ヤギ / ニワトリ / 歩哨動物 / LA-ICP-MS

Outline of Annual Research Achievements

途上国を中心に、年間23万人が主に鉱床由来の鉛中毒により死亡し、60万人以上の子供の知的発達に影響を及ぼしているが、汚染源推定に有用な手法は確立されていない。鉛の生体内同位体分別により、低濃度暴露においては、人の血液・尿の鉛同位体比解析による推定が困難なためである。そこで、本研究では鉛汚染源推定に有用な家畜・家禽種を解明することを目的としている。鉛汚染地域であるザンビア。カブエ鉱床地域において、家畜・家禽であるヤギとニワトリを採材し、血液や臓器中の鉛同位体比を分析した。土壌などの環境試料における同位体比とのマッピングおよび室内実験での鉛投与試験により、アフリカを含めた発展途上国で流通し、またヒトの食糧源としても用いられるこれらの家畜・家禽を用いることで、鉛汚染源の推定が可能であることを明らかにした。これらの成果は、学術論文や国内外の学会で発表し、国際シンポジウムでの受賞など高い評価も受けている。次年度は、LA-ICP-MS（レーザー照射型 誘導結合プラズマ質量分析法）による臓器・組織内での詳細な鉛分布の解明や、分子生物学的手法を用いた、鉛の蓄積特性の動物種差を決定する要因の解明を行う予定である。本研究成果は、鉛の体内動態や排泄、中枢神経系移行のメカニズムに関する詳細な知見を得られ、鉛の毒性発現メカニズム解明の一助となることが期待できる。さらに、鉛汚染源および汚染経路推定に有用な家畜・家禽種が特定できれば、世界的な重要課題である「食の安全性確保」の観点も含めた、効率的な鉛汚染対策が実施でき、金属汚染が引き起こす健康影響および経済影響低減に貢献できる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

カブエ地域において、各種の家畜・家禽の採材を行った。特にField調査において、ヤギおよびニワトリの生息数が豊富であったことから、この2種を重点的に採材した。ICP-MSで臓器中の鉛濃度と鉛同位体比を測定した。ヤギにおいては、血中もしくは臓器中の鉛濃度が上昇するに伴い、これらの生体サンプルにおける同位体比が、土壌などの環境試料における同位体比と同程度の値を示した。一方で、ニワトリにはそのような傾向は認められなかった。以上より、ヤギでは生体内分別およびその崩壊に関する閾値が観察されたが、ニワトリでは生体内分別が生じない可能性が考えられ、本結果はニワトリの同位体が鉛の汚染源を反映せず、歩哨動物としては有用ではない可能性を示唆した。一方で、Fieldでの研究結果は、鉛の曝露源が単一でないことも考えられる。そこで、実験室内での鉛投与試験を計画通りに行った。その結果、ヤギでは低濃度曝露においては生体内分別による臓器ごとのばらつきが大きく、汚染源の推定が困難になる場合があるという可能性が明らかになった。しかし、閾値5 microg/dLを超えた高濃度曝露の際は、生体内分別が起こらず、汚染源とほぼ同一の値をとり、ヤギは高濃度曝露の際は歩哨動物として有用であると考えられた。これに対し、ニワトリでは低濃度であっても同位体の生体内分別は無視でき、閾値を超えない低濃度曝露であっても鉛安定同位体の解析においてニワトリは歩哨動物として有用である可能性が考えられた。このように、鉛の濃度によって、上記2種を組み合わせての検討・評価の重要性を明らかにした。初年度の計画を達成しており、二年目に予定していたLA-ICP-MS法の解析を開始し、生物試料への応用も行った。研究成果を学術論文や国内外の学会で発表し、国際シンポジウムでの受賞など高い評価も受けている。以上より、当該年度の計画以上の進展であると判断した。

Strategy for Future Research Activity

前述したように、LA-ICP-MSの解析手法を確立したので、計画通りに鉛の標的臓器である肝臓・腎臓・脳を中心に、LA-ICP-MS解析を用いて、鉛同位体4種（204Pb、206Pb、207Pb、208Pb）の組織レベルでの同位体マッピングを行い、蓄積特性の種差を解明する。臓器Primary Cultureや強制発現タンパク質を用いたIn Vitroで鉛暴露実験を行い、上記で観察された取込み・排泄能のメカニズムを解明する。タンパク質－鉛結合の親和性を指標とした網羅的解析をIn Silicoで行う。特に鉛のBio-uptakeに重要とされる輸送タンパクP1-type ATPaseにおけるCXXEE metal fixation motifに注目して、その塩基・アミノ酸配列や鉛との結合様式の動物種差を解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ザンビア大学獣医学部(ザンビア)
  • Country Name: ZAMBIA
  • Counterpart Institution: ザンビア大学獣医学部
• [Journal Article] Excretion of polycyclic aromatic hydrocarbon metabolites (OH-PAHs) in cattle urine in Ghana. (2016)
  • Author(s): Bortey-Sam N, Ikenaka Y, Akoto O, Nakayama SMM, Marfo J, Saengtienchai A, Mizukawa H, Ishizuka, M.
  • Journal Title: Environmental Pollution Volume: 218 Pages: 331-337
  • DOI: 10.1016/j.envpol.2016.07.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Heavy metals and metalloid accumulation in livers and kidneys of wild rats around gold-mining communities in Tarkwa, Ghana. (2016)
  • Author(s): Bortey-Sam N*, Nakayama SMM*, Ikenaka Y, Akoto O, Baidoo E, Mizukawa H, Ishizuka M (* Equal contribution).
  • Journal Title: Journal of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Volume: 8 Pages: 58-68
  • DOI: 10.5897/JECE2016.0374
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of Equine Cytochrome P450: Role of CYP3A in the Metabolism of Diazepam. (2016)
  • Author(s): Nakayama SMM, Ikenaka Y, Hayami A, Mizukawa H, Darwish WS, Watanabe KP, Kawai YK, Ishizuka M.
  • Journal Title: Journal of Veterinary Pharmacology and Therapeutics. Volume: 39 Pages: 478-87
  • DOI: 10.1111/jvp.12303.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Feather mercury concentration in streaked shearwaters wintering in separate areas of Southeast Asia. (2016)
  • Author(s): Watanuki Y, Yamashita A, Ishizuka M, Ikenaka Y, Nakayama SMM, Ishii C, Yamamoto T, Ito M, Kuwae T, Trathan PN.
  • Journal Title: Mar Ecol Prog Ser. Volume: 546 Pages: 263-269
  • DOI: 10.3354/meps11669
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Constitutive Effects of Lead on Aryl Hydrocarbon Receptor Gene Battery and Protection by β-carotene and Ascorbic Acid in Human HepG2 Cells. (2016)
  • Author(s): Darwish WS, Ikenaka Y, Nakayama SMM, Mizukawa H, Ishizuka M.
  • Journal Title: J. Food. Sci. Volume: 81 Pages: T275-81
  • DOI: 10.1111/1750-3841.13162.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Bioaccumulation and human health risk assessment of DDT and other organochlorine pesticides in an apex aquatic predator from a premier conservation area. (2016)
  • Author(s): Gerber R, Smit NJ, Van Vuren JH, Nakayama SMM, Yohannes YB, Ikenaka Y, Ishizuka M, Wepener V.
  • Journal Title: Sci. Total. Environ. Volume: 550 Pages: 522-533
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.01.129
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Strain differences in cytochrome P450 mRNA and protein expression, and enzymatic activity among Sprague Dawley, Wistar, Brown Norway and Dark Agouti rats. (2016)
  • Author(s): Nishiyama Y, Nakayama SMM, Watanabe KP, Kawai YK, Ohno M, Ikenaka Y, Ishizuka M.
  • Journal Title: JVMS Volume: 78 Pages: 675-80
  • DOI: 10.1292/jvms.15-0299.
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reliability of stable Pb isotopes to identify Pb sources and verifying biological fractionation of Pb isotopes in goats and chickens. (2016)
  • Author(s): Nakata H*, Nakayama SMM*, Yabe J, Liazambi A, Mizukawa H, Darwish WS, Ikenaka Y, Ishizuka M (* Equal contribution).
  • Journal Title: Environ Pollut. Volume: 208 Pages: 395-403
  • DOI: 10.1016/j.envpol.2015.10.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Distribution and health risk assessment of organochlorine pesticides (OCP) residue in edible cattle tissues from northeastern part of Egypt: High accumulation level of OCP in tongue. (2016)
  • Author(s): Mahmoud AFA, IkenakaY, YohannesYB, DarwishWS, Eldaly EA, Morshdy AE, Nakayama SMM, MizukawaH, Ishizuka M.
  • Journal Title: Chemosphere Volume: 144 Pages: 1365-71
  • DOI: 10.1016/j.chemosphere.2015.10.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] β-carotene and retinol contents in the meat of herbivorous ungulates with a special reference to their public health importance. (2016)
  • Author(s): Darwish WS, Ikenaka Y, Morshdy AE, Eldesoky KI, Nakayama SMM, MizukawaH, Ishizuka M.
  • Journal Title: JVMS Volume: 78 Pages: 351-4
  • DOI: 10.1292/jvms.15-0287.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 代謝酵素の動物種差 (2017)
  • Author(s): 石塚真由美、中山翔太、水川葉月、池中良徳
  • Organizer: 日本薬学会第137年会シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台国際センター、仙台市、宮城県
  • Year and Date: 2017-03-24 – 2017-03-27
  • Invited
• [Presentation] 化学物質の汚染環境に生きる野生動物の適応戦略 (2016)
  • Author(s): 石塚真由美、中山翔太、水川葉月、池中良徳
  • Organizer: 一般社団法人日本環境化学会25周年記念講演会：「環境化学の今、そして未来へ－環境化学からの提言－」
  • Place of Presentation: 発明会館地下ホール、東京都港区
  • Year and Date: 2016-11-16 – 2016-11-16
  • Invited
• [Presentation] Monitoring of blood lead levels (BLLs) in dogs and chickens from lead pollution area, Kabwe, Zambia. (2016)
  • Author(s): Haruya Toyomaki, Shouta M.M. Nakayama, Yared B. Yohannes, John Yabe, Kaampwe Muzandu, Hazuki Mizukawa, Yoshinori Ikenaka, Mayumi Ishizuka.
  • Organizer: International Doctoral Symposium on Sustainable Management of Resources and Environment in the 21st Century
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Sapporo, Japan
  • Year and Date: 2016-11-09 – 2016-11-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lead exposure on human samples in African countries and lead pollution in Kabwe, Zambia. (2016)
  • Author(s): Haruya Toyomaki, Shouta M.M. Nakayama, Yared B. Yohannes, John Yabe, Kaampwe Muzandu, Hazuki Mizukawa, Yoshinori Ikenaka and Mayumi Ishizuka
  • Organizer: The 4th Sapporo Summer Seminar for One Health (SaSSOH)
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Sapporo, Japan
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 家畜・家禽の鉛安定同位体生体内分別の種差および歩哨動物としての有用性評価 (2016)
  • Author(s): 栂尾正雄、中山翔太、John Yabe、池中良徳、中田北斗、石井千尋、水川葉月、Yared B. Yohannes、 Aksorn Saengtienchai、石塚真由美
  • Organizer: 第159回日本獣医学会学術集会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部、藤沢市、神奈川県
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-09
• [Presentation] Metal pollution problems in animals and children in Kabwe mining area, Republic of Zambia- Source Estimation by Stable Pb isotopes- (2016)
  • Author(s): 中山翔太
  • Organizer: 第16回北大若手研究者交流会
  • Place of Presentation: 北海道大学、札幌市、北海道
  • Year and Date: 2016-08-31 – 2016-08-31
  • Invited
• [Presentation] Kabwe childhood lead poisoning: past, present and future (2016)
  • Author(s): John Yabe, Shouta MM Nakayama, Yoshinori Ikenaka, Yared B. Yohannes, Haruya Toyomaki, Kennedy Choongo, Kaampwe Muzandu and Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Lead exposure on human samples in African countries: a mini review (2016)
  • Author(s): Haruya Toyomaki, Shouta M.M. Nakayama, Yared B. Yohannes, Hazuki Mizukawa, Yoshinori Ikenaka and Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Risk Assessment of Heavy Metals via Consumption of Muscle and Offal of Free-Range Animals from Benin City (2016)
  • Author(s): Emmanuel Temiotan Ogbomida, Shouta M.M. Nakayama, Nesta Bortey-Sam, Balazs Oroszlany, Isioma Tongo, Alex Ajeh Enuneku, Ogbeide Ozekeke, Martins Oshioriamhe Ainerua, Iriagbonse Priscillia Fasipe, Lawrence Ikechukwu Ezemonye, Hazuki Mizukawa, Yoshinori Ikenaka, Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cytochrome P450 expression in the rabbit (2016)
  • Author(s): Walaa Fathy Saad Eldin, Wageh S. Darwish, Yoshinori Ikenaka, Shouta M. Nakayama, Hazuki Mizukawa and Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pb levels and isotope ratio profiles in kidneys of Japanese wild rats (2016)
  • Author(s): Shouta M.M. Nakayama, Hokuto Nakata, Balazs Oroszlany, Yoshinori Ikenaka, Hazuki Mizukawa, Kazuyuki Tanaka, Tsunehito Harunari, Tsutomu Tanikawa, Yared B. Yohannes, Aksorn Saengtienchai, Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Is there species difference of biological variation of lead (Pb) isotopic composition between livestock and poultry? (2016)
  • Author(s): Masao Togao, Shouta M.M. Nakayama, John Yabe, Hokuto Nakata, Yoshinori Ikenaka, Chihiro Ishii, Yared B. Yohannes, Hazuki Mizukawa, Wageh Sobhy Darwish, Aksorn Saengtienchai, Mayumi Ishizuka
  • Organizer: 8th International Toxicology Symposium in Africa
  • Place of Presentation: Gawharet Alahram Hotel, Giza, Egypt
  • Year and Date: 2016-08-29 – 2016-08-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Human health risk due to polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) exposure in Kumasi, Ghana; and excretion of PAH metabolites in cattle urine from urban and rural sites. (2016)
  • Author(s): Nesta Bortey-Sam, Yoshinori Ikenaka, Shouta M.M. Nakayama, Aksorn Saengtienchai, Hazuki Mizukawa, Mayumi Ishizuka.
  • Organizer: 第30回北海道薬物作用談話会
  • Place of Presentation: 北海道大学、札幌市、北海道
  • Year and Date: 2016-07-31 – 2016-07-31
• [Presentation] KAMPAI -Team 2, PAST, PRESENT and FUTURE- (2016)
  • Author(s): Shouta M.M. Nakayama, John Yabe, Yared Beyene, Haruya Toyomaki, Kaampwe Muzandu, Kennedy Choongo, Hazuki Mizukawa, Yoshinori Ikenaka, Mayumi Ishizuka.
  • Organizer: Kick-Off Symposium for the “The Project for Visualization of impact of chronic/latent chemical hazard and Geo-Ecological Remediation in Zambia”
  • Place of Presentation: CRESTA Golfview Hotel, Lusaka, Zambia
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] UGTの動物種差 (2016)
  • Author(s): 石塚 真由美、中山 翔太、水川 葉月、池中 良徳
  • Organizer: 第43回日本毒性学会学術年会
  • Place of Presentation: ウインクあいち、名古屋市、愛知
  • Year and Date: 2016-06-29 – 2016-07-01
• [Presentation] Human health risk due to polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) exposure in Kumasi, Ghana; and excretion of PAH metabolites in cattle urine from urban and rural sites. (2016)
  • Author(s): Nesta Bortey-Sam, Yoshinori Ikenaka, Osei Akoto, Shouta M.M. Nakayama, Kwadwo A. Asante, Christian Obirikorang, Elvis Baidoo, Aksorn Saengtienchai, Hazuki Mizukawa, Mayumi Ishizuka.
  • Organizer: SETAC Europe 26th Annual Meeting
  • Place of Presentation: La Cite Nantes Congress Center, Nantes, France
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Book] 8th International Toxicology Symposium in Africa (ISBN: 978-0-620-71287-3) (2016)
  • Author(s): Ikenaka Y, Darwish WS, Johan JV, Wepner V, Moundipa PF, Akoto O, Ikechukwu EL, Beyene Y, Yabe J, Nakayama SMM, Mizukawa H, Saengtienchai A, Ishizuka M.
  • Total Pages: 155
  • Publisher: Shoubunsya inc
• [Book] KAbwe Mining Pollution Amelioration Initiative Project (KAMPAI) (ISBN: 978-4-909032-68-3) (2016)
  • Author(s): Nakayama SMM, Yabe J & Ishizuka M et al
  • Total Pages: 160
  • Publisher: Shoubunsya inc
• [Remarks]
  • URL: http://tox.vetmed.hokudai.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://satreps-kampai.vetmed.hokudai.ac.jp/