低フルエンス粒子放射線の動物個体への影響と生体の適応に関する多面的解析

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: "LIVING IN SPACE" - Integral Understanding of life-regulation mechanism from "SPACE"
• Project/Area Number: 15H05944
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 根井 充 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 人材育成センター, センター長(定常) (10164659)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永松 愛子 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 有人宇宙技術部門, 研究開発員 (00421868) ; 王 冰 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線影響研究部, チームリーダー(定常) (10300914) ; 勝部 孝則 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線影響研究部, 主任研究員(定常) (10311375) ; 藤森 亮 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線障害治療研究部, チームリーダー(定常) (50314183) ; 丸山 耕一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 福島再生支援本部, 主任研究員(定常) (70349033) ; 中島 徹夫 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 放射線影響研究部, チームリーダー(定常) (80237271)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: 宇宙放射線 / 鉄イオン線 / 小核試験 / 染色体異常 / 放射線防護物質 / ゲノム不安定性 / マウス / メダカ

Outline of Annual Research Achievements

宇宙放射線被ばくは長期宇宙滞在において危惧されるリスク要因であり、特に生体障害作用の大きな粒子線成分に対する動物の生体応答を明らかにすることは重要である。本研究は、発がんと密接に関わるゲノム損傷に注目し、低線量X 線もしくはγ線に対する生体応答と比較することによって、相対的に低フルエンス粒子放射線のリスクを明らかにする。マウスモデルとしては、ゲノム不安定性の誘導を可視化できる新規マウスモデルRaDR等を用い、鉄イオン線によるマウス骨髄における小核形成と脾臓における染色体変異を評価するとともに、種々の臓器における非標的効果を評価する。そして睡眠調節剤や摂取カロリー制御による感受性修飾を評価するとともに、防護効果が期待される化合物の効果を評価する。また、メダカを用いて低フルエンス粒子線による抵抗性の誘導および水温等飼育環境の効果を評価する。
今年度は、マウス骨髄細胞における小核形成の解析において、X線では3Gy以上のみ、鉄イオン線では0.3Gy以上のすべての線量で小核頻度の有意な増加を認めた。脾細胞染色体異常の解析においては、X線、鉄イオン線とも、0.5 Gy以上で顕著な染色体異常の増加を認め、転座の頻度については、X線に比べて鉄イオン線は1/5程度と顕著に低いことを明らかにした。またRaDRマウスを用い、鉄イオン線全身照射後の胸腺と骨髄では、非標的性のゲノムDNA組換えが有意に増加することを観察した。更にニンニク油の硫黄含有主成分のジアリルジスルフィド（DADS）のin vivoでの放射線防護効果を確認した。メダカを用いた実験においては、放射線照射後、低温下（15℃）で飼育することで致死率が著しく減少する現象を明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

マウスを鉄イオン線（0.1～3Gy）あるいはX線（0.1～5Gy）で全身照射した後、1ヶ月目および2ヶ月目に末梢血、骨髄細胞（赤血球）、脾細胞を採取し、現在、末梢血像、骨髄細胞の小核、脾細胞（主にT細胞とB細胞）の染色体異常の解析を進めている。用いたマウス数は、1群当たり6匹で、総計168匹である。これまでに、骨髄細胞における小核形成の解析において、X線では3Gy以上の線量でのみ小核頻度の増加が観察された一方で、鉄イオン線では0.3Gy以上のすべての線量で有意な増加を認めた。蛍光in situ ハイブリダイゼーション（FISH）法による脾細胞染色体異常の解析については、照射１ヶ月目の49サンプル（1ヶ月目サンプルの58％）分の結果を集計したところ、X線、鉄イオン線とも、0.5 Gy以上で顕著な染色体異常の増加が認められた。同じ線量で比較した場合、転座（安定型染色体異常）の頻度は、X線に比べて鉄イオン線は1/5程度と顕著に低かった。二動原体（不安定型異常）は、両者ともに転座に比べて極めて低頻度であった。鉄イオン線によるDNA損傷は、X線による損傷に比べて修復されにくいとされている。鉄イオン線によるDNA損傷は、染色体異常として固定されるよりも、細胞死により排除された可能性が示唆された。
一方、RaDRマウスを用い、鉄イオン線全身照射後の胸腺と骨髄では、非標的性のゲノムDNA組換えが有意に増加することを観察した。更にニンニク油の硫黄含有主成分のジアリルジスルフィド（DADS）のマウス経口投与の実験により、生体内での放射線防護効果を確認した。メダカを用いた実験においては、放射線照射後、低温下（15℃）で飼育することで致死率が著しく減少する現象を明らかにした。また中性子線源（カリフォルニウム252）を導入し、メダカの中性子連続照射の実験系を構築した。
以上の通り、本事業は順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

鉄イオン線照射後の骨髄細胞の小核および脾細胞における染色体異常を解析することにより、造血系および脾臓における遺伝毒性を指標とした鉄イオン線のリスクを評価する。本研究で用いているC57BL/6JJmマウスは放射線誘発胸腺リンパ腫を効率に誘発する系統であることから、放射線の遺伝毒性と放射線発がんの相関性についても評価する。平成29年度以降においては、上記の実験系を用い、食餌制御による鉄イオン線の遺伝毒性の低減効果を評価する。また、p53＋/－マウスを用い、心理的ストレスによる放射線感受性への影響について検討する。
また、鉄イオン線の生体作用に対するDADSの効果を解析しX線との比較により放射線防護作用を評価する。一方、DADS以外の放射線防護物質としてメラトニン等の睡眠関連因子の効果も調べることで重粒子線防護に有効な防護物質を探索するとともに、放射線発がんの重要な標的である幹細胞を用いた評価系で中性子に対する防護効果を解析することも検討する。更に代謝物等の評価により放射線影響マーカーの同定を試みる。
一方、RaDRマウスの組織凍結標本（胸腺、膵、肝、腎、腸管など）を用いて、非標的性のゲノムDNA組換えの頻度やその発生過程に関するより詳しい調査を進める。組織切片の蛍光顕微鏡による解析あるいはより効率のよい方法を用いて、可能なかぎり臓器全体を網羅的に観察することが重要である。組織中の非標的性のゲノムDNA組換え細胞の分布や形態から、フローサイトメトリ解析による非標的性のゲノムDNA組換え細胞の数の増加が、独立したDNA相同組換え誘導による結果か、早期に組換えを起こした細胞の増殖の結果のいずれであるかを考察する。
低フルエンス率中性子照射系を用いて、メダカ遺伝子発現を指標とした影響評価をおこなう。また、メダカ成魚の放射線適応応答を魚類造血器官である腎臓での小核頻度等を指標として評価する。

Research Products

• [Journal Article] Effects of chronic restraint-induced stress on radiation-induced chromosomal aberrations in mouse splenocytes. (2017)
  • Author(s): T.Katsube, B.Wang, K.Tanaka, Y.Ninomiya, G.Vares, T.Kawagoshi, N.Shiomi, Y.Kubota, Q.Liu, A.Morita, T.Nakajima, M.Nenoi
  • Journal Title: Mutation Research Volume: 813 Pages: 18-26
  • DOI: 10.1016/j.mrgentox.2016.11.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of the relative biological effectiveness and uniform isobiological killing effects of irradiation with a clinical carbon SOBP beam on DNA repair deficient CHO cells. (2017)
  • Author(s): Shigeaki Sunada, Ian M. Cartwright, Hirokazu Hirakawa, Akira Fujimori, Mitsuru Uesaka and Takamitsu Kato
  • Journal Title: Oncology Letters Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Changes in free amino acids in mice exposed to X-ray or Fe-ion radiation. (2017)
  • Author(s): Tetsuo Nakajima, Guillaume Vares, Yasuharu Ninomiya, Bing Wang, Takanori Katsube, Kaoru Tanaka, Cuihua Liu, Hirokazu Hirakawa, Kouichi Maruyama, Akira Fujimori, Mitsuru Nenoi
  • Organizer: The 7th International Society of Radiation Neurobiology Conference
  • Place of Presentation: Yuzawa, Japan
  • Year and Date: 2017-02-09 – 2017-02-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マウス造血組織の遺伝毒性誘導に対する重粒子線（鉄イオン線）照射の相対的効果 (2016)
  • Author(s): 田中薫, 王冰, 勝部孝則, 二宮康晴, 平川博一, 劉翠華, 丸山耕一, Guillaume Vares, 中島徹夫, 永松愛子, 藤森亮, 根井充
  • Organizer: 第59回日本放射線影響学会大会
  • Place of Presentation: 広島県、広島市
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [Presentation] 放射線誘発マウス胸腺腫とゲノム不安定性 (2016)
  • Author(s): 劉翠華、平川博一、王冰、勝部孝則、中島徹夫、二宮康晴、田中薫、根井充、藤森亮
  • Organizer: 第59回日本放射線影響学会大会
  • Place of Presentation: 広島県、広島市
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-28
• [Presentation] Relative Effectiveness of Heavy Ion Irradiations from Accelerated Iron-56 Particles for Induction of Genotoxicity in the Hematopoietic System in Mice. (2016)
  • Author(s): Bing Wang, Kaoru Tanaka, Takanori Katsube, Yasuharu Ninomiya, Hirokazu Hirakawa, Cuihua Liu, Kouichi Maruyama, Guillaume Vares, Tetsuo Nakajima, Aiko Nagamatsu, Akira Fujimori, Mitsuru Nenoi
  • Organizer: The 62th annual meeting, Radiation Research Society
  • Place of Presentation: Waikoloa, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-10-16 – 2016-10-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A study on relative effectiveness of heavy ion irradiations from accelerated iron-56 particles for induction of chromosomal aberrations in mouse splenocytes. (2016)
  • Author(s): Takanori Katsube, Bing Wang, Kaoru Tanaka, Yasuharu Ninomiya, Hirokazu Hirakawa, Cuihua Liu, Kouichi Maruyama, Guillaume Vares, Tetsuo Nakajima, Aiko Nagamatsu, Akira Fujimori, Mitsuru Nenoi
  • Organizer: The 62th annual meeting, Radiation Research Society
  • Place of Presentation: Waikoloa, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-10-16 – 2016-10-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Revisiting the health effect of psychological stress: Time to focus on its influence on susceptibility to ionizing radiation. (2016)
  • Author(s): Bing Wang, Takanori Katsube, Nasrin Begum, Mitsuru Nenoi.
  • Organizer: Workshop of Radiation Medicine and Protection. The Institute of Radiation Medicine, Chinese Academy of Medical Science
  • Place of Presentation: Tianjin, China
  • Year and Date: 2016-09-10 – 2016-09-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effects of chronic restraint-induced stress on radiation-induced chromosomal aberrations in mouse splenocytes, (2016)
  • Author(s): Takanori Katsube, Bing Wang, Kaoru Tanaka, Yasuharu Ninomiya, Guillaume Vares, Taiki Kawagoshi, Naoko Shiomi, Yoshihisa Kubota, Qiang Liu, Akinori Morita, Tetsuo Nakajima, Mitsuru Nenoi
  • Organizer: Workshop of Radiation Medicine and Protection. The Institute of Radiation Medicine, Chinese Academy of Medical Science
  • Place of Presentation: Tianjin, China
  • Year and Date: 2016-09-10 – 2016-09-10
  • Int'l Joint Research / Invited