2011年2月7日環境ホルモン学会講演会要旨集を改変

脳神経系を撹乱する農薬と子どもの発達障害-ネオニコチノイド・有機リン系農薬の危険性2011年当時の所属

1.

東京都神経科学総合研究所 木村—黒田純子

はじめに安定な農作物確保のため、農薬の果たしてきた役割は大きいが、病害虫や雑草への毒性は特異的ではなく、ヒトや生態系に予想外の影響をもたらした歴史がある．農薬は昆虫の神経系を標的にしているものが多いが、ヒトの神経系は昆虫と基本的に同じ分子メカニズムを用いているので、ヒトへの毒性がどの程度避けられるかが問題となってきた．有機塩素系農薬は深刻な環境汚染を起こし、次に開発された有機リン系農薬もヒトへの毒性があることから、1990 年頃から、より安全とされているネオニコチノイド系農薬の使用量が増えてきている．現在も使用量の多い有機リン系は興奮性神経伝達物質アセチルコリン（ACh）の分解酵素を阻害し、ネオニコチノイド系は AChの強いアゴニスト作用を持ち、共にコリン作動系（ACh を神経伝達物質とする伝達系）を標的としている．最近の研究によりヒトのコリン作動系は、末梢神経や自律神経系だけでなく脳の高次機能、免疫系に至るまで重要な機能を持ち、特に子どもの脳の発達においては妊娠初期から重大な働きをしていることが明らかとなってきている．一方で現行の農薬の毒性試験には、脳高次機能発達への影響、エピジェネティクな毒性や多種類の農薬の複合的影響、内分泌機能の撹乱など新しい知見の項目は入っていな
い．近年急増している注意欠陥多動性障害（ADHD）などの発達障害、鬱病や統合失調症など精神神経疾患の一因として、農薬の関与を疑わせる報告も出ている．さらに
ACh は神経伝達物質であるだけでなく、単細胞生物から高等動物まで共通する生命にとって重要な生理活性分子なので、 ACh を標的にした農薬は昆虫だけでなく広汎な生態系へも影響を及ぼす可能性が高い．そこでコリン作動系を標的にしたネオニコチ
ノイド系・有機リン系農薬の影響について、特に発達期の脳を中心に最近の知見を紹介し、農薬の安全性について再考したい．
2.

脳神経系を標的としてきた農薬
日本では、第二次大戦後 DDT, BHC など有機塩素系殺虫剤（標的は電位依存性 Naチャネル）が使われ始め、合成農薬の本格的な使用が始まった．有機塩素系は病害虫以外にも毒性が強く難分解・蓄積性で環境汚染を起こしたため、1970 年頃国内外で殆どが使用禁止となった．種類によっては遺伝子発現に異常を起こすなど、内分泌撹乱作用やエピジェネティクな影響も報告されている 1)．
代わって開発されたのが有機リン系で、種類・生産量とも現行で最も多い．有機リン系は、昆虫の中枢神経で主要な神経伝達物質である ACh の分解酵素・ACh エステラーゼ（AChE）の働きを阻害し、毒性を発揮する．有機塩素系に比べれば分解しやすいが、環境汚染を引き起こし、さらにヒトへの神経毒性も指摘されている．
有機リン系の代替として開発されたのがネオニコチノイド系で、ニコチン類似構造を持ち、毒性は受容体結合実験より昆虫特異性が高いと言われ、世界中で使用量が増えている．その他、除虫菊の殺虫成分に近く残留性の高いピレスロイド系（電位依存性 Na チャネル阻害）やカーバメイト系（AChE 阻害）なども、脳神経系を標的としている．殺虫剤フィプロニルは抑制性神経伝達物質 GABA 系を標的とし、除草剤グリホサートは抑制性神経伝達物質グリシンの有機リン化合物、グルホシネートは興奮性神経伝達物質グルタミン酸の有機リン化合物である．
また、以前の農薬は不溶性で農産物の表面に塗布するものが多かったが、散布された種子内部に浸透して成長後も殺虫効果が持続する浸透性農薬が増えてきている．ネ
オニコチノイド系や、有機リン系の一部（アセフェートなど）、フィプロニルなどは浸透性農薬で、果菜内部に浸透すると洗い落とせず残留が問題となり、水系への影響も検討が必要である．
3.

ACh を介したコリン作動系の多様な働き
哺乳類における ACh は、まず自律神経や神経筋接合部など末梢神経において主要な働きをしていることが明らかとなり、後に中枢神経における広汎な作用や非神経組織の ACh に関する研究が進展してきた．
1）コリン作動系の機能分子

ACh に関わる機能分子としては、コリン、アセチルＣoA, ACh 合成酵素、ACh 分解酵素、ACh 受容体、ACh 輸送蛋白などがあり、それぞれが巧みに働いて神経伝達を行っている（図 1）．コリンはアセチルコリンの合成に必要であるだけでなく、細胞膜の要素でもあるリン脂質で、ヒトでは必須栄養素である．アセチルＣoA はミトコンドリアで合成されコリンとともに ACh 合成に必須である．受容体には、ニコチン性受容体（nAChR）とムスカリン性受容体(mAChR)がある．nAChR はチャネル型で、ACh の結合により構造変化が起き陽イオンを通過させ、mAChR はＧ蛋白共役型で、ACh の結合で G 蛋白を介したシグナル伝達が働き、共に重要な働きを担っている．有機リン系は ACh 分解酵素、ネオニコチノイド系は nAChR を標的としているので、主にこの２種類について話しを絞る．
2）ACh 分解酵素・ACh エステラーゼ（AChE）
AChE は、受容体に結合した ACh を分解し神経伝達を終了する重要な酵素で、その阻害薬は ACh の刺激を高め、nAChR , mAChR が過剰に興奮を起こす．不可逆的阻害剤は AChE の働きをリン酸化により完全に阻害し、元に戻るには新しい AChE合成が必要となるため ACh 蓄積による毒性が強く、有機リン系農薬の多くやサリンなど神経ガスが、この不可逆的阻害効果を持つ．
3)ニコチン性 ACh 受容体（nAChR）の種類

nAChR は(図 2)、５個の膜貫通型サブユニットが結合した構造を取り、サブユニットの種類は多く、ヒトではα1-10,β1-4,γ,ε,δがある．筋肉型 nAChR ではα1β1γδ（もしくはα1β1εδ）から構成され、神経型 nAChR ではα2-10 とβ2-4（以下αβは哺乳類 nAChR を示す）が多様に組合される．α7 は単独で５量体チャネルを構成し、他の nAChR に較べ陽イオン中の Ca 選択透過性が極めて高く、シグナル伝達としての役割が大きい．ACh/nAChR 系は幅広い生物種の基本的生理活性物質

で、分子進化学的研究から、
α7 は昆虫型 nAChR が出てくる以前の古い時代に分岐したことが示唆されており 2)、ヒ
トでも神経以外の組織にも多く発現しており 3)、その働きの多様性は興味深い．自律神経では、交感・副交感神経とも神経節の受容体は nAChRで、副交感神経系の臓器ではACh/mAChR が神経伝達を担っており、コリン作動系は全身の臓器の調節機能を担っている重要な神経伝達系といえる．
3）脳内 nAChR の働き
ヒト脳内では代謝型 mAChRの研究が進み、nAChR の役割は長らく不明であった．近年 nAChR は記憶・学習・認知など高次機能に関与し、さらに抗不安作用や鎮痛効果など多様な性質を持つことが分かってきた．図 3 のように脳内では nAChR は多くの領域で発現しており、
nAChR で受ける ACh の信号は、ドーパミン、セロトニン、GABA、グルタミン酸など他の神経伝達物質の放出を促進するなど、調節機能を介して脳機能に多彩な影響を及ぼす． 例えば ACh のアゴニストであるニコチンは、nAChR を介して中脳腹側被蓋野ニューロンのドーパミンの放出を促し、その投射先である海馬において長期増強（LTP）を起こしやすくして一時的に記憶を高める 4)．しかし nAChR は低濃度（<1μM）のニコチンにより脱感作を起こし ACh に反応しにくくなるので、ニコチンを摂取し続けると nAChR の機能と数に変化を起こし、ニコチン依存症に陥ると考えられている．脳内 nAChR は、シナプス後部だけでなく、シナプス前部や細胞体、樹状突起にも発現して多様な機能を担っている（図 4）．精神疾患において、α7 は統合失調症、α4β2 は鬱病との関連が指摘され 5)、アルツハイマー病の脳では、ACh とα4β2 の減少や、α7 とβアミロイドの凝集が報告されている 6)．自閉症児の脳では、nAChR の発現が減少していることもよく知られている 7)（図 5）．
nAChR はその機能の多様性から、アルツハイマー病など創薬のターゲットとしても研究が進んでいる 8)．

5）脳発達における nAChR の広汎な働き
ヒトの脳発達では、nAChR が妊娠初期から成体とは違ったパターンで多量に発現し、正常な脳の発達過程である細胞増殖、細胞死、移動、分化、シナプス形成に関わることが分かってきた 9)．胎児—青年期にいたるまで、脳幹のコリン作動系のみならずドーパミン、セロトニンなどアミン系神経回路、海馬、小脳、大脳皮質などの正常な発達に、nAChR が多様に関わっている（図 6、7）．そのため発達期のニコチン暴露は、低酸素時に呼吸を促す脳幹の神経回路形成に障害を起こすことがあり、乳児突然死症候群（SIDS）のリスクを上げることが疫学報告、動物実験より明らかとなっている 10,11)．近年増加している注意欠陥・多動性障害（ADHD）の原因もニコチンの関与が疑われ、母親が喫煙すると子どもの ADHD のリスクが有意に高くなるという疫学報告があり 12)、特にドーパミン受容体とドーパミン輸送蛋白の特定な遺伝子多型の母親が妊娠中に喫煙するとリスクが高まるという報告は注目されている 13)．また動物実験でも母体経由のニコチン暴露により、仔ラットに行動異常が認められている 14)．

6）非神経組織における nAChR（表 1）
さらに哺乳類では、ACh と nAChR, mAChR は神経系だけでなく、免疫系、皮膚・肺の上皮細胞、胎盤など広範囲な組織にも認められている 3)．非神経組織におけるnAChR は、Ca 選択透過性の高いα7 が多い．免疫細胞に発現している α7 は、炎症反応の調節に重要な働きを担い 15)、アトピー性皮膚炎では、表皮の角質細胞に発現している nAChR, mAChR が関与しているという報告もある 16)．肺癌発症では、肺組織に発現しているα7 とニコチンの関与が示唆されている 17）．

7) 下等動物の ACh, AChE, nAChR（図 8）

コリン作動系は昆虫だけでなく、単細胞生物から存在が確認されている重要な生理活性物質である．ACh や ACh 合成酵素は、単細胞生物から存在が確認されており、進化的に普遍といってもいい重要な生理活性物質である 18）． ACh を利用したコリン作動系は進化の過程でごく初期から細胞機能調節や細胞間の情報伝達として利用され、神経系を持つ動物が出現した際にも多様に進化したと考えられる．
以上のようにコリン作動系は、ヒト脳などで旧来予想された役割より多様で複雑な働きをしており、コリン作動系を標的とした農薬のヒトへの影響を検討する際には、これらの新しい知見を基礎にした再評価が必要となろう．

4.

ネオニコチノイド系農薬の哺乳類への影響

1)ネオニコチノイド系農薬の種類と用途、残留基準
ネオニコチノイド系農薬は図9のようにニコチン類似構造をもっている．イミダクロプリド、アセタミプリド以外に、クロチアニジン、ジノテフラン、チアクロプリド、チアメトキサム、ニテンピラムがあり、国内では農薬以外にも防虫剤として建材、松枯れ防止、ガーデニング、シロアリ駆除、家庭用殺虫剤、ペットの蚤駆除など多用されている．国内のネオニコチノイド系農薬の一日摂取許容量は0.0120.53mg/kg/day(モル濃度で47nM~1.96µM)でほぼ欧米並みであるが、残留基準はEUや米国に比べ極めて緩い（表2）．その基準値は茶葉が10-50ppm、ブドウが2-10ppmと高いので、2.49ppm残留汚染（アセタミプリドの実測例が有る 19））したお茶800mlを体重25kgの子どもが飲むと一日摂取許容量を超えてしまう．

表２． アセタミプリドの農薬残留基準（ppm）2011年のデータ
食品

日本
現行

USA

EU

食品

2011,2/9~

日本
現

USA

EU

行

2011,2/9~
イチゴ

53

0.60.01

茶葉

5030

50*0.1リンゴ

52

1.00.1

トマト

520.20.1

ナシ

52

1.00.1

キュウリ

520.50.3

ブドウ

550.10.01

キャベツ

53

1.20.01

スイカ

0.50.30.350.01

ブロッコリ

521.20.01

メロン

10.50.50.01

ピーマン

510.20.3*USAでは輸入茶に対してのみ基準値を設定
2）ネオニコチノイドのヒトへの症例報告
ヒトへの影響については、日常生活におけるネオニコチノイド中毒と疑われる症例の報告がある19)．心機能不全や異常な興奮、衝動性、記憶障害など急性ニコチン中毒と類似した症状がみられ、その発症要因として空中散布や食品に残留したネオニコチノイド系アセタミプリド（図2）が引き金となっている可能性があるという．
3）ネオニコチノイドと哺乳類nAChRに関する研究報告
ネオニコチノイドはニコチン同様、哺乳類 nAChR に結合するが、結合阻害実験では昆虫類 nAChR への結合性が著しく高く、哺乳類と比べた選択性は数十から数百倍と推察されている 20)．しかしヒトへの毒性を考えるとき重要なのは、環境ホルモンと同様に、ネオニコチノイドが情報伝達物質である ACh がないときに哺乳類 nAChR に結合してアゴニスト作用をもつことで、その際には結合実験の昆虫対哺乳類の差は毒性とは直接関係がない。実際にネオニコチノイドが ACh の有無に関わらず、低濃度で哺乳類 nAChR に結合してニコチン様に作用することには、数多くの実験的証拠がある。
1998 年の報告ではイミダクロプリドはラット PC12 細胞 nAChR に対し、10μM でアゴニスト 作用、ACh 存在下ではアンタゴニスト 作用を示した 21)．トリ nAChR を発現させた Xenopus oocyte では、それ自体では影響を及ぼさない低濃度（3μM）のイミダクロプリドが、ACh の電気生理的反応を増大させた 22)．最近ではラット脳内にチアメトキサムを投与すると、線条体におけるドーパミン放出が確認され 23)、マウス蝸
牛の神経細胞では、10μＭのイミダクロプリドにニコチン様の反応性が認められている 24)．筆者らのラット神経細胞培養系で、1μM 以上のアセタミプリドとイミダクロプリドが興奮性反応を起こし、その反応パターンや臨界濃度はニコチンと類似していた 25)．nAChR はリガンド以外の分子によるアロステリックな変化を起こすことが分かっており、様々な分子との結合性も報告されているので、生体内においてネオニコチノイド類はより反応しやすい可能性がある．また動物実験では、母体経由でイミダクロプリドを投与された仔ラットは行動と脳組織に異常があった 26)．成熟ラットにチアメトキサムを投与すると、AChE の低下や不安行動が観察されたという報告もある
27）．イミダクロプリドやアセタミプリドはニコチン同様脳内に侵入しやすいこともマ

ウスで報告されている 28)（図 10）．

以上の結果からも、低濃度のネオニコチノイドが哺乳類 nAChR に作用することは確かで、タバコを吸わなくてもニコチン様の健康被害をもたらす危険がある．さらにネオニコチノイドの代謝産物は、哺乳類 nAChR に対し原体より高い親和性を示しニコチンに極めて近い反応性を示す物がある．イミダクロプリドの代謝物の一種は原体の 1/1000 の濃度（0.1μM, ニコチンと同レベルのごく低用量）で、マウス神経芽細胞腫の ERK（細胞外シグナル調節キナーゼ）のリン酸化を顕著に上昇させる 29)．ERKのリン酸化はシグナル伝達系において重要で、リン酸化 ERK は核内に移行し様々な遺伝子発現を担う．Tomizawa は、ネオニコチノイドとその代謝物の哺乳類への影響については、詳細な検討が必要と提唱している 30) ．

4) ニコチンの人体影響（図 11）

喫煙研究の進展から、ニコチンは低濃度でも遺伝子発現の異常など様々な人体影響を持つことが分かってきた．特に懸念されるのが、胎児・小児への影響で、母親の喫煙が低体重児出生や早産、流産の危険性を有意に高くすることが疫学研究で分かっており 31)、
動物実験によりニコチンが主原因であることが確認されている 32)．ニコチン類は胎盤を通過し脳にも移行しやすい．ヒトの羊
水、臍帯血、胎盤のニコチン濃度は母体血中濃度よりも、それぞれ 1.54倍、1.12 倍、2.58倍高くなるという報告もある 33)．発達期脳への影響については研究が進
み、ニコチンにより乳児突然死症候群や ADHD のリスクが高くなることを前述した．最近、低濃度のニコチンを母胎経

由で投与された仔ラットの脳では、シナプス形成に関わる遺伝子発現に変化が認められることも報告されている 34)．自閉症はシナプスの異常で起こるシナプス病とも呼ばれており、ニコチンによって down regulation される自閉症リスク遺伝子
contactin 4 は、シナプス形成に重要な接着分子である．
ネオニコチノイドが同様な作用を持つ可能性が大きい．著者らは発達期小脳培養系にアセタミプリドを低濃度長期暴露（1μM, 19 日）したところ、神経細胞のα４nAChRの発現が低下する傾向がみられ（図 12）、これは自閉症児の脳でも観察されている 35）．
上述したようにネオニコチノイド類の一日摂取許容量は、換算体内濃度が 1μM 以上のものもあり、低濃度長期暴露による脳発達への影響が危惧される．
5.

有機リン系農薬の神経毒性
有機リン系農薬の神経毒性はこれまでも多くの総説があるので 36,37)、簡単に紹介する．有機リン系の神経毒性は、AChE の阻害により ACh が蓄積し、nAChR や mAChRが過剰に刺激され起こる．前述したように、自律神経系の神経節では ACh/nAChR、副交感神経系は ACh/mAChR、さらに全ての筋肉で ACh/nAChR が神経伝達を担っているので、全身に異常が起こる．吐き気、嘔吐、下痢、多汗、流涎、縮瞳、失禁、頻脈、筋肉の痙攣などが急性中毒の症状としてあげられている．また低用量暴露においても、ACh の持続的蓄積により nAChR の脱感作が起こり正常な ACh の作用が阻害され、易疲労性や一般的な脱力あるいは麻痺などの症状が起こる．中枢においても nAChR やmAChR は脳高次機能を担っているため、記憶など脳高次機能の障害や攻撃性、抑鬱など行動異常が起こる．コリン作動系は免疫系でも重要な働きをしているので、アレルギーなどにも関与している可能性が高い．
さらに有機リン系農薬暴露の数週後に起こる遅発性神経毒性では、神経障害性エステラーゼが影響しているという報告がある 38)．神経障害性エステラーゼは、その後の研究でリゾフォスファターゼの一種と考えられており、マウスではこの酵素阻害が多動症を示した報告があり興味深い 39)．
疫学では通常摂取する低濃度の有機リン系農薬が検出される児童で、 ADHD のリスクが約２倍になるという報告が複数出ている 40,41)．
このように有機リン系農薬のヒトへの神経毒性が明らかになっているにも関わらず、現在でも総使用量は高く、さらにコリン作動系に関わるネオニコチノイド系の使用量が増えており、複合暴露などコリン作動系を介した健康影響は大きな問題と考えられる．
６．

おわりに以上、ネオニコチノイド系、有機リン系農薬などコリン作動系を標的にした農薬を中心に、哺乳類、ヒトへの影響の可能性について最近の知見を紹介した．コリン作動系はヒト脳など生物全般で極めて多様な幅広い働きをしており、これを標的とした農薬は、予期せぬヒトへの健康影響や生態系への影響が否定できない．ことに従来の毒性試験では検出されにくい遺伝子発現の撹乱作用や発達期の脳への神経毒性が危惧される．農薬の安全基準である一日摂取許容量（ADI）の基準は現行の農薬毒性試験から算出されるが、脳神経撹乱毒性や複合毒性などは確かめられておらず、現在の算出法では安全とはいえない．ましてや ADI を超える可能性のある残留基準は早急に変更すべきである．ネオニコチノイド系農薬はニコチンと類似した作用を持っており、ニコチンが子どもの発達に悪影響を及ぼすことが明らかなだけに、その影響が懸念される．ニコチンの害は禁煙すれば回避できるが、多用されているネオニコチノイドを避けることは難しい．農薬ばかりでなく PCB など他の環境毒性物質などとの複合的な影響も合わせて、綿密な調査研究が必要であろう 42)．現在の社会では地球温暖化など、厳密な因果関係が証明されにくいリスクが増え、「大きな危険が想定されるものは、とりあえず予防する」という予防原則が欧米を中心に多数意見となりつつある．
子どもの将来に繋がる重要課題として、農薬についても予防原則を適用し、ヒトの神経系を撹乱する殺虫剤については使用を極力抑え、危険性の高いものは使用停止するなどの方策が必要であろう．昆虫独自のホルモンやフェロモンを利用した害虫対策など、より安全な農薬の開発や有機農法の普及に期待したい．
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