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Evaluation and method establishment of biological and ecological effects of DDT : imaging technique and molecular analysis approach
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| Title: | Evaluation and method establishment of biological and ecological effects of DDT : imaging technique and molecular analysis approach |
| Other Titles: | 殺虫剤DDTの生体・生態影響評価とその手法の確立 : イメージングと分子解析アプローチ |
| Authors: | 本平, 航大1 Browse this author |
| Authors(alt): | Motohira, Kodai1 |
| Issue Date: | 23-Mar-2023 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | Dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) is a well-known organochlorine pesticide currently used for the vector control of malaria. However, DDT persists in the environment and in animals, raising concerns regarding its ecological and biological risks. Risk evaluation is crucial for the continued use of DDT. This thesis aimed to 1) evaluate the effects of DDT on wild rats in DDT-sprayed areas in South Africa, 2) develop new methods for evaluating chemical toxicities, and 3) apply the developed methods to an in vivo study of DDT. First, in 2014 and 2017, wild rats were collected from South Africa, and the DDT concentrations in organs and gene expression in the liver and plasma metabolome were evaluated. A sex-linked metabolic enzyme in rats was found to alter its expression pattern in highly DDT-polluted areas. Metabolomic analysis revealed a possible association between DDT and bile acids. As molecular analyses targeting wild rodents are rare, this study encourages further research to understand the ecological effects of DDT.
This thesis also discuss a new toxicity test utilizing computed tomography (CT) and multiomics analysis. Phenobarbital, a potent activator of the constitutive androstane receptor (CAR), is used as a model chemical for toxicity testing as it can induce hepatomegaly, and both DDT and phenobarbital are related to the CAR. In addition, new (multiomics) and classical (histopathology and quantitative PCR) methods were combined to identify plasma biomarkers of the molecular processes of hepatomegaly. This study demonstrated that micro-CT could be used to evaluate phenobarbital-induced hepatomegaly in live animals. Another finding was that plasma lipids, such as ceramides, are effective markers for interpreting biological reactions to phenobarbital. This new approach with combined micro-CT, multiomics, and classical methods can visualize toxic effects induced by chemicals and their molecular processes throughout an animal’s lifetime.
Finally, in vivo DDT exposure experiments were performed on rats from three generations. A low concentration of DDT and its metabolites were exposed through food. The expression of Cyp2b1, regulated by CAR, was markedly upregulated in DDT-exposed rats. Although hepatomegaly was observed in the female exposure group, histopathological changes and the significant toxic effects of DDT were not observed. CT did not adequately detect DDT-induced hepatomegaly, possible because the effects of DDT on the liver were lesser than those seen with phenobarbital. Thus, further improvements in the CT-based method and its application to the toxicity testing of other chemicals are necessary. The current analyses had some limitations, such as evaluating histopathology, clinical biomarkers, and CT analysis only. Thus, the results do not indicate that the whole toxicity of DDT in mammals. Further research is crucial to reveal the biological and ecological effects of low-dose DDT.
Overall, in vivo and field studies of DDT must coexist to assess the effects of DDT on the environment. This study describes the possible ecological and biological risks in DDT-sprayed areas and a new method for evaluating chemical toxicity. These findings will contribute to the re-evaluation of the effects of DDT, the comparison of its risks and benefits, and appropriate vector control. | | ジクロロジフェニルトリクロロエタン（DDT）は、マラリアのベクターコントールのため、現在も使用されている有機塩素系殺虫剤である。しかしながら、DDTは環境、動物の体内に長期間、蓄積し、その生物学的、また生態学的影響が懸念されている。DDTを継続して感染症制御に利用するうえで、そのリスク評価は必要不可欠と言える。それゆえ、本研究は１）南アフリカ共和国のDDT散布地域における、野生げっ歯類へのDDTの影響評価、２）化学物質の毒性を評価する新しいアプローチの開発、そして３）そのアプローチを用い、ＤＤＴの哺乳類に対する毒性影響の再評価を目的とした。最初に、南アフリカ共和国において２０１４年、２０１７年に野生ラットを採材し、臓器中DDT濃度の定量、肝臓を用いた定量的PCR、血中メタボローム解析を実施した。本研究により、シトクロームＰ４５０（CYP）などの代謝酵素がＤＤＴにより、かく乱されている可能性を明らかにした。特に、DDT汚染がラットにおける性特異的CYPの発現パターンを変動させる可能性を示した。さらにメタボローム解析により、DDTの蓄積と血中胆汁酸が関連している可能性を明らかにした。本研究は、これまで報告が少ない野生ラットを用いた分子学的解析を講じ、散布環境におけるDDTの影響解明にアプローチするものであり、ＤＤＴの生態学的影響を理解する、さらなる研究を推進すると期待できる。
次に本論文は実験ラットを用い、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、ならびにマルチオミクス解析を活用した新規の毒性試験法を提案した。最初に、DDTが関与することが知られている核内受容体constitutive androstane receptor（CAR）の強力なアクチベーターであり、さらに肝腫大を引き起こすことが知られているフェノバルビタールをモデル化合物として、毒性試験の開発を行った。さらに、新規手法（マルチオミクス）と従来型の手法（病理組織学的検査、定量的PCR）を組み合わせ、肝腫大の分子学的プロセスを推定する血中バイオマーカーの探索を行った。本研究により、マイクロCTがフェノバルビタール誘導性肝腫大を高い精度で生前に評価できることを確認した。またセラミドなどの血中脂質が、フェノバルビタールが引き起こす生体応答を反映するマーカーとして有益であることを示した。本研究はマイクロCT、マルチオミクス、および従来の毒性試験を組み合わせて、毒性影響とその分子学的プロセスを、動物の生前に評価にする新しい毒性試験に光をあてた。
最後に、三世代のラットを用いたDDTの曝露試験を実施した。本研究では、低濃度のDDTとその代謝物の介餌曝露を実施した。コントロールに比べ、DDT曝露群のラットで、CARによる制御が知られているCyp2b1が有意に誘導された。しかしながら、DDT曝露群の雌ラットで肝臓サイズの増加が見られたものの、病理学的解析からは有意な変化が見られず、今回用いた手法ではDDTの目立った毒性は検出されなかった。またCTを用いた肝臓サイズの生前診断では、DDT曝露群のラットで見られた肝腫大を、CTが十分に検出することはできなかった。これは、病理試験の結果が示唆するように、DDTによる肝臓への影響が、フェノバルビタールを用いた試験と比較し、小さかったことが要因と考えられる。CT法のさらなる手法の改善と、他の化学物質の毒性試験への応用が必要不可欠である。今回用いた解析手法は病理学的試験、CT解析、血中生化学マーカーのみと限定的であり、本成果が哺乳類におけるDDTの全毒性を示しているわけではない。低濃度のDDTが引き起こす生体、生態への影響について、さらなる研究が必要である。
環境におけるDDTの影響を評価するためには、動物実験とフィールド研究との共同が必要不可欠である。本研究はDDT散布地域における、DDTの生物学的、生態学的毒性の可能性を提案し、化学物質の毒性を評価する新しいアプローチを開発した。これらの成果は、DDTの毒性影響を再評価し、そのリスクとベネフィットを比較することで、適切なベクターコントロールの実現を導くと期待できる。 |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第15515号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 獣医学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 坪田 敏男, 教授 池中 良徳, 講師 江口 哲史 （千葉大学）, 教授 石塚 真由美 |
| Degree Affiliation: | 獣医学院(獣医学専攻) |
| (Relation)haspart: | Motohira K, Yohannes YB, Yoshinori Ikenaka Y, Eguchi A, Nakayama SMM, Wepener V, Smit NJ, van Vuren JHJ, Ishizuka M. Investigation of dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) on xenobiotic enzyme disruption and metabolomic bile acid biosynthesis in DDT-sprayed areas using wild rats, J Vet Med Sci. 2023;85(2):236-243. | | Motohira K, Yohannes YB, Ikenaka Y, Ogawa T, Nakayama SMM, Wepener V, Smit NJ, van Vuren JHJ, Ishizuka M. Gene expression profile of sex-linked metabolic enzyme in rats inhabiting dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT)-sprayed areas of South Africa, Jpn J Vet Res. 2022;70(3/4):103-115. |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/91507 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 獣医学院(Graduate School of Veterinary Medicine)
学位論文 (Theses) > 博士 （獣医学）
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