JP7301327B2 - Depression and/or anxiety biomarkers in mice - Google Patents
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- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Description
本発明は,マウスのうつ及び/又は不安症バイオマーカーなどに関する。 The present invention relates to mouse depression and/or anxiety biomarkers and the like.
WHOのニュースによれば,うつ病や不安症は毎年1兆ドルの経済的損失を生んでおり,これらの疾患の予防や治療法開発に投資することにより4倍の経済的リターンが得られるとのことである。さらにWHOの調査によると,世界で2100万人以上が罹患する統合失調症患者は,心疾患・代謝・感染症による死亡率が2~2.5倍高いと示している。また,厚生労働省による2014年の患者調査によると,総患者数に対する神経精神疾患患者数の割合が8%と高く,高脂血症,心疾患,悪性新生物,呼吸器疾患,脳血管疾患を追い抜き,糖尿病に次いで第2位である。以上のことから,うつ,不安症,統合失調症(陰性症状)を対象とした創薬の開発は有用であり,そのために,簡便な創薬のin vivoスクリーニングに利用できる非侵襲性バイオマーカーは必須である。そのような研究開発として,例えば,特許文献1~特許文献3に示すものがある(先行技術文献については,末尾にまとめて示す)。
WHO news reports that depression and anxiety cost the economy $1 trillion each year, and investing in prevention and treatment development for these diseases could yield a fourfold economic return. It's about. In addition, WHO studies show that people with schizophrenia, which affects more than 21 million people worldwide, have a 2-2.5 times higher mortality rate from cardiovascular, metabolic, and infectious diseases. In addition, according to the 2014 patient survey by the Ministry of Health, Labor and Welfare, the ratio of patients with neuropsychiatric disorders to the total number of patients was as high as 8%, and hyperlipidemia, heart disease, malignant neoplasm, respiratory disease, and cerebrovascular disease were reported. It overtakes and ranks second after diabetes. From the above, it is useful to develop drugs for depression, anxiety, and schizophrenia (negative symptoms). Required. Examples of such research and development include those shown in
しかしながら,上記研究開発は,十分なものとは言えず,更なる研究の余地が残されていた。
本発明は,上記した事情に鑑みてなされたものであり,その目的は,マウスのうつ及び/又は不安症バイオマーカー等を提供することである。
However, the research and development described above was not sufficient, leaving room for further research.
The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide depression and/or anxiety biomarkers and the like for mice.
発明者は,野生型マウスとα2,3-シアル酸転移酵素(ST3Gal4)遺伝子欠損マウス(ST3Gal4 KOマウス;不安・うつ障害モデルマウス)の尿中に認められる物質をGC-MSを用いて特定した。マウス尿中には,数十の物質が認められ,これらのうち所定の化合物がバイオマーカーとして利用できることが分かった。
こうして,上記目的を達成するための発明に係るマウスのうつ及び/又は不安症バイオマーカーは,メチルアミン,N,N-ジメチル(Methylamine, N,N-dimethyl-);RI955;RI1101;3-ペンテン-2-ワン(3-penten-2-one);ペンタン酸, 4-メチル, エチルエステル(Pentanoic acid, 4-metyl-, ethyl ester);3-ヘプタノン, 6-メチル(3-Heptanone, 6-methyl-);RI1227;RI1237;スチレン(Styrene);3-ヘプタノン, 5-メチレン(3-Heptanone, 5-methylene-)/5-ヘプテン 3-ワン, 5-メチル(5-Heptene 3-one, 5-methyl);ベンズアルデヒド(Benzaldehyde);β-ファルネセン(beta-Farnesene);α-ファルネセン(alpha-Farnesene);2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol));2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer))及び5,9-ウンデカジエン-2-オール,6,10-ジメチル(5,9-Undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl)からなる群から選択される少なくとも一つの化合物を含むことを特徴とする。
The inventor used GC-MS to identify substances found in the urine of wild-type mice and α2,3-sialyltransferase (ST3Gal4) gene-deficient mice (ST3Gal4 KO mice; model mice for anxiety and depressive disorders). . Dozens of substances were found in mouse urine, and it was found that certain compounds among these could be used as biomarkers.
Thus, the depression and/or anxiety biomarkers in mice according to the invention for achieving the above objects are Methylamine, N,N-dimethyl-; RI955; RI1101; -2-one (3-penten-2-one); Pentanoic acid, 4-methyl-, ethyl ester; 3-Heptanone, 6-methyl (3-Heptanone, 6- RI1227; RI1237; Styrene; 3-Heptanone, 5-methylene-/5-Heptene 3-one, 5-methyl (5-Heptene 3-one, 5 β-Farnesene; α-Farnesene; 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (2 ,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol)); 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 3-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl ,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer)) and 5,9-Undecadien-2-ol,6,10-dimethyl (5,9-Undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl) It is characterized by containing at least one compound selected from the group.
また,本発明者は,本発明とは別に,ヒトの尿中/血中において,うつ及び/又は不安症を評価できる物質として,テキサノール及びテキサノール異性体を得た。これら2種類の物質は,マウスの尿または血液においても特定されている。つまり,哺乳動物であるヒト及びマウスについて,同一の血液中または尿中物質がストレスに対応することがわかった。このため,上記テキサノール及びテキサノール異性体については,うつ及び/又は不安症に関連する物質として,多くの哺乳動物で保存されている可能性が非常に高い。
こうして,別の発明に係る哺乳動物のうつ及び/又は不安症バイオマーカーは,2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol))及び2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer))からなる群から選択される少なくとも一つの化合物を含むことを特徴とする。このとき,哺乳動物は,ヒト,サル,ゴリラ,オランウータン,チンパンジー,ウマ,サイ,バク,カバ,ラクダ,キリン,ウシ,ブタ,ヤギ,ヒツジ,サル,カモシカ,イノシシ,クマ,イヌ,ネコ,ウサギ,モルモット,ラット,マウス,リス,カピバラ,ナマケモノ,アリクイ,アルマジロ,コウモリ,オオカミ,クマ,パンダ,カワウソ,ラッコ,マングース,ハイエナ,ピューマ,ライオン,トラ,ジャガー,ヒョウ,チーター,カンガルー,コアラ,アシカ,アザラシ,ゾウ,クジラ,シャチ,イルカ,ジュゴンなどが含まれる。
この構成によれば,哺乳動物の検体中の所定の物質の増減を調べることにより,その哺乳動物の精神疾患の状態がわかるので,創薬スクリーニングにも応用できる。
In addition to the present invention, the present inventor obtained texanol and texanol isomers as substances capable of evaluating depression and/or anxiety in human urine/blood. These two substances have also been identified in mouse urine or blood. In other words, it was found that the same substances in the blood or urine of mammals, humans and mice, respond to stress. Therefore, it is very likely that the above texanol and texanol isomers are conserved in many mammals as substances associated with depression and/or anxiety.
Thus, another inventive mammalian depression and/or anxiety biomarker is 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol)) and 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 3-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer)). At this time, mammals include humans, monkeys, gorillas, orangutans, chimpanzees, horses, rhinos, tapirs, hippos, camels, giraffes, cows, pigs, goats, sheep, monkeys, serows, wild boars, bears, dogs, cats, and rabbits. , guinea pig, rat, mouse, squirrel, capybara, sloth, anteater, armadillo, bat, wolf, bear, panda, otter, sea otter, mongoose, hyena, puma, lion, tiger, jaguar, leopard, cheetah, kangaroo, koala, sea lion , seals, elephants, whales, killer whales, dolphins and dugongs.
According to this configuration, by examining the increase or decrease of a predetermined substance in the specimen of a mammal, the state of the mammal's psychiatric disorder can be determined, so that it can also be applied to drug discovery screening.
また,別の発明に係るマウスのうつ及び/または不安症の検査方法は,(1)マウス由来の尿または血液を検体として採取するステップ,(2)前記検体から,メチルアミン,N,N-ジメチル(Methylamine, N,N-dimethyl-);RI955;RI1101;3-ペンテン-2-ワン(3-penten-2-one);ペンタン酸, 4-メチル, エチルエステル(Pentanoic acid, 4-metyl-, ethyl ester);3-ヘプタノン, 6-メチル(3-Heptanone, 6-methyl-);RI1227;RI1237;スチレン(Styrene);3-ヘプタノン, 5-メチレン(3-Heptanone, 5-methylene-)/5-ヘプテン 3-ワン, 5-メチル(5-Heptene 3-one, 5-methyl);ベンズアルデヒド(Benzaldehyde);β-ファルネセン(beta-Farnesene);α-ファルネセン(alpha-Farnesene);2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol));2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer))及び5,9-ウンデカジエン-2-オール,6,10-ジメチル(5,9-Undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl)からなる群から選択される少なくとも一つの物質を前記検体中から検出するステップを備える。 In addition, a method for testing depression and/or anxiety in mice according to another invention comprises the steps of: (1) collecting mouse-derived urine or blood as a sample; RI955; RI1101; 3-penten-2-one; Pentanoic acid, 4-methyl, ethyl ester (Pentanoic acid, 4-methyl- RI1227; RI1237; Styrene; 3-Heptanone, 5-methylene (3-Heptanone, 5-methylene-) / 5-Heptene 3-one, 5-methyl; Benzaldehyde; beta-Farnesene; α-Farnesene; 2,2, 4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol)); 2,2,4-trimethyl-1, 3-pentanediol 3-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer)) and 5,9-undecadien-2-ol,6,10-dimethyl A step of detecting at least one substance selected from the group consisting of (5,9-Undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl) from the sample.
また,別の発明に係る哺乳動物のうつ及び/または不安症の検査方法は,(1)哺乳動物由来の尿または血液を検体として採取するステップ,(2)前記検体から,2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol))及び2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer))からなる群から選択される少なくとも一つの物質を前記検体中から検出するステップを備える。
このとき,哺乳動物は,ヒト,サル,ゴリラ,オランウータン,チンパンジー,ウマ,サイ,バク,カバ,ラクダ,キリン,ウシ,ブタ,ヤギ,ヒツジ,サル,カモシカ,イノシシ,クマ,イヌ,ネコ,ウサギ,モルモット,ラット,マウス,リス,カピバラ,ナマケモノ,アリクイ,アルマジロ,コウモリ,オオカミ,クマ,パンダ,カワウソ,ラッコ,マングース,ハイエナ,ピューマ,ライオン,トラ,ジャガー,ヒョウ,チーター,カンガルー,コアラ,アシカ,アザラシ,ゾウ,クジラ,シャチ,イルカ,ジュゴンなどが含まれる。
この構成によれば,哺乳動物の検体中の所定の物質の増減を調べることにより,その哺乳動物の精神疾患の状態がわかるので,創薬スクリーニングにも応用できる。
In addition, a method for testing mammalian depression and/or anxiety according to another invention comprises the steps of: (1) collecting urine or blood derived from a mammal as a sample; -trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl, 1,3-pentandiol, 1-monoisobutylate (texanol)) and 2,2,4-trimethyl-1,3 Detecting at least one substance selected from the group consisting of -pentanediol/3-monoisobutyrate (2,2,4-trimethyl,1,3-pentandiol, 3-monoisobutylate (texanol isomer)) from the sample. the step of
At this time, mammals include humans, monkeys, gorillas, orangutans, chimpanzees, horses, rhinos, tapirs, hippos, camels, giraffes, cows, pigs, goats, sheep, monkeys, serows, wild boars, bears, dogs, cats, and rabbits. , guinea pig, rat, mouse, squirrel, capybara, sloth, anteater, armadillo, bat, wolf, bear, panda, otter, sea otter, mongoose, hyena, puma, lion, tiger, jaguar, leopard, cheetah, kangaroo, koala, sea lion , seals, elephants, whales, killer whales, dolphins and dugongs.
According to this configuration, by examining the increase or decrease of a predetermined substance in the specimen of a mammal, the state of the mammal's psychiatric disorder can be determined, so that it can also be applied to drug discovery screening.
本発明によれば,マウス・哺乳動物のうつ,不安症の状態を知るためのバイオマーカーを提供できる。当該モデルマウスが,ヒト疾患と連動していることから,本発明のバイオマーカーは,ヒトのバイオマーカーとしても使用し得る。また,このバイオマーカーは,精神疾患一般だけでなく,高齢者フレイル移行期の状態を検討できるものとしても使用できる。更に,このバイオマーカーの増減によって,精神疾患の状態がわかるので,創薬スクリーニングにも応用できる。
また,近年の厚生労働省の指針によれば,「室内空気汚染に係るガイドライン」において,TexanolとTXIBが新たにシックハウス原因物質として指定される予定となっていた(http://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-11121000-Iyakushokuhinkyoku-Soumuka/0000166137.pdf)。また,ラット体内でTXIBからTexanolがエステラーゼの作用により分解することが報告されている(Astill et al, 1972; Nielsen et al., 1997)。さらに,TexanolとTXIBが持つisobutylateは,butylateと同様に結腸細胞において代謝されるが,エネルギーとアナプレロティック反応のための炭素源に使われると考えられている (Jaskiewicz et al., 1996; Bourassa et al., 2016)。これらの物質のうちTexanolが,本願発明において,哺乳動物のうつ及び/または不安症のバイオマーカーに含まれていたことから,本願発明によれば,シックハウス症候群の可否について,早期に評価可能なモデル動物や,試験方法を提供できる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide biomarkers for knowing the state of depression and anxiety in mice and mammals. Since the mouse model is associated with human diseases, the biomarkers of the present invention can also be used as human biomarkers. In addition, this biomarker can be used not only for psychiatric disorders in general, but also for examining the state of transition to frailty in the elderly. Furthermore, since the state of psychiatric disorders can be determined from the increase or decrease of this biomarker, it can be applied to drug discovery screening.
In addition, according to the guidelines of the Ministry of Health, Labor and Welfare in recent years, Texanol and TXIB were scheduled to be newly designated as substances that cause sick house syndrome in the "Guidelines for Indoor Air Pollution" (http://www.mhlw.go). jp/file/05-Shingikai-11121000-Iyakushokuhinkyoku-Soumuka/0000166137.pdf). It has also been reported that Texanol is degraded from TXIB by the action of esterase in rats (Astill et al., 1972; Nielsen et al., 1997). Furthermore, isobutylate in Texanol and TXIB, like butylate, is metabolized in colonocytes and is thought to be used as a carbon source for energy and anaplerotic reactions (Jaskiewicz et al., 1996; Bourassa et al., 1996; et al., 2016). Among these substances, Texanol was included in the biomarkers of depression and/or anxiety in mammals in the present invention. We can provide animals and test methods.
次に,本発明の実施形態について,図表を参照しつつ説明するが,本発明の技術的範囲は,これらの実施形態によって限定されるものではなく,発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. can be implemented in
<試験方法>
1.実験動物
全ての動物は,「動物実験の適正行動指針」(日本学術会議,2006年)に従って処理した。実験プロトコールは,京都産業大学の動物実験倫理委員会によって承認された(承認番号2017-08)。
ST3Gal IV 遺伝子欠損マウス(C57BL/6-ST3Gal4<tm1.1Bsi>, RBRC02286)は,既報に従って作製したものを用いた(非特許文献1:Srimontri et al., 2014)。実験には,13代~20代に渡って継代飼育されたC57BL/6Jマウスを用いた。マウスは,22℃~24℃の温度で12時間毎に昼と夜を繰り返す施設にて飼育した。飼料(AIN93G及びMF:オリエンタル・イースト株式会社製)及び水は自由摂取とした。オープントップ式のプラスチックケージ(幅225mm,長さ338mm,高さ140mm)を用いて,4匹のマウスを飼育した。ケージ上面をステンレス製ワイヤグリッド蓋にて覆った。ケージ床は,おがくず(ピュアチップ:清水実験材料株式会社製)とペーパーチップ(エコーチップ:日本クレア株式会社製)で覆い,週に2回取り替えた。
<Test method>
1. Experimental animals All animals were treated in accordance with the "Guidelines for Appropriate Animal Experimentation" (Science Council of Japan, 2006). The experimental protocol was approved by the Animal Experiment Ethics Committee of Kyoto Sangyo University (approval number 2017-08).
The ST3Gal IV gene-deficient mouse (C57BL/6-ST3Gal4<tm1.1Bsi>, RBRC02286) was prepared according to a previous report (Non-Patent Document 1: Srimontri et al., 2014). For the experiments, we used C57BL/6J mice subcultured from 13 to 20 generations. Mice were housed in a 12-hour day/night facility at a temperature of 22°C to 24°C. Feed (AIN93G and MF: manufactured by Oriental Yeast Co., Ltd.) and water were allowed ad libitum. Four mice were housed in open-top plastic cages (width 225 mm, length 338 mm, height 140 mm). The upper surface of the cage was covered with a stainless steel wire grid lid. The floor of the cage was covered with sawdust (Pure Chip, manufactured by Shimizu Jikken Seizai Co., Ltd.) and paper chips (Echo Chip, manufactured by Clea Japan, Inc.), which were replaced twice a week.
2.試薬類
標品として,次のものを用いた。メチルアミン, N,N-ジメチル(純度25%エタノール溶液,カタログ番号T2892(東京化成工業株式会社)),3-ペンテン, 2-one(純度70%,カタログ番号145017(シグマ)),ペンタン酸, 4-メチル, エチルエステル(純度97%以上,カタログ番号58730(シグマ)),スチレン(純度99%以上,カタログ番号S0095(東京化成工業株式会社)),3-ヘプテン-2-one(純度95%以上,カタログ番号H0838(東京化成工業株式会社)),ベンズアルデヒド(純度99.9%,カタログ番号B1334(シグマ)),2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(テキサノール(texanol):カタログ番号40366(アルファ・アエサル)),2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・イソブチレート(TXIB:純度98.5%以上,カタログ番号41601(シグマ)),n-アルカン混合溶液(C9-C40: 50 μg/mL; C10, 20, 30 and 40: 100 μg/mL)は,ジーエルサイエンス社から購入した(catalog No. 1021-58321)。β-ファルネセンは,日本テルペン化学株式会社より提供を受けた。
2. Reagents The following reagents were used as standards. Methylamine, N,N-dimethyl (25% pure ethanol solution, catalog number T2892 (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)), 3-pentene, 2-one (70% purity, catalog number 145017 (Sigma)), pentanoic acid, 4-methyl, ethyl ester (purity of 97% or higher, catalog number 58730 (Sigma)), styrene (purity of 99% or higher, catalog number S0095 (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)), 3-heptene-2-one (purity of 95%) Catalog number H0838 (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)), benzaldehyde (purity 99.9%, catalog number B1334 (Sigma)), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate ( Texanol: Catalog No. 40366 (Alpha Aesal)), 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol isobutyrate (TXIB: >98.5% purity, Catalog No. 41601 (Sigma)), n-alkanes Mixed solutions (C9-C40: 50 µg/mL; C10, 20, 30 and 40: 100 µg/mL) were purchased from GL Sciences (catalog No. 1021-58321). β-farnesene was provided by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd.
3.尿の採取
尿は,ST3Gal4ノックアウト(KO)マウス及び野生型(WT)の雄性同腹マウスから採取した。採取した尿は,液体窒素を用いて新鮮な状態で冷凍し,使用するまで-80℃にて保存した。一匹のマウスから同日に採取した尿は,一つのチューブに回収した後,1.5mLガラスバイヤル中に200μLずつ小分けし,解析した。尿中クレアチニン濃度は,ヤッフェ法(Jaffe法:非特許文献2,Bonsnes and Taussky, 1945)に基づくラボ・アッセイ・クレアチニン・比色定量キット(和光純薬工業株式会社)により測定した。
3. Urine Collection Urine was collected from ST3Gal4 knockout (KO) and wild-type (WT) male littermates. The collected urine was freshly frozen using liquid nitrogen and stored at -80°C until use. Urine collected from one mouse on the same day was collected in one tube, divided into 200 µL aliquots in 1.5 mL glass vials, and analyzed. The urinary creatinine concentration was measured using a lab assay creatinine colorimetric determination kit (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) based on the Jaffe method (Jaffe method: Bonsnes and Taussky, 1945).
4.固相マイクロ抽出によるVOCの抽出
尿中VOCは,ヘッドスペース固相マイクロ抽出(SPME)繊維を用いて抽出した。VOCの分子量を幅広く確保するために,SMPE線維として,2cm 50/30μM DVB/CAR/PDMS(ジビニルベンゼン/カルボキセン/ポリジメチルシロキサン。米国スペルコ社製)を用いた。SPME線維を250℃で30分間前処理し,VOCを採取するために,45℃で1分間平衡化した。ヘッドスペース中のVOCを尿を含むバイアルのヘッドスペースに挿入したSPME繊維により45℃で60分間抽出した。
4. Extraction of VOCs by Solid Phase Microextraction Urinary VOCs were extracted using headspace solid phase microextraction (SPME) fibers. 2
5.ガスクロマトグラフィ及びマススペクトロメトリ(GC-MS)
VOCをガスクロマトグラフィ・四重極マススペクトロメトリ(TQ-8040(島津社製))によって解析した。VOCを含むSPME線維をGCの注入口に挿入し,240℃にて3分間脱着させた。注入は,スプリットレス注入法にて3分間パルスによって行った。GC-MS装置には,ProGuard及びT.L.カラムを付属したInertCap Pure-WAX(60m + 10m pro-guard ラインと2m トランスファーライン,内径0.25mm, フィルム厚さ0.5μm(ジーエルサイエンス社製))を用いた。質量分析装置の前に用いたクロマトグラフィ分析条件は,次の通りであった。40℃にて10分間保持し,1分間あたり5℃の昇温条件で240℃まで熱を掛けた後,240℃にて10分間保持した。インジェクター温度は250℃とした。ヘリウムをキャリアガスとして使用し,カラム流速はインジェクションから0分~3分まで2mL/分,3分~60分まで1mL/分の一定とした。
5. Gas Chromatography and Mass Spectrometry (GC-MS)
VOCs were analyzed by gas chromatography/quadrupole mass spectrometry (TQ-8040 (manufactured by Shimadzu Corporation)). SPME fibers containing VOCs were inserted into the injection port of GC and desorbed at 240°C for 3 minutes. The injection was performed by a 3-minute pulse using the splitless injection method. InertCap Pure-WAX (60m + 10m pro-guard line and 2m transfer line, inner diameter 0.25mm, film thickness 0.5μm (GL Sciences)) equipped with ProGuard and TL column was used as the GC-MS instrument. . The chromatographic analysis conditions used prior to the mass spectrometer were as follows. It was held at 40°C for 10 minutes, heated to 240°C at a temperature increase of 5°C per minute, and then held at 240°C for 10 minutes. The injector temperature was 250°C. Helium was used as the carrier gas, and the column flow rate was constant at 2 mL/min from 0 to 3 minutes after injection and 1 mL/min from 3 to 60 minutes.
質量分析装置の処理パラメータは,<試験1>では次の通りであった。イオン源温度200℃,イオン化エネルギー70eV,スキャン頻度は35m/z~300m/zまでを1回あたり0.3秒,カラム長を30mとした。<試験2>では,スキャン頻度を1回あたり0.2秒,カラム長を65mとした以外は,<試験1>のパラメータと同じとした(図1)。10週齢~15週齢のマウス尿中VOCピークの解析は,QP-2010プラス(島津製作所)を用いて,ヘリウムガスの流速を20cm/sとした以外は,<試験2>の方法に従った。VOCピークの特定は,VOCの標品の保持時間との比較,及びNIST14標準参照データベース(NIST/EPA/NIHマス・スペクトル・ライブラリ(Wiley10))を用いたマッチング可能性によって行った。
The processing parameters of the mass spectrometer were as follows in <
極性カラム(InertCap Pure-WAX)及び非極性カラム(DB-1)の保持時間インデックス(RI)を求めるために,VOCの保持時間をn-アルカン標準品をGC-MSシステム(島津製作所)を用いて比較した。VOCを含むSPME線維をGCの注入口に挿入し,240℃にて10分間脱着させた。注入は,スプリットレス注入法にて3分間パルスによって行った。揮発成分を分離するため,DB-1カラム(30mライン,内径0.25mm,フィルム厚さ0.25μm(アジレント社製),ProGuard及びTLカラムを付属したInertCap Pure-WAX(60m + 10m pro-guard ラインと2m トランスファーライン,内径0.25mm, フィルム厚さ0.5μm(ジーエルサイエンス社製))を用いた。ガスクロマトグラムの昇温プログラムは,次の通りであった。40℃にて10分間保持し,1分間あたり5℃の昇温条件で240℃まで熱を掛けた後,10分間保持した。インジェクター温度は240℃とした。ヘリウムをキャリアガスとして使用した。カラム流速は,DB-1については50cm/秒,InterCap Pure-WAXについては20cm/秒とした。質量分析装置の解析パラメータは次の通りであった。イオン源温度200℃,インターフェイス温度240℃,イオン化エネルギー70eV,スキャン頻度は35m/z~300m/zまでを1回あたり0.2秒とした。
In order to determine the retention time index (RI) of a polar column (InertCap Pure-WAX) and a non-polar column (DB-1), the retention time of VOCs was measured using a GC-MS system (Shimadzu Corporation) for n-alkane standards. compared. SPME fibers containing VOCs were inserted into the injection port of GC and desorbed at 240°C for 10 minutes. The injection was performed by a 3-minute pulse using the splitless injection method. In order to separate volatile components, a DB-1 column (30 m line, 0.25 mm inner diameter, 0.25 μm film thickness (manufactured by Agilent), InertCap Pure-WAX (60 m + 10 m pro-guard line and 60 m + 10 m pro-guard line) with ProGuard and TL columns was used. A 2 m transfer line, inner diameter 0.25 mm, film thickness 0.5 μm (manufactured by GL Sciences Inc.) was used.The heating program for the gas chromatogram was as follows: Hold at 40° C. for 10 minutes, then 1 minute. After heating to 240°C at a rate of 5°C per hour, the temperature was maintained for 10 minutes, the injector temperature was 240°C, helium was used as the carrier gas, and the column flow rate was 50 cm/s for DB-1. , InterCap Pure-WAX was set to 20 cm/sec.Analysis parameters of the mass spectrometer were as follows:
6.データ解析及び統計解析
クロマトグラフのピーク面積をGCMSsolution ver.4.45ソフトウエア(島津製作所製)を用いて求めた。電子イオン化によって得られたイオンピークの検出と計算は,Rソフトウエアver3.2.3(http://cran.r-project.org/)とXCMSソフトウエア・パッケージver1.3.2(http://masspec.scripps.edu)によって行った。ピークのうち各ピークのTIC(全イオン電流)を手動で特定し,検出されたピークを確認した。VOCの精密計測は,各種のイオンピーク(m/z)の保持時間およびピーク形状に基づいて,手作業による積分計算によって行った。
まず,20週齢~35週齢のものについて,ST3Gal4 KOマウスと同腹仔の野生型マウスの尿中VOCの相違を調べた。マウス尿中のVOCをガスクロマトグラフィで3回,測定した。ST3Gal4 KOマウスの尿中VOC(試験1,試験2共にn=3)と,同腹仔野生型マウスの尿中VOC(試験1,試験2共にn=3)をイオンピークの相違を調べるために,XCMSによって調べた(表1)。
6. Data Analysis and Statistical Analysis Chromatographic peak areas were determined using GCMSsolution ver.4.45 software (manufactured by Shimadzu Corporation). Detection and calculation of ion peaks obtained by electron ionization were performed using R software ver3.2.3 (http://cran.r-project.org/) and XCMS software package ver1.3.2 (http://masspec. scripps.edu). The TIC (total ion current) of each peak was manually identified and the peaks detected were confirmed. Precise measurement of VOCs was performed by manual integration calculations based on retention times and peak shapes of various ion peaks (m/z).
First, we examined differences in urinary VOCs between ST3Gal4 KO mice and their littermate wild-type mice at 20 to 35 weeks of age. VOCs in mouse urine were measured three times by gas chromatography. To examine the differences in the ion peaks of urinary VOCs from ST3Gal4 KO mice (n = 3 in both
次に,イオンピーク面積をGCMSsolutionソフトウエアを用いて計算した。各データセットをまとめて評価するため,ノックアウトマウスと同腹仔野生型マウス(各ペアについてn=6;20週齢~35週齢)の絶対イオンピーク面積の平均値を求め,平均ピーク面積の相対強度を計算した。これに対し,オートサンプラーを備えたGC-MSシステム(島津製作所製)を用いてVOCを求める際に,全ての尿中VOCを求めた後,ノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスの尿中VOCのイオンピークの絶対値面積を比較した(表2)。 Ion peak areas were then calculated using the GCMSsolution software. To evaluate each data set together, the absolute ion peak areas of knockout and littermate wild-type mice (n=6 for each pair; 20–35 weeks of age) were averaged and the relative mean peak areas were calculated. strength was calculated. In contrast, when determining VOCs using a GC-MS system (manufactured by Shimadzu Corporation) equipped with an autosampler, after determining all urinary VOCs, the urinary VOCs of knockout mice and littermate wild-type mice were The absolute areas of the ion peaks were compared (Table 2).
エクセルとKyPlot 5.0(カイエンス社製)を用いて,多変量解析を実施し,6対のノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスから得られた15個のVOCの相対値から,主成分分析(PCA)スコアプロットを得た。次いで,Graph-R ver.1.24.3(Tohru Itoh)を用いて三次元図面を得た。PCAによって抽出したグループに属するVOCの分類は,エクセルとKyPlot 5.0(カイエンス社製)を用いた階層クラスタ解析によって,VOCの絶対値(面積)を求めた。次に,VOCと驚愕反射が相関するかどうかを評価するために,エクセルとKyPlot 5.0(カイエンス社製)(Srimontri et al,2014)を用いて多項式回帰曲線を求めた。
次いで,雌マウスとペアリングする前後の雄マウスから採取した尿中のVOCをGCMSによって求めたイオンピーク面積を求め,m/zの絶対値を計算した(図3)。ピーク面積を求めるために,一匹のマウスあたりクロマトグラフィを一回使用した。ピーク面積の差の相違は,エクセルとPrism6を用いて,マン・ホイットニーU検定(表2)及びクラスカル・ウォリス検定によって解析した。結果を図3に示した。
VOCの同定は,マニュアルによる解釈を加えた質量スペクトルライブラリ(NIST14及びWiley10)との比較,及び市販の標準試料との比較によって行った。市販されていないVOCについては,質量スペクトルライブラリとの比較によって同定した。
Multivariate analysis was performed using Excel and Kyence 5.0, and principal component analysis (PCA) was performed from the relative values of 15 VOCs obtained from 6 pairs of knockout mice and littermate wild type mice. A score plot was obtained. Then, a three-dimensional drawing was obtained using Graph-R ver.1.24.3 (Tohru Itoh). For the classification of VOCs belonging to the groups extracted by PCA, the absolute value (area) of VOCs was determined by hierarchical cluster analysis using Excel and KyPlot 5.0 (manufactured by Kaiens). Next, to assess whether VOCs and the startle reflex are correlated, polynomial regression curves were obtained using Excel and Kyens 5.0 (Srimontri et al., 2014).
Next, the ion peak area was determined by GCMS for VOCs in urine collected from male mice before and after pairing with female mice, and the absolute value of m/z was calculated (Fig. 3). Chromatography was used once per mouse to determine peak areas. Differences in peak areas were analyzed by Mann-Whitney U test (Table 2) and Kruskal-Wallis test using Excel and Prism6. The results are shown in FIG.
VOC identification was performed by comparison with mass spectral libraries (NIST14 and Wiley10) with manual interpretation and comparison with commercially available standards. VOCs not commercially available were identified by comparison with mass spectral libraries.
7.驚愕反射試験
マウスに対する驚愕反射測定装置(O'hara&Co社製)を用いて,感覚刺激応答を観察するために,マウスによる音響驚愕反応(ASR)を調べた(非特許文献3:Buccafusco et al,2009)。マウスをアクリルチャンバー内に導入し,チャンバーを検査ユニットに置き,チャンバーと検査ユニットの両方をクランプで固定した。5分間の順応期間およびテスト期間の間に,連続する70dBのバックグラウンドノイズ(ホワイトノイズ)をスピーカーから流した。マウスに対し,500msecあたりに20msecの雑音パルス(120dB)を10回暴露した。マウスの全身驚愕反応によって引き起こされた振動を加速度センサによって数値的に表示した。数値信号を増幅して電圧に変換し,波の形状として表示した。波のピークからピークまでの値(peak to peak:p-p値)を驚愕反応の強さとして採用した。
7. Startle reflex test Acoustic startle response (ASR) by mice was examined in order to observe sensory stimulus responses using a startle reflex measurement device for mice (manufactured by O'hara & Co) (Non-Patent Document 3: Buccafusco et al., 2009). A mouse was introduced into the acrylic chamber, the chamber was placed on the test unit, and both the chamber and the test unit were clamped. A continuous 70 dB background noise (white noise) was played from the loudspeaker during the 5 min acclimation and test periods. Mice were exposed to ten 20 msec noise pulses (120 dB) every 500 msec. The vibrations induced by the whole-body startle response of mice were displayed numerically by an accelerometer. The numerical signal was amplified, converted to voltage, and displayed as a wave shape. The peak-to-peak value (pp value) of the waves was taken as the strength of the startle response.
8.野外試験
雌に会わせるための野外試験は,10~16週齢のST3Gal4ノックアウトマウス及び同腹仔野生型の雄マウスを用いて実施した。雄マウスは,試験開始の少なくとも30分前に,別の待機室で単独で置いた。行動試験は,マウス遺伝子型を知らされない実験者によって,8時~13時の間に実施された。野外試験は,野外床の上面に天井高125cmを有する四角形のアリーナ(幅490mm,長さ490mm,高さ195mm)にマウスを置くことによって行った。オープンフィールドと待機室を照らす蛍光灯の強度は17ルクスに設定した。
野外試験の直前に,ddY雌マウス(8~12週齢)に膣スメア試験を実施した。塗抹標本をギムザ溶液(和光純薬工業株式会社)で染色し,明視野顕微鏡で検査した。発情周期の段階は,既報に従って決定した(Allen,1922)。
先ず,雄マウスをオープンフィールドに置き,1分後に,発情前期の雌マウスを30分間オープンフィールドに入れた。その後,両マウスをケージに戻した。フィールド床の上470mmに配置したカメラを用い,TimeOFCR4(O'hara&Co社製)によってデータを収集した。行動試験はマウスの遺伝子型を知らされない実験者によって行った。記録開始から10分間の間,雄の鼻から雌の鼻,雄の鼻から雌の膣周辺,及び雄の前肢から雌の体までの1秒あたりの雄のアクセス数をカウントした。
8. Field Trials Field trials to meet females were performed using 10-16 week old ST3Gal4 knockout mice and littermate wild-type male mice. Male mice were placed alone in a separate waiting room at least 30 minutes before the start of the test. Behavioral testing was performed between 08:00 and 13:00 by an experimenter blinded to the mouse genotype. Field trials were performed by placing mice in a square arena (490 mm wide, 490 mm long, and 195 mm high) with a ceiling height of 125 cm above the field floor. The intensity of the fluorescent lights illuminating the open field and waiting room was set at 17 lux.
Vaginal smear tests were performed on ddY female mice (8-12 weeks old) immediately prior to field testing. The smears were stained with Giemsa solution (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and examined with a bright field microscope. The stages of the estrus cycle were determined according to previous reports (Allen, 1922).
First, a male mouse was placed in an open field, and after 1 minute, a proestrus female mouse was placed in the open field for 30 minutes. Both mice were then returned to their cages. Data were collected by TimeOFCR4 (manufactured by O'hara & Co) using a camera placed 470 mm above the field floor. Behavioral testing was performed by an experimenter blinded to the genotype of the mice. During the first 10 minutes of recording, the number of male accesses per second from the male's nose to the female's nose, from the male's nose to the female's vaginal circumference, and from the male's forelimbs to the female's body was counted.
9.C57Bl/6Jマウスを用いたテキサノール(texanol)とTXIBに関する試験
高齢者うつの尿中バイオマーカーを探索した結果,5種の既知VOCsがその候補であることが分かった。この5種のうち1種が,Texanolであった。一方,本発明者は,てんかん発症原因酵素であるalpha2,3-sialyltransferase(St3gal4)を欠損させた遺伝子欠損マウス(St3gal4-KOマウス)が,うつ,不安症を示すことを発表した(Srimontri et al., 2014)。このうつ,不安症を示すSt3gal4-KOマウスは,加齢に伴いtexanol isomerの尿中排泄量が亢進した(Fujita et al., 2018a)。TexanolはTXIBと共に,シックハウス原因物質になる可能性が取り上げられていた(http://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-11121000-Iyakushokuhinkyoku-Soumuka/0000166137.pdf)。TXIBはisobutyl基を2つ持つ一方でTexanolはisobutyl基を一つ持ち,ラット体内でTXIBからTexanolがエステラーゼの作用により分解することが報告されている(Astill et al, 1972; Nielsen et al., 1997)。また,isobutylateは,butylateと同様に結腸細胞において代謝されるが,エネルギーとアナプレロティック反応のための炭素源に使われると考えられている (Jaskiewicz et al., 1996; Bourassa et al., 2016)。一方で,食品のパッケージ等(Kemf et al, 2009)の環境から体内に入ったTexanolとTXIBについては,酸化や抱合型となり尿中に排泄されると予想されている(Nielsen et al, 1997)。
9. A Study of Texanol and TXIB in C57Bl/6J Mice A search for urinary biomarkers of depression in the elderly identified five known VOCs as candidates. One of these five was Texanol. On the other hand, the present inventors reported that gene-deficient mice (St3gal4-KO mice) lacking alpha2,3-sialyltransferase (St3gal4), an enzyme that causes epilepsy, exhibit depression and anxiety (Srimontri et al. ., 2014). St3gal4-KO mice exhibiting depression and anxiety exhibited increased urinary excretion of texanol isomers with age (Fujita et al., 2018a). Along with TXIB, Texanol has been discussed as a possible cause of sick house syndrome (http://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-11121000-Iyakushokuhinkyoku-Soumuka/0000166137.pdf). TXIB has two isobutyl groups, while Texanol has one isobutyl group. It has been reported that Texanol is degraded from TXIB by the action of esterase in the rat body (Astill et al., 1972; Nielsen et al., 1997). In addition, isobutylate, like butylate, is metabolized in colon cells and is thought to be used as a carbon source for energy and anaplerotic reactions (Jaskiewicz et al., 1996; Bourassa et al., 2016). ). On the other hand, Texanol and TXIB that enter the body from the environment such as food packages (Kemf et al, 2009) are expected to be oxidized or conjugated and excreted in the urine (Nielsen et al, 1997). .
TexanolとTXIBは,室内の溶剤としてこれまで最も安全であると考えられてきた(Weschler, 2009)。しかし近年,日本では,シックハウス原因物質に指定される可能性が出てきた (厚生労働省,2017; Ghaffarianhoseini et al., 2018)。シックハウス症候群は,特に神経精神症状を伴うことが知られている(Kinman et al., 2011; Runeson-Broberg et al., 2013; Miyajima et al., 2015)。一方で,Texanolは,粘膜への影響があげられている(Ghaffarianhoseini et al., 2018)。しかしながらこれまで,TexanolやTXIBと神経精神症状との関連性をみた知見はない。
そこで,尿中のバイオマーカーとして検出されたTexanolとTXIBが実際にSt3gal4-KOマウスと同様の症状を誘導する可能性を検討した。
Texanol and TXIB have traditionally been considered the safest indoor solvents (Weschler, 2009). However, in recent years, there is a possibility that it may be designated as a causative agent of sick house syndrome in Japan (Ministry of Health, Labor and Welfare, 2017; Ghaffarianhoseini et al., 2018). Sick building syndrome is known to be accompanied by neuropsychiatric symptoms (Kinman et al., 2011; Runeson-Broberg et al., 2013; Miyajima et al., 2015). On the other hand, Texanol has been reported to affect mucous membranes (Ghaffarianhoseini et al., 2018). However, to date, there is no evidence of a relationship between Texanol or TXIB and neuropsychiatric symptoms.
Therefore, we investigated the possibility that Texanol and TXIB, which were detected as urinary biomarkers, actually induce symptoms similar to those in St3gal4-KO mice.
4匹の同腹仔マウス(8週齢,オス,C57Bl/6J系:日本クレア株式会社製)をオープントップ式のプラスチックケージ(幅225mm×長さ338mm,高さ140mm)を用い,輸送のストレスから回復するために1週間以上に渡って飼育した。全ての動物は,「動物実験の適正な実施に向けたガイドライン」(日本学術会議,2006年)に従って処理した。実験プロトコールは,京都産業大学の動物実験倫理委員会によって承認された(承認番号2017-08, 2018-07)。マウスは,22℃~24℃の温度で12時間毎に昼と夜を繰り返す施設(点灯は午前8:00)にて飼育した。飼料と水は自由摂取とした。
個別換気システムから切り離されて,HEPAにより環境から隔離されたラットケージ(容量11.1L,幅234mm×長さ360mm,高さ148mm(クレアジャパン製))を使用した。各ケージには2匹の同腹雄マウスを飼育し,マウスが揮発性有機化合物(VOCs)を吸入できるようにした。ケージを開け,VOCの有無に係わらずに,床下のペーパーチップ(φ5mm,クレアジャパン製.)を12時間の昼の間には4時間毎に3回の交換を,12時間の夜の間には1度(20:00時に)だけ交換した。
Four littermate mice (8-week-old, male, C57Bl/6J strain: CLEA Japan, Inc.) were placed in open-top plastic cages (width 225 mm, length 338 mm, height 140 mm) to prevent transportation stress. They were kept for more than a week for recovery. All animals were treated according to "Guidelines for Proper Animal Experimentation" (Science Council of Japan, 2006). The experimental protocol was approved by the Animal Experiment Ethics Committee of Kyoto Sangyo University (approval number 2017-08, 2018-07). Mice were housed in a 12-hour day/night facility (lights on at 8:00 am) at a temperature of 22°C to 24°C. Feed and water were given ad libitum.
A rat cage (capacity: 11.1 L, width: 234 mm, length: 360 mm, height: 148 mm (Clea Japan)) separated from the individual ventilation system and isolated from the environment by HEPA was used. Each cage housed two littermate male mice to allow them to inhale volatile organic compounds (VOCs). The cage was opened, and regardless of the presence or absence of VOCs, paper chips (φ5 mm, made by Clair Japan) under the floor were changed three times every 4 hours during the daytime for 12 hours, and changed 3 times during the night for 12 hours. was exchanged only once (at 20:00).
TXIBの重大な影響は,動物を用いた反復経口曝露後の効果によって決定された。具体的には,TXIBの無毒性有害影響レベル(NOAEL)および無毒性レベル(NOEL)は,それぞれ50mg/kg/日(Nielsen et al.,1997)および30mg/kg/日(OECD,2005,CAS,N°:6846-50-0)である。この値は,ラットの腎重量の減少および血液パラメータの変化に起因している。NOAELとNOELの値に基づき,TXIBの暫定吸入限界は70kgの男性の場合に1mg/m3とされている(Nielsen et al.,1997)。これよりも少し高い値として2.5mg/m3があり(Eastman Kodak Company, 2007),更に10倍低い値として50kgの男性の場合に30mg/kg/日がある(東ら,2016)。次に,モノ-およびジ-イソブチレートを含むTexanolとTXIBは,ブチラートの低濃度環境下で,イソブチレートが結腸細胞においてエネルギーおよび嫌気性菌の炭素源として機能することが示唆されている(Jaskiewicz et al.,1996)。そこで,本発明者はTXIBの最大濃度として100μg/m3を選択した。次に,Texanolの最大濃度として,260μg/m3[≒100(μg/m3)×2×286.4(g/mol)/216.3(g/mol)]とした。 Significant effects of TXIB were determined by effects after repeated oral exposure in animals. Specifically, the NOAEL and NOEL for TXIB are 50 mg/kg/day (Nielsen et al., 1997) and 30 mg/kg/day (OECD, 2005, CAS , N°: 6846-50-0). This value is attributed to decreased kidney weight and changes in blood parameters in rats. Based on NOAEL and NOEL values, the provisional inhalation limit for TXIB is 1 mg/m 3 for a 70 kg male (Nielsen et al., 1997). A slightly higher value is 2.5 mg/m 3 (Eastman Kodak Company, 2007) and a tenfold lower value is 30 mg/kg/day for a 50 kg male (Azuma et al., 2016). Next, Texanol and TXIB, which contain mono- and di-isobutyrate, suggest that isobutyrate functions as an energy source in colonocytes and as a carbon source for anaerobes in low-butyrate environments (Jaskiewicz et al. ., 1996). Therefore, the inventor selected 100 μg/m 3 as the maximum concentration of TXIB. Next, the maximum concentration of Texanol was 260 μg/m 3 [≒100 (μg/m 3 )×2×286.4 (g/mol)/216.3 (g/mol)].
10週齢~13週齢のマウスに対し,2種類の行動試験を実施した。いずれのマウスを用いるかを知らされない実験者により,Time FZ1(小原医科産業株式会社,日本)を用いて自動的に全ての行動実験(恐怖条件付けおよび強制水泳試験)を08:00~12:00の間に行った。不安行動は聴覚性恐怖条件付試験(図7(A))により評価し,抑うつ行動は強制水泳試験で評価した。聴覚性恐怖付条件付けは,既報(Kato,2015)に従って実施した。簡単に説明すると次の通りとした。訓練日(6日目)に65dBで10秒間の条件刺激(CS)と,0.3mAで1秒間のフット・ショックを与える無条件刺激(US)を,20秒間隔(200ルクス)で2回実施した。翌日(7日目)には,訓練日に用いたものと同じ透明な四角形のケージを用い,マウスにCSまたはUSを与えないままで(200ルクス)5分間置いた。更に次の日(8日目)には,マウスを前日とは異なるボックス(50ルクス)に入れ,1分間の探索時間,1分間のCS(トーン),次いで2分間の探索時間を順次マウスに与える合図試験を行った。不動行動は,Time FZ1を用いて測定したときのマウスの停止時間が2秒間よりも長いときとして定義した。
強制水泳試験(1010-lux)についても既報(Kato,2015)に従って実施した。統計解析は,平均±標準誤差(SEM)を用い,ExcelとGraphPad Prism 7(GraphPad Software社製.)を使用し,危険率5%(p≦0.05)を有意とした。最大値と最小値以外の値を用いて解析を行った(VOCの各濃度についてn=6)。
Two behavioral tests were performed on 10- to 13-week-old mice. All behavioral experiments (fear conditioning and forced swim test) were automatically performed from 08:00 to 12:00 using Time FZ1 (Ohara Medical Sangyo Co., Ltd., Japan) by the experimenter blinded to which mouse to use. went between Anxious behavior was evaluated by the auditory fear conditioning test (Fig. 7(A)), and depressive behavior was evaluated by the forced swimming test. Auditory fear conditioning was performed according to a previous report (Kato, 2015). Briefly, it was as follows. On the training day (day 6), a conditioned stimulus (CS) of 65 dB for 10 sec and an unconditioned stimulus (US) of foot shock of 0.3 mA for 1 sec were administered twice at 20 sec intervals (200 lux). bottom. On the following day (day 7), mice were left without CS or US (200 lux) for 5 minutes in the same clear square cages used on the training day. Furthermore, on the next day (day 8), the mouse was placed in a different box (50 lux) from the previous day, and the mouse was given a 1-minute search time, a 1-minute CS (tone), and then a 2-minute search time. A cue test to give was conducted. Immobility behavior was defined as when the mouse stopped for longer than 2 seconds as measured using Time FZ1.
A forced swimming test (1010-lux) was also performed according to a previous report (Kato, 2015). Statistical analysis was performed using mean ± standard error (SEM) using Excel and GraphPad Prism 7 (manufactured by GraphPad Software). Analysis was performed using values other than the maximum and minimum values (n=6 for each concentration of VOC).
<試験結果及び考察>
本発明者は,既報において(Kato, 2015),情動行動がマウスに与えた食餌中の異なる脂肪酸を含む脂質(トリグリセリド)の質および量によって影響を受けることを示した。また,脂質を含む食事を取ることによって生じる情動行動の変化は,不安及びうつ病モデルマウスであるST3Gal4ノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスとでは異なっていた。このことは,脂質代謝の相違が,情動的及び認知的行動に関与することを示唆している。そこで,本発明者は,異なる代謝が行動に影響を与えるかどうかを調べるために,ST3Gal4ノックアウトマウスと野生型マウスとの間に存在する脂質代謝の相違について,各マウスの尿中VOCをGC-MSを用いて調べた。
<Test results and discussion>
The inventors have previously shown (Kato, 2015) that emotional behavior is affected by the quality and quantity of lipids (triglycerides) containing different fatty acids in the diet given to mice. In addition, changes in emotional behavior induced by eating a lipid-containing diet differed between ST3Gal4 knockout mice, which are anxiety and depression model mice, and littermate wild-type mice. This suggests that differences in lipid metabolism are involved in emotional and cognitive behavior. Therefore, in order to investigate whether different metabolism affects behavior, the present inventors examined the differences in lipid metabolism between ST3Gal4 knockout mice and wild-type mice by measuring the urinary VOCs of each mouse with GC- Investigated using MS.
1.ST3Gal4 KOマウスにおける尿中VOCの特異的な相違
6対のST3Gal4ノックアウトマウス及び同腹仔野生型から得た尿サンプル(200μl)をHS-SPME GC-MSを用いて解析した。<試験方法>に記載した通り,尿中VOCを二種類の試験(試験1及び試験2)によって調べた。代表的な全イオン電流(TIC)ピークと類似度(similarity index(SI))を表1に示した。試験2において,スキャン回数を増やすと,検出されたVOCの種類が42個から75個に増加した。GC-MSによれば,C57B1/6Jマウスの尿には,少なくとも97種類のVOCが含まれていた。ST3Gal4ノックアウトマウス及び同腹仔野生型マウスは,C57B1/6J系統のマウスから遺伝子編集によって得られたものであることから(非特許文献1:Srimontri et al., 2014),同様の代謝経路を持つと考えられる。
1. Specific differences in urinary VOCs in ST3Gal4 KO mice
Urine samples (200 μl) from 6 pairs of ST3Gal4 knockout mice and wild type littermates were analyzed using HS-SPME GC-MS. As described in <Test method>, urinary VOCs were investigated by two types of tests (
マウスあたり,トリプリケートした尿サンプル(試験1及び試験2においてST3Gal4ノックアウトマウス及び同腹仔野生型マウスのぞれぞれについてn=3)をGC-MSで解析した。XCMS(非特許文献4:Smith, 2006; 非特許文献5:Benton et al, 2008)によって,36種類のVOCを得た。XCMSソフトウエアを用いて,ピーク同定,非線形保持時間アラインメント及び質量スペクトル・イオン強度の定量を行った。アラインメントによって,各イオンピークについて,保持時間,m/z値,強度,比率(fold change),p値及び保持時間インデックス(RI)を含む情報を得た。試験1及び試験2の結果,ST3Gal4 KOマウスの尿から,558個及び729個のイオンピークを得た。ST3Gal4 KOマウスの尿から得られたイオンピークについて,危険率0.05未満(p<0.05)のものを抽出した。試験1及び試験2について,それぞれ93個及び244個のイオンピークを得た。各保持時間に属するイオンピークを回収し,TICピーク・スペクトルをNIST14ライブラリと比較し,ピークの類似性を各SIを対照として調べた。その結果,85%以上の類似度で18個のVOCを特定した。
Triplicate urine samples per mouse (n=3 each for ST3Gal4 knockout and littermate wild-type mice in
次いで,これらの18個のVOCが属するイオンピークの異なる面積が正しいどうかを調べるために,XCMSで抽出したイオンピークに含まれる候補VOCのベースピーク(表1の第3カラム)を選択し,VOCのイオンの面積をGCMSsolution ver. 4.45ソフトウエアを用いて計算した。6対のノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスにおいて,ノックアウトマウスと野生型マウスから得られたVOCの定量面積の相対比を比較し,比率(fold changes),標準誤差(S.E.M.)及びマン・ホイットニーU検定のp値を計算した(表1中の第11~13カラム)。18個のVOCのうち13個については,データベースと高度の類似性を示し,物質が特定された。更に,13個のVOCのうち9個については,市販の標準品との比較で,質量スペクトルが一致し,VOC中の濃度測定まで行えた。一方,13個のVOCのうち4個については,情報が無いために,物質の特定を行えなかった。VOC(No.10)のRIは,1291(InertCap pure-WAXカラム)及び972(DB-1カラム)であった。RIのパターンは,2種類の化合物(3-ヘプタン, 5-メチレン/5-ヘプテン 3-one, 5-メチル)との差違が見られなかった。また,3対のマウスについては,尿中に3-ペンテン, 2-oneが認められなかったので,統計的な解析は行わなかった。不安及びうつ病モデルであるST3Gal4 KO雄性マウスでは,20~35週齢の尿中において,2種類のVOCが減少し,10種類のVOCが増加した(表1を参照)。 Next, in order to investigate whether the different areas of the ion peaks to which these 18 VOCs belong are correct, the base peak of the candidate VOCs (third column in Table 1) included in the ion peaks extracted by XCMS is selected, and the VOC ions were calculated using GCMSsolution ver. 4.45 software. Comparison of relative ratios of quantification areas of VOCs obtained from knockout and wild-type mice in six pairs of knockout and littermate wild-type mice, fold changes, standard errors (S.E.M.) and Mann-Whitney U The p-value for the test was calculated (columns 11-13 in Table 1). Thirteen of the 18 VOCs were identified with a high degree of similarity to the database. Furthermore, for 9 of the 13 VOCs, the mass spectra were in agreement with the commercially available standard products, and the concentrations in the VOCs could be measured. On the other hand, 4 of the 13 VOCs could not be identified due to lack of information. The RIs of VOC (No. 10) were 1291 (InertCap pure-WAX column) and 972 (DB-1 column). The RI pattern showed no difference between the two compounds (3-heptane, 5-methylene/5-heptene 3-one, 5-methyl). 3-pentene and 2-one were not found in the urine of 3 pairs of mice, so no statistical analysis was performed. In ST3Gal4 KO male mice, an anxiety and depression model, 2 VOCs decreased and 10 VOCs increased in urine at 20-35 weeks of age (see Table 1).
2.GC-MSによって解析された尿中VOCの代謝的特徴
ノックアウトマウスと野生型マウスの全イオンピークを用いてXCMSによって得られたVOCの関係を評価するために,エクセルとKyPlot 5.0を用いて,ノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスから得られた17個のVOCのベースピークの相対値から主成分分析(PCA)を行った(図2)。3対のノックアウトマウスと同腹仔野生型マウスの尿中に3-ヘプテン,2-oneが認められなかったので,これを除外した。PCAにおいて,累積寄与率は0.8以上であることが望まれる。今回の結果では,主成分1(PC1)~主成分3(PC3)の合計で0.83であった。そこで,X軸,Y軸およびZ軸の領域を含むPCAスコアプロットを表示し,17個のVOCのうち,2個及び11個のVOCからなる2つのグループが認められた(図2A)。図2Aにおいて,円内の数字は,表1の第1カラムの数字と同じである。すなわち,2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(テキサノール)(15);2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(テキサノール異性体)(16)が2個のVOCからなるグループであり,ペンタン酸, 4-メチル-, エチルエステル(5);3-ヘプタノン, 6-メチル(6);RI1227(7);RI1237(8);スチレン(9);3-ヘプタノン, 5-メチレン/5-ヘプテン3-オン, 5-メチル(10);ベンズアルデヒド(12);β-ファルネセン(13);α-ファルネセン(14);5,9-ウンデカジエン-2-オール, 6,10-ジメチル(17);RI2297(18)が11個のVOCからなるグループであった。また,メチルアミン, N,N-ジメチル(1);RI955(2);RI1101(3);3-ペンテン-2-オン(4)は,17個のVOCについて関連性が少なかったため,それぞれ別の方向を示した。
2. Metabolic characterization of urinary VOCs analyzed by GC-MS Excel and KyPlot 5.0 were used to evaluate the relationship of VOCs obtained by XCMS using total ion peaks of knockout and wild-type mice. A principal component analysis (PCA) was performed from the relative values of the base peaks of 17 VOCs obtained from mice and littermate wild-type mice (Fig. 2). 3-heptene,2-one was not found in the urine of 3 pairs of knockout mice and littermate wild-type mice and was therefore excluded. In PCA, the cumulative contribution ratio should be 0.8 or higher. In the present results, the total of principal component 1 (PC1) to principal component 3 (PC3) was 0.83. We then displayed a PCA score plot containing the areas of the X-, Y- and Z-axes and found two groups of 2 and 11 VOCs out of 17 VOCs (Fig. 2A). In FIG. 2A, the numbers inside the circle are the same as the numbers in the first column of Table 1. 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (texanol) (15); 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 3-monoisobutyrate rate (texanol isomers) (16) is a group of two VOCs, pentanoic acid, 4-methyl-, ethyl ester (5); 3-heptanone, 6-methyl (6); RI1227 (7); RI1237 (8); styrene (9); 3-heptanone, 5-methylene/5-hepten-3-one, 5-methyl (10); benzaldehyde (12); β-farnesene (13); 5,9-undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl (17); RI2297 (18) were the group of 11 VOCs. In addition, methylamine, N,N-dimethyl (1); RI955 (2); RI1101 (3); showed the direction.
次に,試験2において,10~16週齢のST3Gal4ノックアウトマウス(n=9)と野生型マウス(n=11)から得られた尿サンプルについて,HS-SPME GS-MSによる解析を行った(表2)。試験2の目的は,個々のマウスの試料間で,(相対値ではなく)直接にピーク面積の絶対値を比較し,尿中VOC量と感情応答との相関を評価することであった。発情前/発情期の雌マウスに対する雄の接触度合いを観察するために,10~16週齢の若い雄マウスを使用した。20~35週齢の雄マウス尿から抽出された18個のVOC(表1)のうち,10~16週齢の雄マウス尿からは15個のVOCが認められた(表2)。このことは,若い雄マウスの尿中には,3-ヘプテン, 2-one及びRI2297が殆ど認められなかったことを示している。
図2Aに示す11個のVOCを含むグループをクラス分けするために,表2に示すマウス尿中の面積絶対値を用いて,階層クラスタ解析を行った。RI2297を除く10個のVOCの絶対値を用いて,PCAスコアを求めた。
Next, in
In order to classify the groups containing 11 VOCs shown in FIG. 2A, hierarchical cluster analysis was performed using the absolute values of mouse urine areas shown in Table 2. A PCA score was calculated using the absolute values of 10 VOCs excluding RI2297.
次いで,PCAの主成分1(PC1)~主成分6(PC6)(累積寄与で0.99)を用いて,10個のVOCの樹形図を作成した。その結果,3個のカテゴリー,すなわち(1)スチレンのみ,(2)RI1227,β-ファルネセン,α-ファルネセンを含むグループ,(3)3個のVOC (ペンタン酸, 4-メチル-,エチルエステル;3-ヘプタノン,6-メチル;3-ヘプタノン, 5-メチレン/5-ヘプテン 3-one, 5-メチル),ベンズアルデヒド,及びRI1237と5,9-ウンデカジエン-2-オール, 6,10-ジメチルに分類された(図2B)。Y軸については,ST3Gal4ノックアウトマウス群と野生型マウス群とに関わらず,個々のマウスにおけるVOC値の変化が類似しているときには,VOC間の距離は短かった。互いに近い代謝経路および分解経路上で作り出されるVOCが距離を減少させるものと考えられた。 Next, using PCA principal component 1 (PC1) to principal component 6 (PC6) (cumulative contribution of 0.99), a dendrogram of 10 VOCs was created. As a result, three categories were identified: (1) styrene only, (2) a group containing RI1227, β-farnesene, α-farnesene, and (3) three VOCs (pentanoic acid, 4-methyl-, ethyl ester; 3-heptanone, 6-methyl; 3-heptanone, 5-methylene/5-heptene 3-one, 5-methyl), benzaldehyde, and RI1237 and 5,9-undecadien-2-ol, 6,10-dimethyl (Fig. 2B). Regarding the Y-axis, regardless of whether the ST3Gal4 knockout mouse group or the wild-type mouse group, the distance between VOCs was short when the changes in VOC values in individual mice were similar. VOCs produced on metabolic and degradative pathways close to each other were thought to reduce the distance.
3.驚愕反射と尿中VOCの生成との関係
尿中VOC量と感情反応との関係を調べるために,驚愕反応試験を行った。その結果,ST3Gal4ノックアウトマウスと野生型マウスとの間で,驚愕反射に関する相違は小さかった(マン・ホイットニーのU検定においてp=0.1882。図3A)。これは,聴覚活動の驚愕反応との間に違いはないことを示している。驚愕反応試験に続いて,尿を採取した。次に,尿中VOC量と驚愕反射との関係を調べるために,図2Bに示すようにクラス分けされた6個のVOCの絶対値を用いてPCAスコアを求めた。主成分1(PC1)の寄与率が0.90であり,6個のVOCの全部におけるPC1の負荷量が0.90を超えたので,PC1と驚愕反応がXY軸に分布し,二次多項式回帰曲線が高い適合性を示した(r=0.886,図3B)。ST3Gal4 KOマウスの25%が,尿中に6個のVOCをより多く産生し,6個のVOCの産生と驚愕反応との間に強い相関を示した。一方,残りの75%のKOマウスでは,6個のVOC量は少なかった。野生型マウスでは,6個のVOCの生産と驚愕反応との間には,相関は認められなかった(図3B)。
3. Relationship between startle reflex and urinary VOC production A startle response test was performed to investigate the relationship between the amount of urinary VOCs and emotional reactions. As a result, the difference in startle reflex between ST3Gal4 knockout mice and wild-type mice was small (p=0.1882 in Mann-Whitney U test; FIG. 3A). This indicates that there is no difference between auditory activity and the startle response. Urine was collected following the startle response test. Next, in order to examine the relationship between the amount of urinary VOCs and the startle reflex, PCA scores were determined using the absolute values of the 6 VOCs classified as shown in FIG. 2B. Since the contribution ratio of principal component 1 (PC1) was 0.90 and the loading of PC1 in all 6 VOCs exceeded 0.90, PC1 and startle response were distributed on the XY axes, and the second-order polynomial regression curve was high. It showed compatibility (r=0.886, Fig. 3B). Twenty-five percent of ST3Gal4 KO mice produced more of the 6 VOCs in their urine, showing a strong correlation between the production of 6 VOCs and startle response. On the other hand, the remaining 75% of the KO mice had low levels of the 6 VOCs. No correlation was observed between the production of the 6 VOCs and the startle response in wild-type mice (Fig. 3B).
4.雄マウスの雌マウスに対する接触度合いと尿中VOCの生産との関係
尿中VOC量と情動反応との関係を調べるために,雄性マウスと雌性マウスを用いて,社会行動試験を行った。具体的には,前発情期から初期発情期(P/E)の雌マウスに対する雄マウスの1秒あたりのアクセス数(雄の鼻から雌の鼻,雄の鼻から雌の膣周辺,及び雄の前肢から雌の体)を10分間にわたって計数した(図4A)。その結果,野生型の雄マウスでは,P/E期の雌マウスに対するアクセス数は,ST3Gal4 KO雄マウスのアクセス数よりも,平均値で2.2倍多かった。また,野生型の雄マウスでは,P/E期の雌マウスに対するアクセス数は,発情後期の雌マウスに対するアクセス数よりも,平均値で2.0倍多かった。この傾向は,ST3Gal4 KO雄マウスのものと同じであった。これらの結果は,ST3Gal4 KO雄マウスは,P/E期の雌マウスに対するアクセス数が少ないことを示している。そこで,尿中VOC量と感情反応との関係を調べるために,P/E期の雌マウスに対する雄マウスのアクセス数を調べた。
4. Relationship between contact level of male mice with female mice and production of urinary VOCs In order to investigate the relationship between urinary VOC levels and emotional reactions, a social behavioral test was conducted using male and female mice. Specifically, the number of accesses per second by male mice to preestrus to early estrous (P/E) female mice (male nose to female nose, male nose to female vaginal area, and male forelimbs of females) were counted for 10 minutes (Fig. 4A). As a result, wild-type male mice averaged 2.2 times more accesses to P/E female mice than ST3Gal4 KO male mice. In wild-type male mice, the average number of accesses to P/E female mice was 2.0 times higher than that to late estrus female mice. This trend was the same as that of ST3Gal4 KO male mice. These results indicate that ST3Gal4 KO male mice have less access to P/E female mice. Therefore, in order to investigate the relationship between urinary VOC levels and emotional responses, we investigated the number of accesses of male mice to P/E female mice.
P/E期の雌マウスに接触する前及び後の尿を雄マウスから採取し,VOCを解析した(表2)。その結果,VOCについて,尿中VOC量と雄のアクセス数との間に重要な相関を持つ3種類のパターンを見出した。まず,RI1101,β-ファルネセン及びα-ファルネセンは,雌マウスに接触する前の野生型雄マウスでは,尿中量が少なかった。野生型雄マウスが雌マウスに接触した後には,尿中の量が増加した(図4D,M,N)。β-ファルネセンとα-ファルネセンが増加するのは,ST3Gal4 KO雄マウスの場合と同様であった(表2)。但し,いずれもp値には有意性は認められなかった(クラスカル・ウォリス検定によるp値は,それぞれ0.2467及び0.1398)。これに対し,野生型雄マウスが雌マウスに接触した後には,(ST3Gal4 KO雄マウスに比べると0.57倍程度の量に過ぎないものの)RI1101は有意に増加した(クラスカル・ウォリス検定によるp=0.0077。図4D)。 Urine was collected from male mice before and after contact with P/E stage female mice, and VOCs were analyzed (Table 2). As a result, we found three types of VOC patterns with significant correlations between urinary VOC levels and the number of accesses in males. First, the amount of RI1101, β-farnesene and α-farnesene in the urine was low in wild-type male mice before exposure to female mice. The amount in urine increased after wild-type male mice were exposed to female mice (Fig. 4D, M, N). The increase in β-farnesene and α-farnesene was similar to that in ST3Gal4 KO male mice (Table 2). However, no p-values were significant (Kruskal-Wallis p-values were 0.2467 and 0.1398, respectively). On the other hand, RI1101 increased significantly (only 0.57-fold compared to ST3Gal4 KO male mice) after wild-type male mice were exposed to female mice (p = 0.0077 by Kruskal-Wallis test). Fig. 4D).
次のパターンは,2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・1-モノイソブチレート(テキサノール),及び2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール・3-モノイソブチレート(テキサノール異性体)であった。これらのVOCは,ST3Gal4ノックアウト雄マウス及び野生型雄マウスのいずれに於いても,雌マウスとの接触後に有意に増加した(p=0.042, 0.0154。図4O,P)。具体的には,テキサノールでは,雌マウスとの接触後に2.0倍(ノックアウト雄マウス)及び2.6倍(野生型雄マウス)に増加し,テキサノール異性体では,それぞれ1.4倍(ノックアウト雄マウス)及び1.7倍(野生型雄マウス)に増加した。本発明者の検討に依れば,不安症を示すヒトにおいては,テキサノールとテキサノール異性体は,対照者と比較すると尿中量が増加していた。未成熟の雄マウスが,P/E期の雌マウスに最初に接触するときは,雌マウスに対して高い感情的ストレスを持ち得る。このため,尿中テキサノールとテキサノール異性体の増加は,抑うつ状態のヒトと同様の症状を示しているのかも知れない。
第3のパターンは,テキサノールとテキサノール異性体とは逆の反応であり,ST3Gal4ノックアウト雄マウスと野生型雄マウス(p=0.0280。図4J)との両方において,雌マウスとの接触後に減少を示したスチレンである。
The following patterns are 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 1-monoisobutyrate (texanol) and 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol 3-monoisobutyrate Butyrate (Texanol isomer). These VOCs were significantly increased after contact with female mice in both ST3Gal4 knockout male mice and wild-type male mice (p=0.042, 0.0154; FIG. 4O, P). Specifically, texanol increased 2.0-fold (knockout male mice) and 2.6-fold (wild-type male mice) after contact with female mice, and texanol isomers increased 1.4-fold (knockout male mice) and 1.7-fold, respectively. (wild-type male mice). According to the inventor's studies, texanol and texanol isomers have increased urinary levels in humans exhibiting anxiety when compared to controls. When an immature male mouse first comes into contact with a P/E stage female mouse, it can have high emotional stress on the female mouse. Therefore, increased urinary texanol and texanol isomers may indicate symptoms similar to those in depressed humans.
The third pattern was the opposite response to Texanol and Texanol isomers, showing a decrease after contact with female mice in both ST3Gal4 knockout male mice and wild-type male mice (p=0.0280; Fig. 4J). It is styrene.
これに対し,雌マウスと接触する前後に拘わらず,6個のVOCについては,ST3Gal4ノックアウトマウスの尿中量が,野生型マウスの尿中量よりも高かった(図4及び図5,表2)。これらのVOCについては,雌マウスとの接触前後において,雄マウスの尿中量に変化が認められなかった。更に,野生型マウスの尿中VOCのイオンピークの絶対値のばらつきは,それぞれ低かった(図4)。6個のVOCについては,尿中VOC量とP/E期の雌マウスに対する若い雄マウスのアクセス数との相関には関与していないことが示された。6個のVOCは,ST3Gal4欠損マウスのうち,25%のマウスにおける驚愕反応との相関を示した物質と同一であった。このことから,情動反応と相関する尿中のVOCは,全ての情動反応には関与しないことが示唆された。 In contrast, urinary amounts of six VOCs in ST3Gal4 knockout mice were higher than those in wild-type mice, regardless of whether they were in contact with female mice (Figures 4 and 5, Table 2). ). Regarding these VOCs, no changes were observed in the urinary amounts of male mice before and after contact with female mice. Furthermore, the variability of the absolute ion peak values of urinary VOCs in wild-type mice was low (Fig. 4). Six VOCs were shown not to be involved in the correlation between urinary VOC levels and access numbers of young male mice to P/E female mice. Six VOCs were identical to substances that correlated with the startle response in 25% of ST3Gal4-deficient mice. This suggests that urinary VOCs, which correlate with emotional reactions, are not involved in all emotional reactions.
5.C57BL/6マウスを用いた試験結果
まず,既報に従って(Fujita 2018a),InertCap PureWAX(GLサイエンス)とGC-MS(QP-2010 Ultra,島津製)とを用いて,TXIB(東京化成工業株式会社,日本)およびテキサノール(Alfa Aesar、Lancashire、UK)の標品の確認を行った。GC-MSの解析結果を図6に示した。TXIB標品は殆ど純粋であったが,テキサノール標品は,約40%(モル比)のテキサノール異性体を含んでいた[テキサノール:テキサノール異性体 = 12.98:8.652(ng)]。
恐怖条件訓練の初日(6日目)には,マウスの移動距離に対するテキサノール(図7(B-1))およびTXIB(図7(C-1))の吸入による影響はなかった。
第2日目に,CSまたはUSを与えない状態での実験エリア(幅170mm×長さ100mm×高さ100mmの四角形ケージ)でマウスの行動を調べた。テキサノールの蒸発によって,移動距離が僅かに減少した。最小用量(0.24μg/m3)では,各期間における30秒間の移動距離に対してわずかではあるが,影響があった(図7(B-2)では*p=0.0338),300秒間の合計距離において1/2の減少が認められた(*p=0.0336(図8(A);テューキーの多重比較試験)。一方,TXIBについては,各期間における30秒間の移動距離(図7(C-2))または300秒間の全距離(図8(E))のいずれにおいても殆ど統計的な影響はなかった。TXIBを10~216μg/m3となるように蒸発吸引させると,60~200秒の140秒間の平均距離(cm)で示すように,移動距離を減少させる傾向があった(図7(C-2))。更に,TexanolまたはTXIBの蒸発投与では,300秒間における凍結についての差を生じなかった(図8(B),図8(F))。少なくとも,4日間のテキサノールの蒸発は,空間認知に関連する恐怖記憶にわずかしか影響を与えなかった。
5. Test results using C57BL/6 mice Japan) and Texanol (Alfa Aesar, Lancashire, UK) standards were checked. The results of GC-MS analysis are shown in FIG. The TXIB standard was almost pure, while the Texanol standard contained about 40% (molar ratio) of Texanol isomers [Texanol:Texanol isomers = 12.98:8.652 (ng)].
On the first day of fear conditioning training (day 6), there was no effect of inhalation of Texanol (Fig. 7 (B-1)) and TXIB (Fig. 7 (C-1)) on the distance traveled by mice.
On the second day, the behavior of the mice was examined in the experimental area (170 mm wide x 100 mm long x 100 mm high square cage) without CS or US. Evaporation of Texanol slightly decreased the distance traveled. At the lowest dose (0.24 μg/m 3 ), there was a slight effect on the distance traveled for 30 seconds in each period (*p = 0.0338 in Figure 7 (B-2)), but the total distance for 300 seconds A 1/2 reduction in distance was observed (*p = 0.0336 (Figure 8 (A); Tukey's multiple comparison test). 2)) or the total distance of 300 seconds (Fig. 8(E)), there was almost no statistical effect.When TXIB was evaporatively aspirated to 10-216 μg/m 3 , 60-200 seconds As shown by the average distance (cm) for 140 seconds of 140 seconds, there was a tendency to decrease the moving distance (Fig. 7 (C-2)). (Fig. 8(B), Fig. 8(F)) At least, 4 days of Texanol evaporation had little effect on fear memory associated with spatial cognition.
第3日目に,別の実験室(幅170mm×長さ100mm×高さ100mmの固体,灰色,正方形の区域)でマウスの行動を検査した。このとき,音刺激(CS)のみを60秒~120秒の60秒間の間に与えた。TexanolおよびTXIBの蒸発は,各期間(図7(B-3)および(C-3)),240秒間の総移動距離(図8(C)および(G))を減少させ,減少の程度は用量に従って徐々に拡大した。更に,TexanolおよびTXIBの蒸発投与は,4分あたりの総不動時間(%)を増加させた。詳細には,Texanolの蒸発投与は,0.24~216μg/m3の用量に依存して,総不動時間(%)を2.05~2.35倍に増加させた。一方,マウスは,TXIBが10~100μg/m3の用量で総不動時間(%)を増加させたが,216μg/m3の用量では,総不動時間(%)の増加の程度を下げた。
また,不安を評価するためには,頭部の振れを測定することが,より敏感であることを見出した(Yang et al,2015)。0~216μg/m3の間で頭部スイング数の差は殆ど見られなかったが(p=0.1365;図9(A)),TXIBの各用量を0μg/m3と比較した結果,TXIBを216μg/m3に蒸発させたときのヘッドスイング数は1.7倍に増加した(*p=0.024)。10, 50および100μg/m3のそれぞれのヘッドスイング数については,0μg/ m3と比較したところ数の差違は認められなかった。このように,高容量のTXIBを蒸発させることによって,マウスの頭部の揺れが誘発され,2秒より長い時間動かなくなった。最後に,厚生労働省で標準化しようと試みた基準値に基づいて,TexanolとTXIBを5日以上に渡って蒸発投与し,聴覚刺激に依って不安を高めたことを,当該研究で見つけた。0,100及び216μg/m3のTXIBの吸入効果を8日間に渡って評価した結果,試験開始から第8日目に試みた聴覚刺激に対する不安への不動性が最も高まることが分かった。その一方で,8日間の間TXIBを吸入したマウスの強制水試験を測定した結果,TXIBは,不動性(%)について影響を与えないことが分かった(図10)。
On the third day, the behavior of the mice was examined in a separate laboratory (solid, gray, square area 170 mm wide x 100 mm long x 100 mm high). At this time, only the sound stimulus (CS) was given for 60 seconds from 60 seconds to 120 seconds. Evaporation of Texanol and TXIB decreased the total distance traveled for 240 seconds (Fig. 7 (B-3) and (C-3)) during each period (Fig. 7 (B-3) and (C-3)), and the degree of reduction was Scaled up gradually according to dose. Furthermore, evaporative administration of Texanol and TXIB increased total immobility time (%) per 4 minutes. Specifically, evaporative administration of Texanol increased total immobility time (%) by 2.05-2.35-fold, depending on the dose of 0.24-216 μg/m 3 . On the other hand, in mice, doses of 10 to 100 μg/m 3 of TXIB increased total immobility time (%), but doses of 216 μg/m 3 reduced the extent of the increase in total immobility time (%).
We also found that measuring head shake was more sensitive for assessing anxiety (Yang et al, 2015). There was almost no difference in the number of head swings between 0 and 216 μg/m 3 (p=0.1365; Fig. 9(A)). The head swing number increased 1.7 times when evaporated to 216 μg/m 3 (*p=0.024). There was no difference in head swing numbers at 10, 50 and 100 μg/m 3 compared with 0 μg/m 3 . Thus, evaporating high volumes of TXIB induced a head shake in mice that remained motionless for longer than 2 seconds. Finally, the study found that Texanol and TXIB were administered evaporatively over 5 days, and auditory stimulation increased anxiety, based on baseline values that the Ministry of Health, Labor and Welfare attempted to standardize. The effect of inhalation of 0, 100 and 216 μg/m 3 of TXIB was evaluated over an 8-day period. On the other hand, as a result of measuring the forced water test of mice inhaled TXIB for 8 days, it was found that TXIB had no effect on immobility (%) (Fig. 10).
嗅覚系では,感覚受容器は鼻腔内の末梢嗅上皮に局在している。臭気分子の受容体への結合に続いて,臭気刺激は受容体から嗅球に伝播する。嗅球では、僧帽細胞および房飾細胞が出力ニューロンとして配置される。房飾細胞は僧帽細胞と情報交換を行っており,僧帽細胞は,周辺から1つのシナプスを作り,軸索を他の感覚系との会合皮質である梨状皮質,感情の中心である扁桃体に送り,嗅内皮質が軸索を海馬に送って,学習および作業記憶を機能させる。TexanolとTXIBは,匂い分子として感覚受容体に結合し,匂い情報を扁桃体に直接送ることができる。扁桃体は,恐怖条件付け試験において重要な役割を果たす(Srimontri 2014)。特に音に関連付けた条件付けの際,視床の内側膝状体や大脳皮質聴覚野のニューロンが,扁桃体外側核ニューロンに聴覚情報を伝達する。今回の試験によれば,TexanolおよびTXIBの吸入による嗅球を介した扁桃体の刺激は,マウスにおいて音響恐怖を引き起こした。
これに対し,強制水泳試験は,抗うつ薬活性を調べるために用いられており,不動性の持続時間は,海馬と前頭葉の相互連絡の破綻の程度により影響を受け,破綻すると持続時間が長くなる。この海馬と前頭葉の相互連絡を,視床結合核ニューロンが中継する(Kafetzopoulosら,2018)。強制水泳試験では,TexanolやTXIBの吸入による影響は見られなかった。嗅上皮の嗅神経から入力した嗅覚刺激は,2つ以上のシナプスを介して海馬に到達することから,TexanolやTXIBの吸入による嗅覚情報は嗅内皮質を介して海馬に到達できなかったと考えられる。
In the olfactory system, sensory receptors are localized in the peripheral olfactory epithelium within the nasal cavity. Following binding of odor molecules to receptors, odor stimuli propagate from the receptors to the olfactory bulb. In the olfactory bulb, mitral and tufted cells are arranged as output neurons. The tufted cells exchange information with the mitral cells, which form a single synapse from the periphery and link their axons to other sensory systems, the piriform cortex, which is the emotional center. To the amygdala, the entorhinal cortex sends axons to the hippocampus to function in learning and working memory. Texanol and TXIB bind to sensory receptors as odor molecules and can send odor information directly to the amygdala. The amygdala plays an important role in fear conditioning testing (Srimontri 2014). Neurons in the medial geniculate body of the thalamus and the auditory cortex of the cerebral cortex transmit auditory information to neurons in the lateral amygdala, especially during sound-associated conditioning. In the present study, stimulation of the amygdala via the olfactory bulb by inhalation of Texanol and TXIB induced acoustic fear in mice.
In contrast, the forced swim test has been used to examine antidepressant activity, and the duration of immobility is affected by the degree of disruption of hippocampal-frontal lobe interconnectivity, with disruption increasing duration. Become. This hippocampal-frontal lobe interconnection is relayed by thalamic-connected nucleus neurons (Kafetzopoulos et al., 2018). In the forced swim test, no effects of inhalation of Texanol or TXIB were observed. Since olfactory stimuli input from the olfactory nerve of the olfactory epithelium reach the hippocampus via two or more synapses, it is thought that olfactory information from inhalation of Texanol and TXIB could not reach the hippocampus via the entorhinal cortex. .
また,TexanolとTXIBは,マウスにおいて不安を強く誘発することが示唆された。Texanol及びTXIBによる不安の媒介メカニズムを理解すれば,シックハウス症候群や化学物質過敏症に関連する神経系への影響を理解し得ると考えられた。TexanolもTXIBも室内空気環境汚染化学物質に指定されており,シックハウス化学物質には,化学物質過敏症や,喘息等アレルギー疾患に加え,不安症やうつと言った症状も引き起こす可能性が示唆されている(Choi et al., 2015; Ghaffarianhoseini et al., 2018)。これまでに我々は,尿を含むバイアル中VOC量を高齢者うつの方と不安症モデルマウス(St3gal4-ko)で計測したところ,高齢者うつでTexanolとTexanol 異性体の量が,壮年期不安症モデルマウス(35週齢)でTexanol 異性体の量が亢進することを見つけている。これまでに,Texanolが体内を通り尿中に排出されたものか,環境中のものが尿に捕集されたのかは別として、ヒトとマウスの尿で共に亢進することが確認された。今回,TexanolとTXIBが,環境基準値(2017年8月に想定されたが,その後再考することになり,2018年10月時点では基準値ではない)付近の濃度で,健康な若いマウスに不安症を起こすことを見つけた。その症状は,不安症モデルマウス(St3gal4-ko)が示すのと同様のtone fear memoryの増強であった。こうした結果から、人にも不安症を与える可能性を示唆すると共に,加齢に伴い発症の頻度が亢進する可能性を示している。このように、環境中のTXIBとTexanolをマーカーとして用いれば,不安症,うつスクリーニングシステムとして利用できることが分かった。 It was also suggested that Texanol and TXIB strongly induce anxiety in mice. If we understand the mechanism of anxiety mediation by Texanol and TXIB, we will be able to understand the effects on the nervous system related to sick house syndrome and chemical hypersensitivity. Both Texanol and TXIB are designated indoor air pollutants, and it has been suggested that sick house chemicals may cause symptoms such as anxiety and depression in addition to chemical hypersensitivity and allergic diseases such as asthma. (Choi et al., 2015; Ghaffarianhoseini et al., 2018). We have previously measured the amount of VOCs in vials containing urine in depressed elderly people and in anxiety model mice (St3gal4-ko), and found that the amounts of Texanol and Texanol isomers in depressed elderly people were similar to anxiety in middle age. We have found that the amount of Texanol isomers is enhanced in disease model mice (35 weeks old). So far, it has been confirmed that Texanol is elevated in both human and mouse urine, regardless of whether Texanol passes through the body and is excreted in the urine or is collected in the urine from the environment. In this study, Texanol and TXIB were used at concentrations near the environmental standard values (which were assumed in August 2017, but were later reconsidered and were not standard values as of October 2018), causing concern for healthy young mice. found to cause illness. The symptom was an enhancement of tone fear memory similar to that exhibited by the anxiety model mouse (St3gal4-ko). These results suggest that anxiety may also occur in humans, and that the frequency of onset increases with age. Thus, it was found that environmental TXIB and Texanol can be used as a screening system for anxiety and depression.
6.今回の試験結果及び本発明者の知見から,次のような考察が得られた。
(1)RI955, RI1227, RI1237については,脂質代謝産物である可能性が非常に高いことが分かった。一方,本発明者は,ヒトのうつと尿中物質との関連を調べる別の試験を行った。その別の試験の結果として,ヒトのうつを評価できる物質として,テキサノールを得た。つまり,ヒト及びマウスについては,同一の尿中物質がストレスに対応することがわかった。このため,少なくともテキサノール及びTexanol 異性体については,うつに関連する尿中物質として,多くの哺乳動物で保存されている反応の結果である蓋然性が非常に高いことがわかった。
また,これらの物質は,非侵襲的に採取できる尿から抽出できるので,動物を傷つける必要がない。
6. The following considerations were obtained from the results of this test and the findings of the present inventor.
(1) RI955, RI1227, and RI1237 were highly likely to be lipid metabolites. On the other hand, the present inventor conducted another test to examine the relationship between human depression and urinary substances. As a result of another study, Texanol was obtained as a substance capable of assessing depression in humans. In other words, it was found that the same urinary substance responds to stress in both humans and mice. Therefore, at least Texanol and Texanol isomers were highly likely to be the result of reactions conserved in many mammals as depression-related urinary substances.
Also, these substances can be extracted from urine, which can be collected non-invasively, so there is no need to harm the animal.
(2)本研究においては,糞から尿へのコンタミネーションが生じないように注意して採尿した。しかしながら,VOCの中には,尿中量と血中量とが比例しないものがあった。これは,能動的再吸収が起こっている可能性を示すものである。但し,血中には,3-penten-2-one (salivary, endogenous), RI1227 (from food), 5,9-undecadien-2-ol, 6,10-dimethylが認められなかった。本研究において,VOCをトラップするために用いたSPMEカラム中に物質を測定しているため,血中では溶解度が高く,揮発しにくい可能性がある。
(3)1-ドコサノール,酢酸(1-Docosanol, acetate (Eicosyl acetate))については,若年マウスでは観察されなかったことから,高齢化に伴い増えてくるのかも知れない。
(4)大気中にTexanolあるいは,TXIBを混入させると,音恐怖記憶が増強し,不安症状に類似する反応を示した。このことから,Texanolあるいは,TXIBについては,うつ,不安症の評価を行うために,有効に利用できると考えられた。
(2) In this study, urine was collected with care to avoid contamination from feces to urine. However, there were some VOCs whose urinary and blood levels were not proportional. This indicates that active reabsorption may be occurring. However, 3-penten-2-one (salivary, endogenous), RI1227 (from food), 5,9-undecadien-2-ol, and 6,10-dimethyl were not detected in blood. In this study, the substance was measured in the SPME column used to trap VOCs, so it is highly soluble in blood and may be difficult to volatilize.
(3) 1-Docosanol, acetate (Eicosyl acetate) was not observed in young mice, so it may increase with aging.
(4) When Texanol or TXIB was added to the atmosphere, phonophobic memory was enhanced, showing a reaction similar to anxiety symptoms. From this, Texanol or TXIB could be effectively used to evaluate depression and anxiety.
このように,本実施形態によれば,マウス・哺乳動物のうつ,不安症の状態を知るためのバイオマーカーを提供できた。当該モデルマウスが,ヒト疾患と連動していることから,本実施形態のバイオマーカーは,ヒトの非侵襲性うつ及び/または不安症のバイオマーカーとしても使用し得る。また,このバイオマーカーは,精神疾患一般だけでなく,高齢者フレイル移行期の状態を検討できるものとしても使用できる。更に,このバイオマーカーの増減によって,精神疾患の状態がわかるので,創薬スクリーニングにも利用できる。 Thus, according to this embodiment, a biomarker for knowing the state of depression and anxiety in mice and mammals could be provided. Since the mouse model is associated with human diseases, the biomarkers of this embodiment can also be used as biomarkers for non-invasive depression and/or anxiety in humans. In addition, this biomarker can be used not only for psychiatric disorders in general, but also for examining the state of transition to frailty in the elderly. Furthermore, since the state of mental illness can be determined from the increase or decrease of this biomarker, it can be used for drug discovery screening.
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| 溝内重和,小学校室内環境における未規制VOCs濃度の現状把握,室内環境,Vol. 17, No. 2,2014年12月31日,69-79 |
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