Use of a mechanistic physiologically based kinetic model and quantitative in vitro to in vivo extrapolation to evaluate the tolerable daily intake of zearalenone

私たちの食卓には、毎日、目に見えない静かな荷物が運ばれています。それは、穀物に繁殖するカビが生成する天然の化学物質です。その一つがゼアラレノンと呼ばれる物質で、エストロゲンの働きを模倣する毒素です。私たちの体はエストロゲンに反応するように設計されているため、この毒素がたとえ微量であっても、生物学的システム、特に成長過程にある子供や妊婦の体に悪影響を及ぼす可能性があります。数十年にわたり、安全規制当局は、人が安全に摂取できるこの毒素の量の上限として、許容一日摂取量（TDI）と呼ばれる閾値を設定してきました。しかし、この制限値を定めることは、常に推測に基づいたゲームのようなものでした。科学者たちは、この毒素が体内に入り、形を変えることは知っていましたが、それがどのように血流を移動し、どのくらいの期間留まり、あるいは体自身のリサイクルシステムが予想以上に長く毒素を活性化させ続けているのかについては、完全には理解していませんでした。これらの移動に関する明確な地図がなかったため、安全基準は不完全なデータに依存しており、私たちの保護における空白を生んでいました。

この空白を埋めるため、オランダの研究チームは、ゼアラレノンとその様々な形態の行方を追跡するために、ヒトとラットの体の詳細なデジタルシミュレーションを構築しました。彼らは、動物に毒素を与えて何が起こるかを観察する代わりに、「定量的in vitro-to-in vivo外挿法（IVIVE）」と呼ばれる手法を用いました。このアプローチは、ラボで培養された微小な細胞培養物からの測定値を取り込み、高度なコンピュータモデルを使用して、それらの化学物質が生きている生物の中でどのように振る舞うかを予測するものです。このモデルは、肝臓、腸、血管を含む体の複雑な配管をシミュレートする仮想的な実験室として機能し、毒素がどのように吸収され、分解され、排出されるかを明らかにします。

研究者たちは、毒物学者を長年悩ませてきた特定の謎に焦点を当てました。それは、なぜ血液検査において、人間や動物が摂取した数時間後に、毒素レベルの「二度目のスパイク（急上昇）」が見られることがあるのかという疑問です。最初のスパイクは消化直後に起こりますが、その後、より小さな上昇が再び現れます。これは、体が毒素をシステム内に再放出していることを示唆しています。チームは、これが「腸肝循環」と呼ばれるプロセスによるものだと疑いました。これは、肝臓が老廃物を胆汁へと送り出し、それが腸へと流れるプロセスです。そこで腸内細菌が化学的なタグを取り除き、老廃物を再び活性のある毒素へと変え、それが再吸収されるのです。彼らのシミュレーションは、このリサイクルループが、細胞壁を越えて化学物質を移動させる体の能動的な輸送システムと組み合わさることで、確かに二度目のスパイクを引き起こしていることを裏付けました。また、モデルは、ラットにおいてリンパ吸収がこの二度目のピークのタイミングに役割を果たしていることを示しましたが、この特定のプロセスはヒトのモデルには含まれておらず、予測される毒物動態プロファイルへの全体的な影響は限定的であると判断されました。

チームがこの新しい、より正確なモデルを適用して安全な曝露レベルを算出したとき、その結果は深刻なものでした。彼らは、ラボテストで観察された既知のエストロゲン活性を取り上げ、人間においてそれと同じ影響を引き起こすための毒素の日常的な用量を逆算しました。シミュレーションによれば、現在設定されている「体重1kgあたり1日0.25マイクログラム」という安全基準は、全人口に対して十分な保護を提供できていない可能性があります。モデルが毒素の代謝物（体が毒素を処理する際に生成する異なる化学形態）を考慮に入れた場合、予測される安全な用量は大幅に低下しました。あるシナリオでは、安全限界は1日あたり体重1kgあたり0.036マイクログラムまで下げるべきであると示されました。これは現在の基準よりも約7倍厳しい数値です。しかし、研究者たちは、この低い数値は、データの変動性や個体差を考慮するために大きな不確実性係数を適用した理論的な計算であることを強調しています。

研究は、単に低い数値を導き出すだけにとどまらず、体がどのように毒素を処理するかを明らかにしました。シミュレーションによれば、毒素が血液中に存在する時間の大部分において、それは水溶性にするための糖分子と結合した、修飾された不活性な状態で存在しています。しかし、腸内細菌はこの糖を取り除くことができ、不活性な形態を再び活性のあるホルモン模倣毒素へと変えてしまうのです。このサイクルにより、最初の食事が消化された後も、体は以前考えられていたよりも長い期間、活性のある毒素にさらされ続けることになります。また、研究者たちは、子供は体格が小さく代謝率が異なるため、同じ量の曝露に対して血液中の毒素濃度が高くなりやすく、大人よりも脆弱である可能性があるとも指摘しました。

この研究は、安全性の評価方法における転換を意味しています。特定の生物学的詳細を取り入れたメカニスティックなコンピュータモデルを用いることで、動物実験に代わり、複雑な毒物挙動を高精度に予測できることを研究者たちは実証しました。モデルは、古い、より詳細さに欠けるデータに基づいて確立された現在の安全基準が、害を及ぼす可能性のあるエストロゲン活性レベルへの曝露を許してしまう可能性があることを示しました。この研究はシミュレーションとラボデータに基づいたものであり、新たなヒト臨床試験によるものではありませんが、異なるシナリオ間での結果の一貫性は、現在の制限値が過大である可能性が高いことを示唆しています。これらの知見は、規制当局に対し、私たちが頼りにしている「目に見えない保護」が、私たちを安全に保つのに本当に十分な強さを持っているのか、安全マージンを再検討することを促しています。