スギ 花 粉 由 来 エアロゾルって どうなっているの? 埼 玉 大 学 工 学 部 環 境 共 生 学 科 王 青 躍 1. はじめに 花 粉 症 といえば アメリカのブタクサ 花 粉 症 ヨーロッパのイネ 科 花 粉 症 日 本 のスギ 花 粉 症 と 合 わせて 世 界 三 大 花 粉 症 と 呼 ばれるまでになっています 日 本 の 場 合 スギ 花 粉 症 の 有 病 率 は 人 口 の 約 16 %を 占 め 特 に 都 市 部 では 約 2~4 %の 発 症 率 を 有 する 疾 患 となっています スギ 花 粉 症 は 1964 年 に 日 本 で 初 めて 発 症 が 確 認 され それ 以 降 発 症 者 は 増 加 し 続 けており 近 年 日 本 でのスギ 花 粉 症 発 症 の 低 年 齢 化 も 進 んできております スギ 花 粉 の 飛 散 時 期 は 関 東 地 方 では 2 月 中 旬 から 4 月 くらいまで 飛 散 しています また ヒノキ 花 粉 は 4 月 から 5 月 まで 飛 散 しており スギ 花 粉 飛 散 期 の 終 わりの 方 はヒノキの 飛 散 期 と 重 なることがあります スギ 花 粉 とヒノキ 花 粉 のアレルゲン 物 質 は 交 叉 反 応 性 を 持 っているといわれています これは スギ 花 粉 とヒノキ 花 粉 のアレルゲンの 構 造 が 似 ているためスギ 花 粉 アレルゲンの 抗 体 がヒノキ 花 粉 のアレルゲンに 反 応 して 花 粉 症 症 状 を 引 き 起 こす またその 逆 もあるともいわれています そのため スギ 花 粉 症 患 者 の 中 には 長 期 にわたって 花 粉 症 症 状 が 緩 和 されない 方 も 多 く 見 られます スギ 花 粉 の 粒 径 を 見 てみるとその 大 きさは 3 μm 程 ( 図 1)ですが 花 粉 症 発 症 の 原 因 物 質 は 花 粉 粒 の 中 に 存 在 するアレルゲン 物 質 であり 特 にスギ 花 粉 のアレルゲン 物 質 は Cry j 1 と Cry j 2 の 2 種 類 が 多 く 存 在 しています Cry j 1 は 主 にスギ 花 粉 の 最 表 層 を 構 成 する 花 粉 外 壁 およびユー ビッシュ 小 体 に Cry j 2 は 花 粉 内 部 のデンプン 粒 に 局 在 しています スギ 花 粉 症 発 症 率 の 増 加 要 因 は 戦 後 に 植 林 されたスギが 大 量 に 花 粉 を 飛 散 させるといわれる 3 年 生 以 上 に 成 長 してきたこ と 住 環 境 の 清 潔 化 によりアレルゲンへの 抵 抗 力 が 低 下 してきたことなどと 共 に 大 気 汚 染 物 質 の 増 加 も 原 因 の 一 つとされています スギ 花 粉 への 大 気 汚 染 物 質 の 影 響 は スギ 花 粉 アレルゲン 含 有 粒 子 の 微 小 粒 子 への 移 行 やスギ 花 粉 アレルゲンの 汚 染 物 質 による 修 飾 ( 変 性 ) 等 が 報 告 されてお り スギ 花 粉 由 来 エアロゾルの 性 質 を 変 化 させている 可 能 性 があります 拡 スギ 花 粉 1 μm 拡 デンプン 粒 イメージ ユービッシュ 体 1. μm 図 1. スギ 花 粉 の 構 造 -1-
花 粉 症 などのアレルギー 反 応 は 以 下 の 反 応 で 引 き 起 こされます( 図 2) まず 体 内 に 入 ってき たアレルゲンを T リンパ 球 が 認 識 し B リンパ 球 が 抗 体 を 作 る その 抗 体 (IgE など( 免 疫 グロ ブリンの 一 種 ))が 肥 満 細 胞 (マスト 細 胞 )や 好 塩 基 球 好 酸 球 という 白 血 球 に 結 合 する この 状 態 が そのアレルゲンに 感 作 された 状 態 です そこに 再 度 アレルゲンが 侵 入 し 抗 体 に 結 合 する と これらの 白 血 球 がヒスタミン セロトニンなどの 化 学 伝 達 物 質 を 放 出 します これらの 物 質 の 作 用 により 血 管 拡 張 などが 起 こり 粘 膜 の 腫 れ かゆみなどの 症 状 があらわれます これら の 症 状 はアレルゲンの 性 質 によってかわり アレルゲン 物 質 が 高 分 子 量 ( 約 25 以 上 ) 組 成 が 複 雑 形 状 が 粒 子 状 などの 場 合 そのアレルゲン 性 は 増 加 するといわれています こうしたアレ ルギー 反 応 は ある 物 質 と 同 時 に 投 与 されるとその 影 響 が 促 進 されることがあります こうした 物 質 をアジュバントといい アレルギー 症 状 の 促 進 作 用 をアジュバント 効 果 と 呼 びま す アジュバント 自 体 はそのアレルゲンの 抗 体 とは 反 応 性 を 示 しません 本 来 アジュバントは ワクチン 投 与 の 際 同 時 に 投 与 することで 少 量 の 抗 原 量 でも 効 果 をたせるといった 免 疫 分 野 で 利 用 されました しかし 近 年 大 気 汚 染 物 質 がアジュバント 効 果 を 持 つことが 報 告 されています 図 2. アレルギーの 発 症 メカニズム( 鈴 木 順 子, 青 野 治 朗, 29, くすりの 作 用 と 効 くし くみ 事 典, 永 岡 書 店, 68-69.)より 引 用. 2. スギ 花 粉 と 大 気 汚 染 物 質 東 京 都 市 部 に 飛 来 するスギ 花 粉 の 発 生 源 は 周 辺 の 山 間 部 ですが 上 空 を 数 百 km も 移 動 し 都 市 部 へと 移 流 してきます 都 市 部 に 移 流 してきたスギ 花 粉 は さまざまな 大 気 汚 染 物 質 と 接 触 し 変 性 したりまた 付 着 した 大 気 汚 染 物 質 と 同 時 に 人 体 の 内 部 に 吸 引 されたりすることで アジュバント 効 果 を 引 き 起 こすと 考 えられています アレルギー 反 応 へのアジュバント 効 果 を 引 き 起 こす 物 質 は 自 動 車 排 ガス 土 壌 粒 子 ( 黄 砂 など) 金 属 粒 子 芳 香 族 炭 化 水 素 などいろいろと 研 究 され 報 告 されています 実 際 に 埼 玉 大 学 にて 捕 集 した 大 気 中 のスギ 花 粉 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 で 数 千 倍 に 拡 大 して 観 察 した 画 像 では さまざまな 粒 子 がスギ 花 粉 の 表 面 に 付 着 しているのが 見 られました ( 図 3) そのため スギ 花 粉 に 大 気 汚 染 物 質 が 付 着 した 複 合 体 のエアロゾルは スギ 花 粉 症 状 を 悪 化 させるため 都 市 部 でのスギ 花 粉 症 有 病 率 の 増 加 を 引 き 起 こす 原 因 の 一 つと 考 えられていま -2-
す Pollen surface Particles Particles 図 3. 埼 玉 大 学 で 捕 集 されたスギ 花 粉 上 に 大 気 中 の 粒 子 が 付 着 している 様 子 2). 3. スギ 花 粉 アレルゲン 物 質 の 微 小 粒 子 化 近 年 都 市 部 でスギ 花 粉 を 原 因 とする 花 粉 喘 息 の 発 症 が 観 察 されるようになっています 喘 息 は 微 小 粒 子 によって 発 症 していると 考 えられており スギ 花 粉 のような 粗 大 粒 子 では 喘 息 を 引 き 起 こさないと 考 えられていました しかし 実 際 に Cry j 1 および Cry j 2 は 大 気 中 で< 1.1 μm に 高 い 割 合 で 存 在 していることが 我 々のフィールド 調 査 計 測 から 確 認 されており さらに 都 市 部 で は 山 間 部 よりも 多 くの Cry j 1 が< 1.1 μm に 存 在 すること( 図 4)が 報 告 されています スギ 花 粉 アレルゲン 含 有 粒 子 の 微 小 粒 子 への 移 行 の 原 因 は 花 粉 表 面 からの Cry j 1 含 有 ユービッシュ 小 体 の 剥 離 花 粉 粒 子 が 高 湿 度 や 降 雨 によって 水 分 を 吸 収 膨 潤 して 破 裂 することで 花 粉 内 部 の Cry j 2 の 大 気 中 への 放 出 などが 考 えられています < 1.1 m 3.3~7. m > 7. m Cry j 1 concentration (ng/m 3 ).4 Pollen pollen count.3 M: Mountain area.2 R: Roadside.1 W: Weekday H: Holiday.8.7.6.5 Airborne pollen count (count/cm 2 /46 h) Rain (mm/47 h) Traffic density (car/day) M. W. M. H. R. W. R. H. 3/24, 27 3/21, 25 3/24, 27 3/25, 26 37 2 n.d. means below the detection limit. 38 21, 52 19, : Standard deviation 図 4. 26 年 度 における Cry j 1 濃 度 の 山 間 部 と 都 市 部 での 比 較 (M: 山 間 部, R: 都 市 部 道 路 端, W: 平 日, H: 休 日 ) 3). 15 3 6 5 4 3 2 1 Pollen count (count/cm 2 /46 h) 3.1. スギ 花 粉 粒 への 高 湿 度 による 影 響 スギ 花 粉 粒 は 細 胞 壁 に 囲 まれており 非 常 に 強 固 な 構 造 をしています しかし 大 気 汚 染 物 質 との 接 触 によって 細 胞 壁 に 亀 裂 等 が 生 じると そこから 水 分 を 吸 収 し 内 部 の 細 胞 膜 が 膨 張 する ことで 内 部 から 破 裂 することが 考 えられています 我 々の 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 による 調 査 では( 図 -3-
5) 相 対 湿 度 1 %に 達 してから 約 4 分 程 度 にスギ 花 粉 が 破 裂 し スギ 花 粉 内 部 の 細 胞 を 放 出 し た 様 子 が 観 察 されました 湿 度 1 %に 達 した 直 後 ( 図 5A)および 破 裂 直 前 ( 図 5B)の 花 粉 粒 の 粒 径 を 比 べると 湿 度 1 %に 達 した 直 後 では 花 粉 粒 径 が 26.37 μm であるのに 対 して 破 裂 直 前 では 32.56 μm とスギ 花 粉 粒 が 膨 張 していき やがて 破 裂 していくのがわかります A B C 26.37 m 32.56 m 1 m 1 m 1 m sec 191 sec 231 sec D E F 1 m 1 m 1 m 249 sec 254 sec 図 5. スギ 花 粉 の 高 湿 度 条 件 下 における 形 態 変 化 の 様 子. 3.2. スギ 花 粉 粒 への 降 水 による 影 響 都 市 部 では 降 水 後 の 晴 れ 日 に 微 小 粒 子 となったアレルゲン 粒 子 の 存 在 割 合 が 高 くなることから 降 雨 がスギ 花 粉 アレルゲン 含 有 微 小 粒 子 の 発 生 に 影 響 していると 考 えています 降 雨 によるスギ 花 粉 アレルゲン 含 有 粒 子 の 微 小 粒 径 への 移 行 メカニズムは 降 雨 との 接 触 によるアレルゲンの 溶 出 やユービッシュ 小 体 の 剥 離 が 考 えられています 図 6 は 降 水 を 模 擬 した 溶 液 にスギ 花 粉 が 接 触 した 画 像 ( 図 6D) 及 び 溶 液 に 接 触 しなかったスギ 花 粉 の 画 像 ( 図 6B)を 示 しています 溶 液 と 接 触 したスギ 花 粉 からは 表 面 に 付 着 していたユービッシュ 小 体 の 剥 離 が 見 られたのが 観 察 されま した 図 6. 模 擬 降 雨 に 接 触 したスギ 花 粉 と 接 触 しなかったスギ 花 粉 における 構 造 の 変 化. スギ 花 粉 由 来 エアロゾルの 放 出 過 程 は 以 下 のイメージ 図 ( 図 7)で 表 すことができ すなわち 高 湿 度 降 水 による 破 裂 アレルゲンの 溶 出 ユービッシュ 小 体 の 剥 離 などから 理 解 できます -4-
< 降 と 花 粉 との 接 触 によるアレルゲン 含 有 粒 の 成 過 程 > 降 ( 霧 等 ) との 接 触 花 粉 散 地 ( 発 源 ) 滴 との 接 触 拡 図 アレルゲン 含 有 粒 の 成 機 構 イメージ 放 出 Cry j 2 アレルゲン 含 有 粒 の 成 要 因 花 粉 の 破 裂 アレルゲン 含 有 粒 の 発 アレルゲン 含 有 粒 溶 出 剥 離 Cry j 1アレルゲン 含 有 粒 の 成 要 因 ユービッシュ 体 の 剥 離 花 粉 壁 からの 成 分 溶 出 花 粉 喘 息 の 発 症 etc 図 7. スギ 花 粉 由 来 エアロゾルの 放 出 過 程 スギ 花 粉 アレルゲンの 溶 液 中 での 溶 出 挙 動 は 降 雨 中 のイオン 濃 度 が 高 いとアレルゲンの 溶 出 量 も 多 くなります( 図 8) 降 雨 中 のイオン 濃 度 は 都 市 部 のような 大 気 汚 染 物 質 が 大 気 中 に 多 く 存 在 する 地 域 では 雨 が 降 り 始 めると 大 気 中 の 大 気 汚 染 物 質 が 取 り 込 まれ 降 雨 中 のイオン 濃 度 が 上 昇 するため スギ 花 粉 アレルゲンのスギ 花 粉 からの 溶 出 は 都 市 部 のような 大 気 汚 染 物 質 を 多 く 含 む 汚 れた 雨 によって 促 進 され 微 小 粒 子 の 発 生 に 寄 与 していると 考 えられます さらに 近 年 では スギ 花 粉 飛 散 期 と 重 なるように 東 アジア 大 陸 から 長 距 離 輸 送 されてくる 黄 砂 が 観 察 されるようになっています 黄 砂 は 中 国 の 工 業 地 帯 などを 通 り 大 気 汚 染 物 質 を 表 面 に 吸 着 させて 輸 送 されてくるため 黄 砂 が 降 雨 に 取 り 込 まれるとイオン 濃 度 が 数 倍 に 上 昇 すること もあります また スギ 花 粉 は 接 触 する 溶 液 の ph が 高 い( 塩 基 性 なっていく)と 花 粉 粒 が 破 裂 し 内 部 の Cry j 2 を 含 むデンプン 粒 を 放 出 すると 考 えられており 我 々が 実 際 に 捕 集 した 降 雨 中 のスギ 花 粉 の 破 裂 割 合 と 降 雨 の ph との 相 関 にも 良 い 相 関 がありました( 図 9) Eluted Cry j 1 concentrations (ng/mg) Eluted Cry j 1 concentrations (ng/mg) 8 6 4 2 8 6 4 2 KNO3 3 NH4NO3 4 NO 3 Ca(NO3)2 3 ) 2 Ballpark Cry j 1 content in cedar pollen UPW 8 15 5 15 Ion strengths (mi) NH4Cl 4 NH4NO3 4 NO 3 (NH4)2SO4 4 ) 2 4 (NH4)2C2O4 4 ) 2 C 2 O 4 Ballpark Cry j 1 content in cedar pollen UPW 8 15 5 15 Ion strengths (mi) 図 8. イオン 濃 度 の 変 化 による Cry j 1 溶 出 濃 度 の 変 化 4). A B n.a. Burst ratio of pollen (%) -5-1 75 5 25 y = 15.x - 5.6 R =.61, p <.1, n = 21 3 5 7 9 11 ph 図 9. 降 雨 中 のスギ 花 粉 破 裂 割 合 と ph の 相 関 関 係
4. スギ 花 粉 アレルゲン 物 質 の 修 飾 変 性 スギ 花 粉 アレルゲンは 大 気 汚 染 物 質 と 反 応 し 1 2 3 4 5 6 タンパク 質 の 変 性 を 引 き 起 こすことも 懸 念 され ています 図 1 に 様 々な 大 気 汚 染 物 質 と 反 応 させたスギ 花 粉 抽 出 物 中 のタンパク 質 の 分 子 量 分 布 の 変 化 を 示 しました 大 気 汚 染 物 質 として ca. 45. & 42. ca. 37. ca. 26. ca. 25. 114. 84.7 47.3 31.3 25.7 知 られている Peroxynitrite (aq)(line 2)と H 2 O 2 (aq)(line 5)をそれぞれ 加 えたサンプルは ス ギ 花 粉 アレルゲン 溶 液 (Line 1)よりもバンド が 全 体 的 に 薄 く タンパク 質 濃 度 が 低 かったで す さらに 分 子 量 約 44 kda と 41 kda(2 本 の バンド)は Cry j 1 約 37 kda は Cry j 2 に 相 当 するため スギ 花 粉 アレルゲンの 修 飾 が 示 唆 さ れました HNO 3 (aq)(line 3)と H 2 SO 4 (aq)(line 4)をそれぞれ 加 えた 場 合 は Cry j 1 と Cry j 2 に 相 当 するバンドが 検 出 されませんでした この 結 果 から 液 相 中 均 一 反 応 を 想 定 した 反 応 場 すなわち スギ 花 粉 飛 散 期 の 都 市 部 環 境 中 ( 降 雨 また は 高 湿 度 )において スギ 花 粉 アレルゲンが 修 飾 される 可 能 性 が 考 えられます Molecular Weight (kda) 図 1. SDS-PAGE によるスギ 花 粉 抽 出 物 と 大 気 汚 染 物 質 を 反 応 させた 後 の 抽 出 物 の 分 子 量 分 布 の 違 い. Line 1: スギ 花 粉 抽 出 物 (JCPE), Line 2: JCPE + Peroxynitrite aq, Line 3: JCPE + HNO 3, aq, Line 4: JCPE + H 2 SO 4 aq, Line 5: JCPE + H 2 O 2 aq, Line 6: 分 子 量 マーカー. 5. おわりに スギ 花 粉 と 大 気 汚 染 物 質 の 影 響 は 非 常 に 多 岐 にわたっており アレルゲンの 微 小 粒 子 化 による スギ 花 粉 由 来 の 喘 息 を 引 き 起 こし アレルゲンの 変 性 による 花 粉 症 症 状 の 悪 化 や アレルゲン 物 質 の 修 飾 変 性 等 を 引 き 起 こします スギ 花 粉 と 大 気 汚 染 物 質 に 関 する 研 究 はまだまだ 未 知 なる 事 が 沢 山 あり 研 究 に 尽 きない 分 野 です 私 自 身 もスギ 花 粉 症 患 者 であり こうした 研 究 は 早 急 に 解 明 し 医 学 薬 学 的 な 研 究 の 一 助 として 情 報 を 提 供 していきたいと 思 っています 参 考 文 献 1) 鈴 木 順 子, 青 野 治 朗, 29, くすりの 作 用 と 効 くしくみ 事 典, 永 岡 書 店, 68-69. 2) Wang, Q., Gong, X., Nakamura, S., Kurihara, K., Suzuki, M., Sakamoto, K., Miwa, M., Lu, S., 29, Air pollutant deposition effect and morphological change of Cryptomeria japonica pollen during its transport in urban and mountainous areas of Japan, Environmental Health Risk V, Biomedicine and Health, 14, 77-89. 3) 栗 原 幸 大, 王 青 躍, 桐 生 浩 喜, 坂 本 和 彦, 三 輪 誠, 内 山 巌 雄, 27, 埼 玉 県 都 市 部 道 路 端 およ び 山 間 部 におけるスギ 花 粉 アレルゲン 含 有 粒 子 状 物 質 の 飛 散 挙 動 に 関 する 研 究, 大 気 環 境 学 会 42 (6), 362-368. 4) Wang, Q., Nakamura, S., Gong, X., Lu, S., Nakajima, D., Wu, D., Suzuki, M., Sakamoto, K., Miwa, M., 21, Evaluation of elution behavior and morphological change of Cryptomeria japonica pollen grain and release of its daughter allergenic particles by air polluted rainfall, Air pollution XVIII, Ecology and the Environment, 136, 185-197. ( 花 粉 研 究 の 詳 細 http://park.saitama-u.ac.jp/~wang_oseiyo/index-j.php を 参 照 してください ) -6-