細胞内カルシウム貯蔵を標的とした湾岸戦争病のDFPベースラットモデルにおける神経学的病的障害を緩和する

Targeting Intracellular Calcium Stores Alleviates Neurological Morbidities in a DFP-Based Rat Model of Gulf War Illness.

• Kristin F Phillips
• Edna Santos
• Robert E Blair
• Laxmikant S Deshpande

抄録

湾岸戦争病（GWI）は、第一次湾岸戦争の退役軍人が罹患する慢性的な多症状障害であり、うつ病や記憶障害を特徴とする神経症状を含む。有機リン酸塩（OPs）への慢性曝露はGWIの主要な原因と考えられているが、その病態はまだ完全には解明されていない。我々は最近、有機リン酸ジイソプロピル（DFP）をベースとしたラットのGWIモデルにおいて、神経細胞のCa2+レベル（[Ca2+]i）の慢性的な上昇を観察した。本研究の目的は、このDFPモデルにおける[Ca2+]iの上昇のメカニズムを明らかにし、それらの治療標的がGWI様の神経疾患を改善できるかどうかを検討することである。雄の Sprague-Dawley ラット（9 週齢）を DFP（0.5 mg/kg、s.c.、1 日 1 回、5 日間）に曝露し、3 ヶ月後に行動を評価し、ラットを安楽死させて、急性解離した海馬ニューロンのタンパク質推定とレシオメトリック Fura-2 [Ca2+]i 推定を行った。DFPラットでは、細胞内Ca2+レベルの持続的な上昇が起こり、Ca2+誘導性Ca2+放出機構を薬理学的に遮断することで、DFPニューロンの上昇した[Ca2+]iを有意に低下させた。また、リアノジン受容体（RyR）安定化タンパク質Calstabin2のタンパク質レベルの有意な低下も認められた。このような翻訳後修飾は、RyRを「漏れやすい」状態にし、DFP [Ca2+]iの持続的な上昇をもたらすと考えられた。レベチラセタムを用いたRyRの拮抗作用により、DFPニューロンにおける[Ca2+]iの上昇が有意に低下し、GWI様の行動症状が改善された。Ca2+は主要なセカンドメッセンジャー分子であるため、このような慢性的なCa2+レベルの上昇は、GWIの病的な症状として発現する病的なシナプス可塑性の根底にある可能性がある。我々の研究は、細胞内Ca2+放出を阻害することを標的とした薬剤による治療が、GWIの神経病的病的症状に対して有効な治療法である可能性を示している。

Gulf War Illness (GWI) is a chronic multi-symptom disorder afflicting the veterans of the First Gulf War, and includes neurological symptoms characterized by depression and memory deficits. Chronic exposure to organophosphates (OPs) is considered a leading cause for GWI, yet its pathobiology is not fully understood. We recently observed chronic elevations in neuronal Ca2+ levels ([Ca2+]i) in an OP-diisopropyl fluorophosphate (DFP)-based rat model for GWI. This study was aimed at identifying mechanisms underlying elevated [Ca2+]i in this DFP model and investigating whether their therapeutic targeting could improve GWI-like neurological morbidities. Male Sprague-Dawley rats (9 weeks) were exposed to DFP (0.5 mg/kg, s.c., 1×-daily for 5 days) and at 3 months postDFP exposure, behavior was assessed and rats were euthanized for protein estimations and ratiometric Fura-2 [Ca2+]i estimations in acutely dissociated hippocampal neurons. In DFP rats, a sustained elevation in intracellular Ca2+ levels occurred, and pharmacological blockade of Ca2+-induced Ca2+-release mechanisms significantly lowered elevated [Ca2+]i in DFP neurons. Significant reductions in the protein levels of the ryanodine receptor (RyR) stabilizing protein Calstabin2 were also noted. Such a posttranslational modification would render RyR "leaky" resulting in sustained DFP [Ca2+]i elevations. Antagonism of RyR with levetiracetam significantly lower elevated [Ca2+]i in DFP neurons and improved GWI-like behavioral symptoms. Since Ca2+ is a major second messenger molecule, such chronic increases in its levels could underlie pathological synaptic plasticity that expresses itself as GWI morbidities. Our studies show that treatment with drugs targeted at blocking intracellular Ca2+ release could be effective therapies for GWI neurological morbidities.

© The Author(s) 2019. Published by Oxford University Press on behalf of the Society of Toxicology.