生分解性プラスチックの潜在的リスク：北京大学の江輝教授チームがポリ乳酸マイクロ/ナノプラスチックによる生殖毒性について初めて報告
プラスチックの広範な使用は、産業文明の発展と経済発展に大きく貢献してきましたが、同時に深刻な環境汚染も引き起こしています。特に、人間の生活環境に遍在するマイクロプラスチック（MP）とナノプラスチック（NP）による汚染が顕著です。既存の研究によると、人間のマイクロプラスチック粒子摂取量は平均して1週間あたり約0.1～5グラムであり、潜在的な健康リスクへの懸念が高まっています。
プラスチック汚染を軽減するため、従来の石油由来プラスチックに代わる環境に優しい代替品として、生分解性プラスチックが導入されています。ポリ乳酸（PLA）は、世界で最も広く生産・消費されている生分解性プラスチックであり、食品包装、使い捨て食器、バイオメディカル用途における薬剤送達用キャリアとして使用されています。PLAは「環境に優しい」プラスチックと考えられていますが、研究によると、摂取すると炎症を引き起こす可能性があること、また、分解時に従来の石油由来プラスチックよりも多くのマイクロプラスチックを生成する可能性があることが示されており、さらなる調査が必要な潜在的なリスクを示唆しています。
2025年1月27日、北京大学第一病院の江輝教授のチームは、権威ある材料科学誌に研究論文を発表しました。ACSナノ「ポリ乳酸マイクロ／ナノプラスチックへの曝露は、マウスの精子形成を阻害し、ミトコンドリア機能不全を引き起こすことで、雄の生殖毒性を誘発する」と題された研究が発表されました。本研究は、PLAマイクロ／ナノプラスチック（PLA-MP/NP）の雄マウスにおける生殖毒性を初めて明らかにし、その毒性メカニズムが従来の石油由来マイクロプラスチックのものと類似している可能性を示唆しています。これらの知見は、生分解性プラスチックの環境リスク評価のための理論的根拠となります。
不妊症は世界的な公衆衛生問題であり、がんと心血管疾患に次いで世界で3番目に多い難治性疾患です。精子数減少症（精子数の減少）は男性不妊の主な原因の一つであり、環境汚染は男性の妊孕性低下の重要な要因と考えられています。そのため、環境汚染物質が生殖に関する健康に及ぼす影響は、広く懸念されています。江慧氏率いる研究チームによるこれまでの研究では、男性生殖器系にマイクロプラスチックが存在することが確認されており、従来の石油由来のポリスチレン（PS）マイクロプラスチックは、思春期前の男性の精巣に損傷を与え、生殖能力を脅かす可能性があることが示されています。しかし、PLAが男性の生殖機能に及ぼす影響についてはほとんど分かっていません。そこで研究チームは、PLAマイクロプラスチック（PLA-MP）の環境関連用量（10 mg/kg/日、100 mg/kg/日）と危険性特定用量（1000 mg/kg/日）を使用して、マウスで56日間反復経口毒性試験を実施し、雄マウスにおけるPLA-MP曝露の生殖毒性を調査した。
結果は、PLA-MPが体内に吸収された後、血流を介して血液精巣関門を通過し、精巣微小環境に蓄積することを示した。この蓄積は、精子数の減少、精子の運動性の低下、精子の奇形の増加、ホルモンバランスの乱れなど、重大な生殖毒性を誘発した。さらに、組織病理学的検査では、精細管の変性、生殖細胞の消失、生殖上皮組織の破壊が明らかになった。特に、一部の精細管における精子形成腔の拡大と精子の完全消失は、精巣に深刻な構造的損傷を及ぼしていることを示唆していた。これらの知見は、PLA-MPへの曝露が雄マウスに生殖毒性を誘発するという仮説を裏付けている。
ミトコンドリア機能不全は環境汚染物質による毒性発現の重要なメカニズムであり、ミトコンドリア損傷はマイクロプラスチックによる毒性発現の重要なメカニズムの一つと考えられています。本研究では、PLA-MP曝露後、粒子が細胞内のミトコンドリアに内部化され蓄積することが明らかになりました。内部化されたPLA-MPは、ミトコンドリアの膨化、サイズ増大、空胞化、管状クリステ形成などの形態変化を引き起こし、ミトコンドリアオートファゴソームの出現も引き起こしました。酸化ストレスの重要な指標である活性酸素種（ROS）レベルは用量依存的に上昇し、ROSレベルの上昇によって引き起こされるミトコンドリア機能不全は酸化ストレスをさらに悪化させ、ミトコンドリアの持続的な損傷という悪循環を引き起こしました。 PLA-MP曝露がミトコンドリア機能に及ぼす影響を評価するため、研究チームはGC-2精母細胞におけるCa2+レベル、ATP産生、ミトコンドリア膜電位（MMP）といったミトコンドリアの健全性を示す指標を評価した。その結果、PLA-MP曝露はMMPおよびATPレベルを低下させ、細胞内Ca2+レベルを有意に上昇させたことが示された。これは、ミトコンドリア機能不全がPLA-MP誘発性生殖毒性の感度の高い指標となる可能性を示唆している。
ミトコンドリア鞘は精子尾部の重要な構成要素であり、精子の運動性維持に不可欠です。ミトコンドリア鞘の構造異常は男性不妊につながる可能性があります。PLA粒子が精子に浸透し、ミトコンドリア鞘を損傷するかどうかを調べるため、研究チームは透過型電子顕微鏡を用いて精子中片の超微細構造を観察しました。予想通り、一定数のナノメートルサイズのPLA粒子が精子中片に付着していることが分かりました。特に、PLAナノ粒子は精子内部にまで浸透し、ミトコンドリア鞘に達し、ミトコンドリアの崩壊過程に関与していました。さらに、PLAは精子内部の酸化還元恒常性を破壊し、酸化ストレスを引き起こし、精子ミトコンドリアの構造と機能の両方に損傷を与えました。
PLA-MPによって引き起こされる生殖毒性の分子メカニズムをさらに解明するため、研究チームは高用量曝露群の精巣組織のトランスクリプトーム解析を行った。その結果、PLA-MPは精子形成に関わるいくつかの主要遺伝子（C3、Pde7b、Wt1、Dkk3など）の発現を著しく低下させ、カルシウムイオン輸送などのミトコンドリア機能に関連する経路に影響を及ぼすことが明らかになった。これらの知見は、PLA-MP曝露が精子形成を阻害し、精子発達に関わる主要遺伝子の発現を阻害することで生殖毒性を悪化させることを示唆している。
結論として、本研究は、ポリ乳酸（PLA）マイクロ／ナノプラスチックが雄マウスにおいて精子形成を阻害し、ミトコンドリア機能不全を引き起こすことで生殖毒性を誘発するという初めての証拠を提供するものである。本研究の結果は、PLAマイクロプラスチックが血液精巣関門を通過し、精巣微小環境に蓄積し、マウスにおいて酸化ストレス、ホルモン不均衡、および精巣発育障害を誘発することを示すものである。さらに、PLAマイクロプラスチックがナノプラスチックへと分解されると、精子ミトコンドリアに浸透し、ミトコンドリア損傷を引き起こす可能性があることから、ミトコンドリア機能不全はPLA誘発性生殖毒性の重要なメカニズムであり、早期指標となることを示唆している。
全体として、この研究は、生分解性マイクロプラスチックがヒトの健康に及ぼす毒性影響に関する理解を深め、生分解性プラスチックの健康リスクを評価するための新たな知見を提供するものです。PLAは一般的に「環境に優しい」プラスチックとして宣伝されているため、その生体内変換、生体内分布、そしてヒトへの潜在的な毒性影響については、更なる注目が必要です。
本論文の責任著者は、北京大学第一病院の江慧教授、北京大学第三病院の張哲教授、中国科学院生態環境科学研究所の李元元博士です。北京大学第一病院の趙千成博士が筆頭著者であり、方子水博士（ポスドク研究員）と王鵬成博士（北京大学第三病院）が共同筆頭著者です。