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Air pollution and brain damage: what the science says
大気汚染と脳障害：科学的見解
疫学的研究により、汚れた空気は認知症やその他の脳障害と関連している。 現在、研究者たちは汚染物質がどのようにダメージを与えるのか、またどの程度の害をもたらすのかを明らかにしようとしている。
リアム・ドリュー
激しいスモッグの中、マスクをして自転車に乗りながら携帯電話で話す女性。
世界中の研究により、汚染された空気は認知症、うつ病、不安神経症、精神病のリスクを高めると報告されている。 クレジット：Damir Sagolj/Reuters
2012年、ニューヨーク州ロチェスター大学のデボラ・コリー＝スレヒタは、「バケツの脳」を受け取った。 同僚が、大学周辺の大気汚染がマウスの心臓や肺にどのような害を及ぼすかを研究しており、コリー＝スレヒタに動物の脳に損傷がないか調べてほしいと依頼してきたのだ。 鉛の神経毒性の専門家として、コーリー＝スレヒタはこう考えたことを覚えている。 大気汚染？ しかし、その脳で見たものは非常に "驚くべきもの "だったと彼女は言う。
大気汚染が脳にどのような害を及ぼすのかに焦点を当てた結果1、コーリー＝スレヒタは孤独な領域に足を踏み入れた。 大気汚染が、粒子状物質、オゾン、その他の有毒ガスの形で、喘息、肺ガン、その他の呼吸器疾患の原因となり、特に粒子状物質が心臓病の原因となることはよく知られている2。 しかし当時は、大気汚染を研究している人で脳に興味を持っている人はほとんどいなかったし、神経科学者で大気汚染に興味を持っている人はさらに少なかったと彼女は言う。 彼女の発表は神経科学の学会ではほとんど注目されなかったので、彼女は学会に出席するのをやめてしまった。
しかし今、この分野の研究が注目されるようになり、世界中で懸念が広がっている3。 研究に次ぐ研究で、大気汚染のレベルが高いほど認知症のリスクが高くなり、うつ病、不安神経症、精神病の発症率も高くなることが示されている4。 研究者たちはまた、自閉症などの神経発達疾患や子どもの認知障害との関連も発見している5。
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2020年、認知症に関する影響力のあるランセット委員会は、大気汚染を認知症の危険因子として認識し6、昨年のフォローアップ報告書7では、大気中の粒子状物質への暴露が「現在、強い懸念と関心を集めている」と述べている。 一方、英国政府の大気汚染物質の医学的影響に関する委員会（Committee on the Medical Effects of Air Pollutants）による2022年の報告書8は、大気汚染と認知症との関連についてさらなる研究を求めている。 同様に、世界保健機関（WHO）の2021年版世界大気質ガイドラインは、大気汚染が若者や老人に及ぼす神経学的影響を研究することの重要性を強調している9。
WHOは、世界人口の99％が推奨レベルを超える汚染にさらされていると推定しており、低・中所得国の多くの都市は特に空気の質が悪い。 しかし、人々がリスクに直面しているのは、メキシコシティやデリーのような巨大都市だけではない。 ロサンゼルスにある南カリフォルニア大学の神経科学者、ミーガン・ハーティングは言う。「公衆衛生上、十分安全だと思われている低レベルの暴露でさえ、脳レベルで何らかの影響を及ぼしているのです」。
インペリアル・カレッジ・ロンドンの環境毒物学者で、2022年英国報告書の共著者であるイアン・マッドウェイは言う。 マッドウェイにとって100万ドルの問題は、"大気汚染の何がこのような影響をもたらしているのか "である。
関連性を調べる
2000年代後半から2010年代初頭にかけてメキシコシティで行われた子供と犬の脳の研究は、大気汚染の神経毒性について最初に警鐘を鳴らしたもののひとつである。 ニューロイメージングによって、この汚染度の高い都市に住む子供たちの多くが、汚染度の低い地域の子供たちよりも、脳の領域をつなぐ白質路に病変があることが明らかになった。 また、他の脳障害の危険因子を持たない都会の子供たちは、認知課題での成績が比較的悪かった10（その他の所見については「問題のあるタンパク質」を参照）。
問題のあるタンパク質： アミロイドβ斑、神経細胞リン酸化タウ蛋白質のもつれ、DNA結合蛋白質TDP-43の前頭錐体側免疫反応など、アルツハイマー病に関連する特徴を示すメキシコシティの都市部に住む子供の脳の組織の例。
出典 L. Calderón-Garcidueñas et al. J. Environ. 公衆衛生 3, 11568 (2021)/(CC-BY-4.0)
公害は、発生源によって異なるガス状成分と粒子状成分の非常に複雑な混合物である。 自動車の排気ガスと工業生産は、様々な大きさの微粒子の主な発生源であり、調理用コンロ、山火事、砂漠の砂塵もその一因である。 燃料の燃焼やその他の発生源は、窒素酸化物や硫黄酸化物、一酸化炭素、オゾンを放出する。 ここ数十年の間に規制によって大気の質が劇的に改善された国々を含む複数の国々で行われた研究では、汚染と特定の脳障害との関連性が発見されている。
英国バイオバンクの38万9000人以上の参加者を対象とした2023年の分析では、大気中の粒子状物質、一酸化窒素、二酸化窒素への長期暴露が、うつ病や不安のレベルの高さと相関することが示された11。 筆頭著者である中国北京大学の環境毒物学者Guoxing Liは、暴露レベルが非常に低くても、これらの症状のリスクが高まることを強調している。
先月、スコットランドの20万人以上の住民を対象とした16年間の研究で、二酸化窒素の累積暴露量が多いほど、精神疾患や行動障害による入院が増加することが明らかになった12。
一方、フランス、米国、中国の研究では、大気の質が改善した地域では、高齢者の認知症、認知機能の低下、うつ病の割合が減少していることが報告されている7。
また、観察研究では、大気汚染と海馬容積の減少など脳の構造的変化との関連も指摘されており、高齢者における認知症リスクの上昇と一致している13。 また、アメリカ全土の数千人の若者の脳の発達過程から得られた神経画像データを用いたハーティングの研究によると、大気汚染は白質路の発達を阻害することが示唆されている。 昨年、彼女の研究チームは、大気汚染への曝露が増加すると、脳領域間のコミュニケーションが変化するようだと報告した14。
しかし、このような研究は、まだ明確な損傷パターンに収束していない、とハーティングは言う。 彼女は、発達段階における暴露のタイミングが脆弱性を形成するのではないかと考えている。
大気汚染と脳へのダメージを結びつける証拠はたくさんあるが、観察研究だけでは明確な原因を突き止めるのは難しいと研究者たちは言う。 例えば、最も質の悪い空気を吸っていることが多い貧困地域の人々は、高所得地域の人々に比べて、脳障害の危険因子、ストレス、教育水準の低さ、肥満などをより多く持っている可能性が高い。 また、既存の研究の多くは、人々の職業やライフスタイルが暴露をどのように形成するかを考慮することなく、居住地の住所に基づいて暴露量を推定している。
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人々が呼吸する汚染物質の種類が重要であることはほぼ間違いないと研究者は言う。 標準的な大気質の測定は、ガス状の一次成分と、直径が10マイクロメートル（PM10）または2.5マイクロメートル（PM2.5）以下の粒子状物質のレベルに基づいている。 しかし、空気中の粒子には、単純な塩から無数の猛毒化合物まで、場所によって異なるさまざまな化学物質が含まれている。 「マッドウェイは言う。「すべての粒子は等しく有毒であるとして扱われていますが、それらは空気中のあらゆる化学物質（何十万もの化学物質）のバイキングなのです」。
さらに、超微粒子は日常的にモニターされていない、とコーリー＝スレヒタは指摘する。 しかし、100ナノメートル以下の粒子は、空気中に浮遊する粒子の中で最も化学反応性が高く、体や脳に最も浸透しやすいと彼女は言う。
マッドウェイによれば、このようなモニタリングデータのギャップがなくても、多くの汚染物質を吸入している人々の観察研究では、原因となる化学物質を分離してメカニズム的な理解を得ることはできないという。 心血管疾患は認知症の危険因子として知られている。 つまり、大気汚染が心臓や血管に与えるダメージは、もうひとつの交絡因子なのだ。 「それを解明する唯一の方法は実験です」とマッドウェイは言う。
実験室へ
実験室での研究は、例えば、管理された条件下で、実際の大気汚染物質のカクテルが脳に害を及ぼすことを示すことができる。 コーリー・スレヒタは2012年、大学周辺の空気を吸ったマウスとろ過された空気を吸ったマウスの脳を比較した。 その後、彼女の研究室で行われた研究によると、母親の呼吸による胎内を含む発育期に超微粒子にさらされたマウスは、白質路と脳室が拡大した15。 発育期に被曝したマウスは、より大きな衝動性と短期記憶障害を示すようになった。
このような脳の物理的変化は、自閉症や統合失調症などの神経発達症の患者と部分的に重なっている。 高齢の動物では、大気汚染はアルツハイマー病に関連するアミロイドやタウ蛋白質の沈着を促進するようである。 他の動物実験でも、解剖学的、細胞レベル、分子レベルでのダメージが見つかっている。
黒い背景に5つの脳スキャンが示されている。
脳スキャンでは、生後1年間により高いレベルの交通汚染にさらされた子どもたちの皮質の厚さが減少している領域（色のついた領域）が示されている。Credit: T. Beckwith et al./PLoS ONE (CC-BY-4.0)
ダメージの兆候は研究によって異なるが、南カリフォルニア大学で老化を研究しているケイレブ・フィンチは、「それは炎症反応です」と一つの共通した面があると言う。 彼の研究室や他の研究室の研究によれば、炎症反応を媒介する遺伝子のスイッチがオンになり、炎症に関連するメッセンジャーがより豊富になり、酸化ストレスの兆候が見られ、ダメージを感知してニューロンを保護するミクログリア細胞が活性化する。 脳細胞のあらゆる主要なクラスが影響を受けている、とフィンチは言う。
