産 業 医 学 Jpn J Ind Health, 1994; 36: 421-427
原 著
溶 解 パ ラ メ-タ(δ)に
よ る化 学 物 質 の 哺 乳 動 物 に
対 す る急 性 毒 性(LD50)の
解 析
(2)マ
ウ ス の 急 性 経 口 毒 性
西
村
浩*,斎
藤
昇
二*,岸
田 文
雄*,松
尾
昌 季*
ANALYSIS OF ACUTE TOXICITY (LD50-VALUE) OF ORGANIC CHEMICALS TO MAMMALS BY SOLUBILITY PARAMETER (ƒÂ)
(2) Acute Oral Toxicity to Mice
Hiroshi NISHIMURA,* Shoji SAITO,* Fumio KISHIDA* and Masatoshi MATSUO*
Acute oral toxicity (LD50-value) of organic chemicals to mice was analyzed by using solubility parameter (ƒÂc), a thermodynamic parameter, of the chemicals. As it was observed in the previous study with rats, parabolic correlations were established between logarithm of LD50-value (mmol/kg body weight, mice) and ƒÂc of all the collected chemicals (n=85, R=0.626), alcohols (n=10, R= 0.683), ketones (n=7, R=0.631) and aromatics (n=62, R=0.645). Introducing molar volume (Vc) to the above equations did not improve the correlations. Although statistically significant correlations were not found in alcohols and ketones with mice, we successfully assured the theo retical equation regardless of species difference by establishing significant correlations with all the collected chemicals and aromatics. By analysis, we could determine the solubility parameter of 2.27•~104 (J/m3)1/2 for the biological membrane (absorption site) of mice. As the ƒÂc-values which dip the LD50-values are approximately the same for mice and rats, common deleterious effects and mechanism may be working at common target sites. In addition, no species difference in sensitivity
(toxicity) was found for the aromatics. For comparison, log P was used to describe LD50 of all the collected chemicals, but no correlation was established (R=0.004-0.418).
Key words: structure-activity relationship; lethal dose 50; administration, oral; toxicity; solu bility parameter I.緒 言 前報1)に お いて,我 々は哺乳 動 物 に お け る 急 性毒 性 (死亡)は,生 体膜 を通 して生 体 内 に取 り込 まれ た化 学 物 質が生 体 の恒 常性 を撹 乱 す る こ とに よって お こ る(単 純 毒性)と 仮定 し,熱 力学 的 パ ラ メー タの1つ であ る溶 解 パ ラ メータ(δc)を 用 い てLD50値 を定 量 的 に記述 す る理論式 を 導 いた,本 研 究 にお い て も,マ ウス の急 性経 口投与 にお け る死亡 を単 純 毒性 の延 長 上 に ある もの と し て捉 え,こ れ の化学 物 質 の生体 膜 に対 す る溶 解 し 易 さ (溶解 パ ラ メー タ, δc)を記述 子 とす る理 論式 へ の適 合性 につ い て検討 し,種 を超 えた上 記 理論 の成 立 を検 した. 併 せ て ラ ッ ト,マ ウス 間 の種差 につ いて も二,三 の考察 を試 みた. II.理 論 前報1)同 様 に,非 特 異的 な化 学 物質 の急性 毒 性 は,こ れ が短 期 間 に生 体 内に取 り込 まれ,生 体 の恒 常性 を撹 乱 す る こ とに よって起 こ ると考 えた,こ の際,こ れ らの 化 学 物 質 が生体 の恒常 性 を撹 乱す る濃 度 は化学 物 質 に よ ら ずほ ぼ一 定 と考 え る と,化 学 物質 の生 体 膜へ の溶解 度 か ら急 性毒 性値 を記述 す る次 の式 が展 開 で きる. * 住友化学工業株式会社生物環境科学研究所 平成5年12月16日 受付
* Environmental Health Science Laboratory Sumi tomo Chemical Co. Ltd.
422 産 業 医 学36巻, Jpn J Ind Health, Vol. 36, 1994 log LD50=α1δc2+α2δc+α3 (1) α1(>0), α2, α3:定 数 ま た,式(1)でVc(≠ 一 定)を 考 慮 し た 場 合 に は 式 (2)の よ うに な る. log LD50=b1+b2Vc(δc-b3)2 (2) b1, b2(>0), b3:定 数 前 報1)同 様 に,本 研 究 で は こ の 式(1), (2)を 用 い て 議 論 を 進 め る. III.材 料 と 方 法 1.化 学 物 質 以 下 の 毒 性 デ ー タ お よ び 物 性 デ ー タ を 共 に 有 す る 有 機 化 学 物 質(n=85)(Table 1). 2.毒 性 デ ー タ マ ウ ス の 経 口 投 与 に よ るLD50値(mg/kg体 重 (BW)):シ グマ ア ル ド リ ッチ 化 学 物 質 安 全 デ ー タ 集2)お よ びRTECS3)(STN-online, July, 1993)に 収 録 さ れ た も の.系 統,性,齢 お よび 使 用 溶 媒(vehicle)の 記 載 は な い. 3.物 性 デ ー タ 溶 解 パ ラ メ ー タ(δc(J/m3)1/2): PCパ ッ ケ ー ジ 版 DIPPRデ ー タ ベ ー ズ(Design Institute for Physical Property Data, American Institute of Chemical
Engineers(AIChE); November, 1986)に 収 録 され た も の.な お,数 値 に つ い て はSTN-online版, DIPPR デ ー タ ベ ー ス4)を 再 調 査 し,更 新 さ れ て い る も の に つ い て は 最 新 の 値 を,ま た,複 数 の 値 が 表 示 さ れ て い る も の に つ い て は デ ー タ ベ ー ス 作 製 元(AIChE)が 容 認 し た 値 を 採 用 した. 分 子 容(Vcm3/kmol): STN-online版DIPPRデ ー タ ベ ー ス4)に 収 録 さ れ た も の.
分 配 係 数(log P): CLOGP(C-QSAR, ver. 1.85, BioByte corp.)を 用 い, log Pの 実 測 値 の 調 査 お よ び 構
造 か ら の 推 算 を 行 った. 4.デ ー タ ベ ー ス 化 上 記 化 学 物 質(n=85)に つ い てKAMELO(Ver. 2.3, Fujitsu, Tokyo)に 構 造,化 学 物 質 名,分 子 量, δc(×104(J/m3)1/2), Vc(×10-2m3/kmol)お よ び マ ウ ス のLD50値(mg/kg BW)を 入 力 し,デ ー タ ベ ー ス 化 した. 5.解 析 お よ び 検 定 (1)解 析 に 供 し た 化 学 物 質 上 記85種 の 化 学 物 質 を 全 体 と して 解 析 に 供 した.こ れ ら は さ ら に 部 分 構 造 検 索 機 能(KAMELO)を 用 い て, ア ル コ ー ル(n=10),ケ トン(n=7),芳 香 族(n=62) に 分 類 し(Table 1),同 じ く解 析 に 供 し た.な お,ア ル デ ヒ ド(n=3)お よ び エ 「 テ ル(n=3)に つ い て は 物 質 数 が 少 な か っ た た め 解 析 を 実 施 し な か っ た. (2)δcに よ るLD50(mmol/kg BW)の 解 析 85種 の 化 学 物 質 お よび 化 学 物 質 群(Table 1)に つ い て 重 回 帰 分 析 プ ロ グ ラ ム(KAMELO)を 用 い てLD50の 対 数 値 を δcの 二 次 式(式(1))で 分 析 した.な お,二
次 の 曲 線 はSigma Plot(Ver. 4.0, Jandel Science, San Rafael)を 用 い て 表 した.ま た, R(重 相 関 係 数), s(回 帰 の 標 準 誤 差)お よ びF-値 はKAMELOの 統 計 量 を 利 用 して 算 出 し, F-値 に つ い て はF-表5)と 比 較 し た.な お, LD50はmmol/kgBWに 換 算 して 使 用 した. ラ ッ トお よび マ ウ ス に お け る二 次 の 回 帰 式 の 係 数 の 比 較 に つ い て は,傾 斜 お よ び 高 さ の 検 定5)(F-検 定)を 実 施 し た. (3)δcとVcに よ るLD50(mmol/kgBW)の 解 析 85種 の 化 学 物 質 お よ び 化 学 物 質 群(Table 1)に つ い てSigma Plotのnon-linear curve fitting機 能
(Marquardt-Lebenberg Argorithm)を 用 い て 式(2) へ の 適 合 性 を み た. R, sお よびF-値 はKAMELOの 統 計 量 を 利 用 して 算 出 し, F-値 に つ い て はF-表5)と 比 較 し た. (4)log Pに よ るLD50(mmol/kgBW)の 解 析 85種 の 化 学 物 質(Table 1)に つ い て 前 報1)と 同 様 の 手 法 でlog Pの 一 次 式,二 次 式 お よ びbilinearモ デ ル6) (C-QSAR, ver. 1.85)へ の 適 合 を 試 み た. IV.結 果 1.δcに よ るLD50(mmol/kg BW)の 解 析 (1)全 化 学 物 質 85種 の 化 学 物 質(Table 1)に つ い て 解 析 を 行 っ た. LD50の 対 数 値 と δcの 問 に 有 意 な 二 次 の 相 関(R= 0.626)が 認 め ら れ た(Fig.1). (2)ア ル コ ー ル 10物 質(Table 1)に つ い て 解 析 を 行 った. LD50の 対 数 値 と δcの 間 に は ゆ る や か な 二 次 の 相 関(R=0.683) が 認 め ら れ た.な お,分 岐 状 の2物 質 を 除 い た 場 合 の 相 関 係 数 は0.701で あ っ た.し か し,い ず れ の 場 合 も統 計 的 に は 有 意 な 相 関 で は な か っ た. (3)ケ トン 7物 質(Table 1)に つ い て 解 析 を行 っ た. LD50の 対 数 値 と δcの 間 に ゆ る や か な 二 次 の 相 関(R=0.631)が 認 め ら れ た が,統 計 的 に は 有 意 で は な か っ た. (4)芳 香 族 62物 質(Table 1)に つ い て 解 析 を 行 っ た. LD50の 対 数 値 と δcの 間 に 有 意 な 相 関 関 係(R=0.645)が 認 め ら
西 村 ほか:溶 解 パ ラ メー タ(δ)に よる化 学 物 質の 哺乳 動 物 に対 す る急 性 毒性(LD50)の 解 析 423
Table 1. Name, molecular weight, solubility parameter, molar volume, log P and LD50 value of 85 chemicals used in the study.
424 産 業 医 学 36巻, Jpn J Ind Health, Vol. 36, 1994
西村 ほ か:溶 解 パ ラ メー タ(δ)に よる化 学 物質 の哺 乳動 物 に対 す る急 性 毒 性(LD50)の 解析 425
Table 1. (continued)
Fig. 1. Correlation between So and log LD50 (Mice Oral) of 85 chemicals. Dotted lines show•}
95% confidence limits. log LD50=3.32 ƒÂc2-15.1ƒÂc+17.8 (3) [n=85, s=0.445, R=0.626, F=26.4*> F(2,82, ƒ¿=0.01)] れ た(Fig. 2). 2.δcとVcに よ るLD50(mmol/kg BW)の 解 析 85種 の 化 学 物 質 お よび3個 の化 学 物 質 群(Table 1) に つ い て 式(2)へ の適 合 を 試 み た.有 意 な 関 係 式 を 以 下 に 示 す. (1)全 化 学 物 質 log LD50=0.150 Vc(δc-2.23)2+0.891 (5) [n=85, s=0.515, R=0.450, F=6.87*> F(3, 81, α=0.01)] (2)芳 香 族 log LD50=0.847 Vc(δc-2.41)2+0.701 (6) [n=62, s=0.430, R=0.554, F=8.57*〉
Fig. 2. Correlation between ƒÂc and log LD50 (Mice Oral) of 62 aromatics. Dotted lines
show •}95% confidence limits.
log LD50=2.490ƒÂ2-11.85.+14.5 (4) [n=62, s=0.398, R=0.645, F=21.0*> F(2, 59,ƒ¿=0.01)] F(3, 58, α=0.01)] 3. log Pに よ るLD50(mmol/kg BW)の 解 析 85種 の 化 学 物 質(Table 1)に つ い て 前 報1)と 同 様 に log Pの 一 次 式,二 次 式 お よ びbilinearモ デ ル へ の 適 合 を 試 み た.そ の 結 果 を 以 下 に 示 す. log LD50=0.00157log P+1.07 (7) [n=85, s=0.577, R=0.004]
log LD50=0.0387(log P)2-0.246log P+1.34 [n=85, s=0.547, R=0.300] (8) log LD50=-0.924log P+1.04log(0.148P+1)
+1.52 (9)
426 産 業 医 学 36巻, Jpn J Ind Health, Vol. 36, 1994
Fig. 3. Comparison of the established regres
sion curves between mice (dashed line) and
rats (solid line) for all chemicals.
V.考 察 わ れ わ れ は,前 報1)で 非 特 異 的 な 化 学 物 質 の 経 口投 与 に よ る ラ ッ トの 急 性 毒 性(LD50)は,化 学 物 質 の 生 体 膜 (消 化 管 壁,標 的 臓 器 な ど)へ の 溶 け 易 さ(溶 解 パ ラ メ ー タ)に 依 存 す る こ と を 報 告 した.本 報 告 で は こ の 理 論 は 種 に よ らず 成 立 し,マ ウ ス の経 口投 与 に よ る急 性 毒 性 に つ い て も溶 解 パ ラ メ ー タ を 記 述 子 と す る 式 が 導 け る と考 え た. δcお よ びLD50値 を 共 に 有 す る85種 の 化 学 物 質 は 解 析 式(3)に み ら れ る よ う に δcが2.27×104(J/m3)1/2 (=-α2/2α1)の と き にLD50の 値 が 最 小 と な り,理 論 式 (1)に 有 意 に 適 合 した(R=0.626).ま た,式(4)に み ら れ る よ うに,同 族 体 の うち 芳 香 族 の 場 合 に も,理 論 式 (1)に 有 意 に 適 合 し(R=0.645), δcが2.37×104(J/ m3)1/2の と き にLD50の 対 数 値 が 最 小 と な っ た.一 方, 解 析 に 供 した そ の 他 の 同 族 体(ア ル コ ー ル,ケ トン)で は こ の 理 論 式 に 統 計 的 に は 有 意 に 適 合 し な か った が,ゆ る や か な 相 関 性(そ れ ぞ れR=0,683お よ び0.631)が み られ,同 様 に そ れ ぞ れ δc=1.78お よび1.69×104(J/ m3)1/2の と き にLD50の 対 数 値 が 最 小 と な っ た.す な わ ち,同 族 体 間 で は 理 論 式 か ら決 定 さ れ る δmの 値 に,同 族 体 に 適 した 値 が 存 在 す る こ と も前 報1)同 様 で あ っ た. 85種 の 全 化 学 物 質, n-ア ル キ ル ア ル コ ー ル,ケ トン お よ び 芳 香 族 の マ ウス 経 口投 与 で の δmは ラ ッ ト経 口投 与 の δm(そ れ ぞ れ2.30, 2.27, 1.77お よび2.34)に 非 常 に 近 い 値(そ れ ぞ れ2.27, 1.92, 1.69お よび2.37)を と っ た.特 に,い ず れ も 有 意 な 適 合 性 の み ら れ た, 85種 の 全 化 学 物 質 お よ び 芳 香 族 の 解 析 群 で,マ ウス に け る
Fig.4.
Comparison of the established regres
sion curves between mice (dashed line) and
rats (solid line) for aromatics.
LD50の 対 数 値 と δcの 関 係 式 を,ラ ッ トに お け る 関 係 式1)と 比 較 す る とFig. 3, 4の よ う に 極 め て 良 く似 た 傾 向 が 認 め られ た.す な わ ち,用 い た 化 学 物 質 は マ ウ ス と ラ ッ トで 必 ず し も一 致 した も の で は な く(本 報 告 で 用 い た 94%は ラ ッ ト1)で も使 用),か つ,そ れ ぞ れ 用 い た 全 化 学 物 質 内(Fig. 3)で は2次 の 回 帰 式 に お け るLD50の 最 小 値 が マ ウ ス で 小 さ く,δcの2次 の 係 数 が ラ ッ トで 小 さ い た め,回 帰 式 は 統 計 的 に 同 等 で は な か っ た が,放 物 線 の 軸(δm)は 非 常 に 近 い 値 を と っ た.一 方,こ れ ら の6 ∼7割 を 占 め る 芳 香 族(Fig. 4)の み に 限 る と これ らの 差 は ほ と ん ど な く, 2曲 線 は ほ ぼ 完 全 に 重 な り合 っ た(傾 斜: F=0.0539<F(2,140,α=0.05),高 さ: F=0.893< F(1,142,α=0.05)).す な わ ち,用 い た 化 学 物 質,特 に 芳 香 族 で はLD50の 対 数 値 は 種 を 超 え て δcを 記 述 子 と す る理 論 式(1)に 適 合 す る ば か りで な く,放 物 線 の軸 が ほ ぼ 等 しい こ とか ら,動 物 種 を 超 え て 共 通 の 標 的 部 位 に お い て 共 通 の メ カ ニ ズ ム に よ っ て 毒 性 発 現 す る可 能 性 を 示 す も の と考 え ら れ た.ま た,芳 香 族 で は,マ ウ ス,ラ ッ トの 回 帰 式 が 重 な る こ と か ら,感 受 性 に つ い て も種 差 が な い も の と考 え ら れ た. 式(1)にVcを 考 慮 し た 理 論 式(2)へ の適 合 を 試 み た が,前 報1)に も 示 した と お り, δcは(Ec/Vc)1/2で 定 義 さ れ,既 に 式 中 に 考 慮 され て い る こ と,お よ びVcの 値 が お よそ0.1∼0.2m3/kmolで 化 学 物 質 に よ り大 き く変 化 し な い こ とか ら,用 い た 全 化 学 物 質(式(5)),芳 香 族(式(6)),ア ル コ ー ル(n=10, s=0.476, R=0.655), ケ ト ン(n=7, s=0.300, R=0.657)の い ず れ で もVcの 導 入 に よ る 相 関 係 数,適 合 性(F-値)の 改 善 は み られ な
西村 ほか:溶 解 パ ラ メ ータ(δ)に よる化 学 物 質 の哺 乳動 物 に対 す る急 性 毒性(LD50)の 解 析 427 か っ た.な お,比 較 の た めQSAR分 野 で 汎 用 さ れ る log Pに よ り,用 い た 全 化 学 物 質 のLD50値 の 記 述 を 試 み た が,相 関 性 は な か っ た(R=0.004∼0.418). 文 献 1) 西 村 浩,斎 藤 昇 二,岸 田 文 雄,松 尾 昌 季.溶 解 パ ラ メ ー タ(δc)に よ る 化 学 物 質 の 哺 乳 動 物 に 対 す る 急 性 毒 性 (LD50)の 解 析(1)ラ ッ トの 急 性 経 口毒 性.産 業 医 学1994; 36: 314-323.
2) Lenga RE ed. The Sigma-Aldrich Library of chemical safety data. ed 2. Sigma-Aldrich Cor
potation, Wisconsin, 1988.
3) NIOSH. Registry of Toxic Effects of Chemical Substances. STN International Online, Karalsruhe/ Columbus/Tokyo, 1993.
4) AIChE. DIPPR. STN International Online, Karalsruhe/Columbus/Tokyo, 1993.
5) Snedegor GW, Cochran WG. Statistical methods. 6th edition. Ames: Iowa State University Press, 1967.
6) Kubinyi H, Kehrhahn OH. Quantitative struc ture-activity relationships. VI. Nonlinear depen dence of biological activity on hydrophobic character: Calculation procedures for the bilinear model. Arzneim-Forsch 1978; 28: 598-601.
著 者 へ の 通 信 先:西 村 浩, 〒554大 阪 市 此 花 区 春 日 出 中3-1-98 住 友 化 学 工 業 株 式 会 社 生 物 環 境 科 学 研 究 所 Reprint requests to Environmental Health Science Laboratory, SumitomoChemi
cal Co. Ltd., 3-1-98, Kasugade-naka, Konohana-ku, Osaka554, Japan (H. Nishimura)