ACSバイオマテリアルズ サイエンス & エンジニアリング”ACS Biomaterials SCIENCE & ENGINEERING”
Priyanka Ganguly⁑⁂, Ailish Breen⁑⁂, and Suresh C. Pillai*⁑⁂
⁑スライゴ工科大学理学部環境科学科ナノテクノロジー・生体工学研究グループ（アイルランド、スライゴ F91 YW50、アッシュレーン
⁂スライゴ工科大学精密工学・材料・製造研究センター（PEM）（アイルランド、スライゴ F91 YW50、アッシュレーン

概要：過去数十年の間に，消費者向け製品における製造品の生産とナノ材料の使用が増加している。これらの人工製品のナノ毒性学または毒性評価は、起こりうる有害作用と人体内の運命を理解するために必要である。本総説は、ナノ毒性に関する最先端の理解を目的とした総合的な評価である。様々な種類の細胞死を要約し、また、様々な種類の毒性について、その研究とともに論じている。また、細胞に与える生理的影響（活性酸素の発生とそれに伴う酸化ストレス、炎症、その他の非酸化経路）についても論じている。さらに、細胞毒性特性を支配するナノ材料のさまざまな物理化学的特性（サイズ、形態、表面電荷、コーティング）についても議論している。また、ナノ材料の細胞への取り込みの主要な経路とその結果についても詳述している。さらに、ヒトがナノ材料に暴露する可能性のある方法（皮膚、呼吸器、胃腸管、血液脳関門、肝臓、脾臓）についても論じている。さらに、あらゆる種類の分析法（細胞毒性、細胞増殖、遺伝毒性分析法）について、新たなセクションを設けて議論している。ナノ材料（金属、金属酸化物、カーボンナノチューブ、グラフェン、その他の新材料）の生体外 "in vitro"、コンピュータシミュレーション上 "in silico"、生体内 "in vivo"試験に関する最近の進歩についてまとめている。また、ナノマテリアルの取り扱いに関する安全ガイドラインについても簡単に説明されている。最後に、商業製品における人工ナノ材料の用途について詳しく説明する。
キーワード：細胞内取り込み機構、生理的エンドポイント、毒性学、ナノ毒性学、人体暴露、二次元積層材料

■　はじめに
現在の状況では、ナノマテリアル（NM）の成分を含まない製造品は非常にまれである$${^1^,^2}$$。NMは、通常100 nm未満の寸法の材料で、図1はさまざまな材料のサイズプロファイルの概要を示している$${^3^,^4}$$。有名な物理学者であるリチャード・ファインマンは、ダイオードが発見されるずっと前に、ピンの頭にブリタニカ百科事典の全巻を書き込むことを想像し、量子の世界を思い描いていた$${^5}$$。それ以来、分析ツールや実験プロセスの開発により、そうした量子の世界を構築するための武器が提供されるようになった$${^6}$$。

　すべての生体は、何らかの形で常にナノマテリアルのような異物（ゼノバイオティクス）にさらされている$${^8}$$。ナノ材料を組み込んだ製造製品の使用量は、過去10年間で急激に増加し、2020年には58,000トンまで増加すると考えられている$${^9^,^10}$$。これらのナノ材料産業のブームは、米国政府が2016-2017会計年度に投資した金額からも想像できる。$${^11^,^12}$$ National Nanotechnology Initiative（NNI）は、地球におけるナノ粒子（NP）の輸送と生活環を理解し、それによって人や環境への影響を評価する研究プロジェクトに14億ドルを支出しようと計画している」。$${^13^,^14}$$
　あらゆる次元（0D、1D、2D、3D）のナノ材料は、地下水浄化のための金属ナノ粒子の使用、酸化鉄ナノ粒子によるヒ素除去と地下水処理、日焼け止めと塗料のためのチタニアナノ粒子、テニスラケットのためのフラーレンナノチューブなど、さまざまな用途で広範囲に使用されている。ビデオスクリーン、電子産業におけるシリカナノ粒子、木材、プラスチック、繊維の紫外線を遮蔽する工業用コーティング剤としての酸化亜鉛ナノ粒子、抗菌剤としての銀ナノ粒子、燃料電池の電極としてのグラフェンとカーボンナノ粒子の使用、など（図 2）,$${^10^,15^-^29}$$

　ナノ材料に関連するあらゆる誇大広告とは別に、ナノ材料の生物に対する物理化学的影響については、明確な曖昧さが残っている。$${^30^,^31}$$ ナノ材料の環境に対する影響を分析することは、ナノ材料のサイズ、形状、表面特性、電荷などの複雑な要素に依存するため、非常に困難です。32-36 しかし、他の汚染物質と同様に、環境への影響は、その物理化学的特性に依存し、それが移動および伝達する際に周囲に影響を及ぼします。しかし、生体への影響に関する科学的な理解は置き去りにされている。ナノマテリアルのたった一つのバリエーションが、その挙動を完全に変化させ、生体細胞に影響を与える様式も同様である。最先端の毒性評価法があっても、常に進化する材料合成プロセスや複雑な材料チャーアライゼーションは、大きな課題となっています。喘息、皮膚炎、鼻炎、胸膜、間質性肺疾患、肺汚染、結核、呼吸器塞栓症、胸部悪性腫瘍、肺成長、免疫系疾患などの疾患を引き起こすナノ材料の影響を示す研究も存在する。したがって、ナノ材料毒性学（ナノトキシコロジー）の究極の理解は、この現在のシナリオでは必須である。ナノ毒性を体系的に理解することは、研究者が環境に優しい材料を選び、環境と人間の健康に関連する信頼できるリスクを軽減するための研究の優先順位を決めるのに役立つ。$${^37^,^40^,^41}$$
　毒性評価のための多様なタイプの分析法のみを詳述したレビューや、異なるナノ材料の毒性研究のみを論じた論文は、ここ数十年で広く出版されている。しかし、本総説は、ナノ毒性学のすべての可能な次元の概観を提供することを目的としている。また、ナノ毒性研究の過去、現在、および見通しについて、新しい研究者に全体的な洞察を提供することを目的としている。様々な種類の細胞死と毒性について論じている。また、ナノ材料の物理化学的特性や細胞への物理的影響に影響を与える要因についても簡単に触れている。また、人体へのナノマテリアルの曝露経路と、細胞内への取り込み経路の可能性についてもまとめている。また、多様な毒性試験法についても取り上げている。また、ナノ材料の生体外 "in vitro" および生体内 "in vivo" 毒性試験の最近の進歩についての説明もある。最後に、ナノマテリアルの取り扱いに関する安全ガイドラインと、人工ナノマテリアルを利用した商業製品について簡単に説明する。

■　ナノ毒性学とは何か？
ナノ毒性学という言葉は、一般の人々には警戒心を抱かせるかもしれない。しかし、ナノ材料によって引き起こされる毒性に関する知識のギャップに対処する、毒物学のやや新しい分野である。Donaldson らは、この新しい毒性学は、ナノ材料によって誘発される毒性にアクセスするためのプロトコルを導入するものであると述べている。この分野には、ヒトおよび環境における毒性評価のための、ナノ材料の物理化学的効果およびその曝露経路/取り込みメカニズムの基本的な理解が含まれる。$${^49}$$ 毒性評価は新しい話題ではないかもしれないが、ナノ材料を迅速に使用することにより、ナノ毒性評価へのパラダイムがシフトしている。彼らは、より新しいレビューで、ナノバイオエコインターフェースの重要性を論じている。ナノ材料が環境中に放出されると、最終的にこれらの材料の毒性プロファイルを増加または減少させる可能性のある修飾を受ける可能性があります。したがって、環境のダイナミクスは、ナノ材料の運命に不確実性をもたらす。$${^14}$$ 　図 3 は、ナノバイオエコ界面に至るさまざまな経路の概略を示したものである。

　細胞の成長段階： 細胞に対する細胞毒性効果を理解するためには、細胞の成長段階を理解することが不可欠である。標準増殖速度曲線は、異なる細胞株の増殖機構を理解するために非常に重要なものである。この成長速度曲線は、細胞毒性効果の違いを推定し、時間や質量による細胞の成長を評価するのに大いに役立つ。成長速度曲線は、細胞数の時間に対する対数として定義される。ラグ期、対数期、定常期、死滅期の4つの基本的な成長段階が存在する（図4）$${^50^-^52}$$。

　ラグ期：新しい細胞の増殖が起きない段階。この段階では、細胞は生殖活動のための酵素を合成するために、高い代謝作用を経験する。細胞は新鮮な環境を利用するために必要な適応を行う。また、定常期に生じた高分子の障害も修復される。$${^52^-^54}$$
　対数段階：この段階は別称、指数関数的な発達段階と呼ばれている。この段階では、代謝作用は安定したままでありながら、新しい細胞の増殖または伝搬が指数関数的に増加し、明白な期間内に最大成長率（μm）に達する（λ）。この段階の細胞は非常に敏感なので、放射線、$${^52^-^54}$$ 薬物、ナノ材料など、あらゆる種類の干渉が細胞の成長を害する可能性がある。
　定常期：この段階では、成長速度が減速し、同時に細胞の代謝活動も平衡レベルに達する。成長速度は細胞の死滅の増加によって制御される。したがって、この段階では、細胞の総増殖は定常点に達し、曲線は漸近線に達する（A）$${^52^-^54}$$。
　死滅期：新しい細胞の発生は、この段階での細胞の死滅に追い越される。細胞の死は、すべての細胞が完全に減少するまで続く。

　様々な種類の細胞死。　
ナノ毒性研究の文脈を理解するために、本セクションでは、哺乳類の細胞死のいくつかのタイプについて簡単に説明することを目的としている。細胞死は正常な細胞現象であり、生体が規則正しい代謝活動を行うために機能している。しかし、病気は、適度な数の細胞が死ぬか、あるいは大量に死ぬことが引き金となって発生する。哺乳類細胞の形態を考慮すると、細胞死機構は、アポトーシス、オートファジー、ネクローシスの3種類に分けられる$${^55}$$。
　アポトーシス：アポトーシスは、タイプ-1細胞死と呼ばれ、様々な種類の細胞生存シグナルによって制御されている。シグナルが欠落したり、これらの細胞生存シグナルが突然停止したりすると、しばしばアポトーシスが誘発される。アポトーシスが活性化されると、カスパーゼと呼ばれる細胞内プロテアーゼが活性化される。哺乳類の体内には、14種類のカスパーゼが存在することが知られている。これらのプロテアーゼは、細胞死機構をさらに刺激する一連の活動を開始する。例えば、カスパーゼ3は、DNAや核物質を破壊するDNaseであるCAD/DFF40を開始させる。この種の細胞死の特徴は、核形態の抹消、クロマチンの凝縮、崩壊、アポトーシス体や断片の発生である（図5）$${^56^-^60}$$。

　オートファジー： オートファジーは、細胞内分解システムで、別称2型細胞死と呼ばれている。細胞内に二重膜が形成されることで表現される（図6）。これは、特殊な分解機構ではないが、いくつかの病態生理的意義を持つ。例えば、飢餓適応、細胞内タンパク質およびオルガネラのクリアランス、微生物の排除、細胞死、腫瘍抑制、抗原提示などである。$${^62^,^63}$$ 細胞分裂、分化、あるいは様々な外的ストレスの際に生じる細胞内の栄養飢餓は、オートファジーを誘発する主要な理由の一つである。このプロセスは、オートファゴソームと呼ばれる液胞を含む二層膜の形成によって開始される。オートファゴソームは細胞質物質を取り込み、さらにリゾソームと融合してオートファゴリソソームを形成し、分解を引き起こす。高分子の分解後、単量体単位はさらに細胞質で再利用される$${^64^-^67}$$。

　ネクローシス：第3種の細胞死現象は、物理的な化学的不安の結果であり、不注意で制御不能な細胞死と呼ばれることが多い（図7）。核の不可逆的変化（核分裂、パイクノーシス、核破裂）と細胞質の不可逆的変化（凝縮と強い好酸球増加、構造の破裂、崩壊）により始まる。
壊死と細胞死は同じ特異点ではなく、細胞構造の壊死性変化は細胞死後12～20時間まで検出できないため、壊死を適切な細胞死システムと呼ぶことはできない。$${^69}$$ しかし、他の2種類の細胞死は、ネクローシスのプロセスを開始する。ネクローシスは、細胞質の膨張、小器官の拡張、細胞空胞化、細胞膜の破裂を特徴とし、これにより細胞内内容物の炎症性流出が生じる。細胞質内の内容物が流出すると、周囲の細胞にもダメージを与える $${^70^,^71}$$

　毒性の種類 生分解。
　生分解：生分解 は、自然の複雑な粒子をより単純な物質に分解する生物学的触媒作用の手順である（図8）。微生物が、複雑な有機化合物をより単純な生成物に分解するプロセスに関与している。生分解は、バイオミネラリゼーションとバイオトランスフォーメーションの2つに分類される。バイオミネラリゼーションでは、複雑な有機化合物がより単純な無機分子（二酸化炭素、水など）に分解されるのに対し、バイオトランスフォーメーションでは、化合物は不完全な分解を受け、より単純な化合物（自然界では毒性があるかないか）と無機分子に変化する。そのため、生分解された化合物は、毒性を持たない化合物からより強い毒性を持つ化合物に変化する。従って、生分解は環境中に毒性をもたらす有力な経路の一つである。生分解された化合物は、しばしば地球上で凝集し、いくつかの生物の正常な酵素能力を台無しにしてしまう$${^73^,^74}$$。
　生物濃縮：食物や体表を経由して生体内に異種物質が取り込まれることを生体濃縮といい、その結果、食物連鎖の高次に存在する生物に異物が交換されることを生体凝集という（図8）$${^75}$$。生物濃縮の考え方は、DDT（ジクロロジフェニルトリクロロエタン）の理想的な事例を用いることで最もよく説明することができる。DDTは半減期15年の農薬として広く知られており、100年経っても完全に分解されることはない。DDTの生体内変換により、より毒性の強い物質が生成されることが多く、これらの物質の分解はかなり急である。その結果、土壌や水源に蓄積される。微生物や魚などの生物は、これらの化学物質を吸収または取り込み、食物連鎖の上位に位置する生物に移行していきます。したがって、生物濃縮は、環境中の毒性を誘発するもう一つの様式である$${^77^,^78}$$。
　 遺伝毒性：細胞の遺伝物質に破壊を引き起こす毒性を遺伝毒性という（図8）。" 細胞内の遺伝物質の完全性に損傷を与える物質は、遺伝毒性物質として知られている。遺伝毒性は、細胞の核の内部に様々な問題を誘発する。DNAの複製、欠失、色覚異常など、DNAの突然変異を引き起こす可能性がある。DNAの損傷は、細胞の悪性転換につながる可能性があり、少数の例では、生殖細胞内に異常を引き起こし、糖尿病、嚢胞性線維症、鎌状赤血球貧血、血友病などの遺伝性疾患につながる可能性がある。様々な物質のリスクを推定し、アクセスするために、様々な生体内 "in vivo" および生体外 "in vitro" の遺伝毒性分析法が開発されている。したがって、遺伝毒性は生体における毒性誘発の主要な経路の一つである。" $${^80^-^82}$$
　細胞毒性： 細胞の破壊を引き起こす毒性は、細胞毒性として知られている（図8）。これは、生体内で観察される最も優勢な毒性作用の1つである。毒性化合物を細胞に接触させると、細胞膜の完全破壊、破裂、細胞質成分の破壊など、様々な致命的な結果を招くことが多い。また、プログラムされた細胞死現象（アポトーシス）を引き起こし、成長率を低下させる。すなわち細胞数を減少させ、生存率や増殖の可能性を低下させるかもしれない。$${^83}$$
　生態毒性：毒性は複数の原因により環境中に誘発されるが、その影響は生態系全般（ヒトを含む）に及ぶと考えられる。生態毒性とは、毒性とその生態系全体への影響という概念を導入した、より広い意味での言葉である（図8）。環境中の潜在的な生態毒素は、ナノ材料、炭化水素、殺虫剤などの合成無機分子などの人工的な人工物である。これらの潜在的な毒性化合物は、さらに生物濃縮によって食物連鎖系に入り、生物濃縮によって高次の動物へと進行する（前述の通り）。これらの有害排水は、生物の細胞や遺伝物質に影響を及ぼし、細胞毒性や遺伝毒性を引き起こす。$${^32^,^84^,^85}$$
　

酸化ストレスや酸性ストレスは酸化還元レベルを変化させ、肺の病気を引き起こす。
GSH（還元型グルタチオン）GSSS（グルタチオン ジスルフィド）レベルの変調は、NF-kBなどの炎症性遺伝子を活性化させる結果になる。
N-アセチル-L-システイン（NAC）やN-アシステリン（NAL）などの各種チオール化合物は、生合成のためにシステインを供給します。

（Seiryu-Do青龍堂）
以上、ここまでが「ナノ材料の毒性。曝露、経路、評価、および最近の進歩」の記事でした。
ヤング博士がこの論文から掲載されているところを主に掲載しています。
そのほかにも重要な内容ですので、より内容を深めたい方はPDFをダウンロードして学ばれるとよいと思います。