グラフェンファミリーのナノ粒子の毒性：起源とメカニズムの総説　Lingling Ou et al　２

GFNの毒性(in vivoおよびin vitro)

GFNは、様々な曝露方法や投与経路によって生理的障壁や細胞構造を透過し、体内や細胞内に侵入し、最終的にin vivoおよびin vitroで毒性を示す。投与経路や侵入経路の違い、組織内での分布や排泄の違い、さらには細胞への取り込みパターンや場所の違いなどが、GFNの毒性の程度を決定していると考えられる[44–46]。そのため、それらを明らかにすることは、GFNsの毒性の発生と進行の法則をよりよく理解するのに役立つかもしれない。

投与経路

動物モデルにおける一般的な投与経路は，気道曝露（鼻腔内吸入，気管内注入，吸入），経口投与，静脈内注射，腹腔内注射，皮下注射などである。作業環境におけるGFNの主な曝露経路は気道曝露であるため，ヒトのGFN曝露をシミュレートするために，マウスでは主に吸入法と気管内注入法が用いられている。吸入法は最も現実的な暴露シミュレーションを提供するが，噴霧法はより効果的で時間を節約できる方法であり，GFNは吸入法よりも噴霧法（気管内噴霧法，胸腔内投与法，咽頭吸引法）の方がより長い炎症期間を引き起こすことが分かった[24, 30, 47, 48]。GFNは肺に沈着して高濃度に蓄積され、気管内注入後にゆっくりと排出されながら3カ月以上肺に留まることが調査された[49]。また、グラフェンナノ材料の毒性評価には静脈内注射が広く用いられており、グラフェンは30分でマウスの体内を循環し、肝臓や膀胱に実用濃度で蓄積する[32, 50–52]。しかし、GOの誘導体は腸管への吸着力が弱く、経口投与した成体マウスでは速やかに排泄された[31, 53]。ナノサイズのGO(350 nm)は、ミクロンサイズのGO(2 μm)と比較して、頸部皮下注射後の単核細胞の皮下脂肪組織への浸潤が少なかった[34]。腹腔内注射後、注射部位付近でGOが凝集し、肝臓や脾臓の漿膜付近には多数の小さな凝集体が沈着した[31, 33]。今回レビューした論文には、GFNの皮膚への接触や皮膚からの浸透に関する実験は見当たらず、グラフェンが無傷の皮膚や皮膚病変部に浸透すると結論づけるには十分な証拠が得られていない。また、他のナノ材料の神経毒性や脳損傷の可能性を調べるために広く用いられている点鼻薬の経路についても、今回の論文では言及されていない。

GFNの侵入経路

GFNは体内に入った後、血液循環や生物学的障壁を介して様々な場所に到達し、その結果、臓器によって滞留の度合いが異なってる。GFNは、そのナノサイズゆえに、血液-空気関門、血液-精巣関門、血液-脳関門、血液-胎盤関門などの通常の生理的関門を通過して、より深い臓器に到達することができる。

血液-空気バリア

肺は、グラフェンナノ粒子が気道を通じて人体に侵入する可能性のある場所である。吸入されたGOナノシートは、宿主防御の第一線である肺サーファクタント（PS）膜の超微細構造や生物物理学的特性を破壊し、潜在的な毒性を出現させる可能性がある[54]。凝集または分散した粒子は、肺胞内の肺胞表面に堆積し、その後、肺胞マクロファージ（AM）に飲み込まれる[55]。肺でのクリアランスは、粘膜繊毛エスカレーター、AMs、または上皮層によって促進される[56–58]。しかし、吸入された小さなナノ粒子の中には、無傷の肺上皮バリアに浸潤し、その後、肺胞上皮や間質に一過性に入り込むものもある[59, 60]。気管内に注入されたグラフェンは、空気-血液関門を通過して肝臓や脾臓に再分布することがある[61]。研究者や労働者が職業的にGFNに触れるのは通常、吸入によるものであるため、血液-空気関門の研究は集中的な注目を集める可能性がある。血液-空気関門がGFNの毒性にどのような役割を果たしているかを明らかにすることは、研究のホットトピックになるかもしれない。

血液-脳関門

多数の膜受容体と高選択性キャリアからなる血液脳関門の複雑な配置は、末梢血管内皮と比較して、血液循環と脳の微小環境にわずかな影響しか与えない[62]。血液脳関門のメカニズムに関する研究は、疾患やナノ毒性に関連していくつかの進展があった。マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）による質量分析イメージング（MSI）により、平均直径342±23.5nmのrGOは、血液脳関門の傍細胞の稠密性を低下させることで、時間依存的に傍細胞経路を通って内皮間隙に浸透することが明らかになった[63]。さらに、100nm以下の小さなサイズのグラフェン量子ドット（GQD）は、血液脳関門を通過することができる[64]。グラフェン材料が血液脳関門を通過して神経毒性を引き起こすメカニズムに関する研究は非常に稀であり、結論を出すにはさらなるデータが必要である。

血液-精巣バリア

血液-精巣および血液-副睾丸関門は，哺乳類の体内で最も厳しい血液組織関門のひとつであることがよく知られている[65]。直径54.9±23.1nmのGO粒子は，腹腔内注射しても，血液-精巣および血液-精巣上体の障壁を透過しにくく，300mg/kgの投与量でもマウスの精子の質に明らかな影響はなかった[66]。（つまり、グラフェン量子ドットについては不明）

血液-胎盤バリア

胎盤バリアは、栄養分と代謝老廃物の交換を仲介し、重要な代謝機能を発揮し、ホルモンを分泌するため、妊娠を維持する上で不可欠である[67]。最近のレビューでは、胎盤はナノ粒子の胎児への移行、特に炭素系ナノ粒子の胎児への分配に対して強固なバリアを提供しないことが示唆されている[42]。rGOと金粒子（直径13nm）は、静脈内注射後の妊娠後期には胎盤と胎児にほとんど存在しないか、存在しないことが示唆されている[44, 68]。しかし，他の報告では，妊娠後期にも胎盤移行が起こることが示されている[69, 70]。ナノ材料の発生毒性には多くの関心が寄せられており、多くのナノ粒子が胎盤関門を通過し、胚の発育に強い影響を与えることが報告されている[71–75]。しかし、胎盤関門を通過したグラフェン材料への曝露に関する研究は不十分であり、今後、これらの粒子がどのように胚に移行するかを詳細に評価する必要がある。

以上の4つのバリアは、文献で最も頻繁に言及されているバリアであり、その他のバリアは最近の研究では評価されていない。例えば、皮膚のバリアは、検索された数百のGFNの毒性研究のいずれにも言及されていない。さらに、GFNがこれらの障壁を通過するメカニズムはよく理解されておらず、より体系的な調査が早急に必要であると考えられる。