独立個人党のオルタ黙示録：なんでも何が正しいのか自分で考えてみよう－世界暴政化の策謀を絵本で理解－「百聞は絵本にしかず」
GFNの組織内分布と排泄
グラフェンナノ粒子の吸収、分布、排泄は、投与経路、物理化学的特性、粒子の凝集、GFNの表面コーティングなどの様々な要因に影響されると考えられる。
投与経路の違いは、GFNの分布に影響を与える。例えば、気管内に注入されたFLGは、気血関門を通過して主に肺に蓄積・保持され、4週間後には47％が残存していた[61]。静脈内投与されたGOは，血液循環により体内に入り，肺、肝臓、脾臓、骨髄に高濃度に保持され、マウスの肺に10mgkg/body weightのGOを静脈内投与すると、炎症細胞の浸潤、肉芽腫の形成、肺水腫が観察された[49]。同様に、PEG化したGO誘導体を腹腔内に注射すると、肝臓や脾臓を含む網膜内皮系(RES)に高い蓄積が認められた。一方，GO-PEGやFLGは，経口投与による消化管吸収や組織への取り込みが検出されなかった[31]。
GFNのサイズ、投与量、官能基などの特性の違いにより、グラフェンの分布プロファイルには常に一貫性のない結果が出る。例えば、Zhangらは、GOが主にマウスの肺に取り込まれることを発見したが[49]；Liらは、GOがマウスの肝臓に蓄積することを観察している[76]。注目すべきは、直径が10-30 nmの小さなGOシートは主に肝臓と脾臓に分布していたが、10-800 nmの大きなGOシートは主に肺に蓄積していたことである[49, 52, 77]。GOのサイズが血管のサイズよりも大きい場合、GOは通常、注射部位に近接した動脈や毛細血管に滞留する。肺へのGOの蓄積は、注入量とサイズが大きくなると増加するが、肝臓への蓄積は著しく減少することが示された[78]。例えば，GO-PEGおよびGO-デキストラン(GO-DEX)を静脈内に注射すると，肝臓や脾臓を含む網膜内皮系(RES)に蓄積され、短期的な毒性はなかった[31, 79]。さらに、血漿タンパクの電荷や血漿タンパクによるGOの吸着も生体内分布に影響を与える[34]。
GFNの排泄とクリアランスは、臓器によって異なっている。肺では，NGOがAM（肺胞マクロファージ）に取り込まれてクリアされることが観察されており、粘膜繊毛のクリアランスなどで喀痰から排除される可能性がある[57]。気管内に注入されたFLGの46.2%が曝露28日後に糞から排泄された[61]。肝臓では、ナノ粒子は、胆管から十二指腸へと続く肝胆道経路を通って排除される可能性がある[80]。さらに、主に肝臓と脾臓に蓄積するPEG化GNSは、おそらく腎および糞便の両方で徐々に除去される。最近検討されたように、200nm以上のGOシートは脾臓の物理的濾過に引っかかるが、小さなサイズ（約8nm）は腎尿細管を透過して尿中に入り、明らかな毒性を示すことなく速やかに除去される[81]。GFNの排泄経路はまだ明確に説明されていないが、グラフェンの主な排泄経路は、腎経路と糞便経路であると思われる。
近年、ナノ毒性研究においては、分布と排泄・毒性の戦略が重要な位置を占めるようになってきた。現在までに、生体内でのグラフェンの分布と排泄に関するいくつかの論議を呼ぶ結果がいくつかの論文で報告されており、GFNのトキシコキネティクスを系統的に評価することがまだ必要とされている。ナノ材料の代謝と排泄は長期的なプロセスであるが、GFNに関する最近の研究は短期的な毒性評価に限られており、異なる組織におけるGFNの長期的な蓄積と毒性については不明のままである。したがって、人間のバイオメディカル用途に使用する前に、材料のバイオセーフティを確保するために、異なる細胞や動物を用いてGFNの堆積と排泄に関する長期的な研究を行う必要がある。
GFNの細胞内への取り込みとその位置
GFNの取り込みと位置についても、細胞株ごとに異なる効果を発揮することが観察されている。グラフェンは、さまざまな経路で細胞内に取り込まれる[82, 83]。基本的には、GOが細胞膜を通過するためには、サイズ、形状、コーティング、電荷、流体力学的直径、等電点、pH勾配などの物理化学的パラメータが重要となる[84]。先に述べたように、直径が100 nm未満のナノ粒子は細胞内に入ることができ、直径が40 nm未満のものは核に入ることができる[85]。例えば、GQDは、エネルギーに依存する経路ではなく、直接細胞膜を貫通する可能性がある[86, 87]。タンパクでコーティングされた大きな酸化グラフェンナノ粒子（PCGO）（～1μm）は、主にファゴサイトーシスを介して細胞内に入り、小さなPCGOナノ粒子（～500nm）は、主にクラスリンを介したエンドサイトーシスを介して細胞内に入る[88]。GOシートは，細胞との相互作用の結果として，細胞膜に付着して巻き付き，脂質二重層に挿入され、あるいは細胞内に取り込まれる可能性がある[89]。同様に、PEG化した還元型酸化グラフェン（PrGO）やrGOは、疎水性の未修飾グラファイトドメインと細胞膜との相互作用により、脂質二重層の細胞膜に顕著に付着することが示された[90, 91]。その結果、グラフェンに長時間さらされたり、高濃度のグラフェンが細胞膜に物理的または生物学的なダメージを与え、アクチンフィラメントや細胞骨格が不安定になることが示唆されている[92]。
現在のデータでは、GOシートが細胞膜と相互作用し、マクロファージによって貪食されることが明らかになっている。マクロファージの3つの主要な受容体、すなわち、Fcg受容体(FcgR)、マンノース受容体(MR)、補体受容体(CR)がGNSの貪食に関与している。さらに、FcgRは、媒介となる食細胞経路の重要な受容体である[90, 93, 94]。GOのタンパク・コロナ（冠）は、マクロファージの受容体、特にタンパク・コロナ内に含まれるIgGによる認識を促進する。マクロファージは、GOと接触することで驚異的な形態変化を起こすことが観察されている[34]。これは、ミトコンドリア膜電位の低下による細胞内ROSの増加と、ミトコンドリア経路の活性化によるアポトーシスの誘発によるものである[83]。GFNの相互作用と蓄積部位の可能性を図1にまとめた。
グラフェン材料とその生物学的相互作用。(A）最も広く使用されているグラフェン材料のパラメータ空間は、材料の寸法と表面機能化（後者はsp3混成の炭素原子の割合として定義される）によって記述できる。緑の四角はエピタキシャル成長したグラフェン、黄色は機械的に剥離したグラフェン、赤は化学的に剥離したグラフェン、青は酸化グラフェンを表す。なお、グラフェンに関連する他の多くの材料（グラフェン量子ドットやグラフェンナノリボンなど）も実験に使用されている。(B) グラフェン関連物質と細胞との相互作用の可能性（グラフェンフレークは縮尺が異なる）。(a) 細胞膜の外表面への接着。(b) 細胞膜の脂質二重層の単層間への組み込み。(c) 細胞膜の移動 (d) 細胞質への内在化。(e) クラスリンを介したエンドサイトーシス。(f）エンドソームまたはファゴソームでの内在化。(g）リソソームまたは他の核周辺コンパートメントへの局在化。(h) エクソソームへの局在化。このような相互作用による生物学的結果は、特定の生物医学的応用の状況に応じて、悪影響を及ぼすものと有益なものがあると考えられる。グラフェン関連材料の種類によって、細胞や組織との相互作用の優先的なメカニズムは異なると考えられ、その発見が待たれるところである。[90] Copyright (2014), with permission from American Association for Advancement of Science（米国科学振興協会）。