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2022年09月27日
コラム NEW
化学物質の粒子の形状と有害性について
令和3年度の環境省調査「化学物質管理に係る新たな課題に関する調査業務」では、形状の異なる化学物質の有害性について調査しましたが、この中で固体状態の物質において、化学組成が同一であっても、粒子径や構造によってその有害性が変化することがわかりました。
① ナノ粒子
物質の粒子のサイズをナノスケールまで小さくすると（ナノ粒子）、体積に対する表面積が指数関数的に増大するため、物質表面はその周辺の環境に反応しやすくなります。例えば、粒子の酸化やDNA損傷能力が用量依存的に増加します 1。
② アスペクト比の高い形状
アスペクト比が高い形状（繊維状、針状、棒状など）は、粒子の有害性が高いことが観察されています。例えば、酸化チタンファイバーは、球状粒子よりも細胞有害性が高いことがわかりました。さらに長さ15 mmの酸化チタン繊維は、長さ5 mmの繊維に比べて有害性が高く、マウスの肺胞マクロファージ（白血球の一種）による炎症反応を引き起こすことが示されています 2, 3。
とりわけ、高アスペクト比ナノ材料（HARN）と呼ばれるカーボンナノチューブやカーボンナノファイバー、酸化チタン、金属ナノワイヤー、金属ナノロッドなどは、卓越した新しい特性を提供する一方で、有害性を示す可能性が高いといえます。しかし、すべての繊維状物質やHARNが有害というわけではありません。世界保健機関（WHO）は異なる材料間で有害性に大きな差があることを報告しており 4、ウォラストナイト（CaSiO3）のように不活性なものもあります 5。
粒子を吸入することによる肺胞内でのメカニズムは、下の図のようになります。通常、肺内に異物を取り込むとマクロファージが活性化し、貪食作用を起こして異物は細胞外に放出されます。ところが、アスペクト比が高い形状では、この貪食作用が起こりにくくなります。有効に細胞外に放出されないことにより長時間、細胞内に残存し、有害作用を引き起こすと考えられるからです。一方で、経口摂取では有害性による影響は極めて小さいようです 6。
1 Physicochemical Properties of Nanomaterials: Implication in Associated Toxic Manifestations, Manzoor Ahmad Gatoo et al., BioMed Research International, 2014.
（http://dx.doi.org/10.1155/2014/498420）
2 Role of target geometry in phagocytosis, J. A. Champion and S. Mitragotri, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 103, no. 13, pp. 4930–4934, 2006.
3 Preparation, characterization and in vitro cytotoxicity of paclitaxel-loaded sterically stabilized solid lipid nanoparticles, M. Lee, S. Lim, and C. Kim, Biomaterials, 28（12）, 2137–2146, 2007.
4 WHO Workshop on Mechanisms of Fiber Carcinogenesis and Assessment of Chrysotile Asbestos Substitutes
5 Effect of chemical composition and state of the surface on the toxic response to high aspect ratio nanomaterials, Bice Fubini et al., Nanomedicine, 6（5）,2011.
6 東京都環境局, https://www.kankyo.metro.tokyo.lg.jp/faq/air/asbestos/faq_05.html
7 COMMISSION RECOMMENDATION of 18 October 2011 on the definition of nanomaterial（2011/696/EU）
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32011H0696
8 ECHAのナノマテリアル規制に関するウェブサイトhttps://echa.europa.eu/regulations/nanomaterials
9 Nanomaterials in REACH and CLP
https://ec.europa.eu/environment/chemicals/nanotech/reach-clp/index_en.htm