アメリカの薬物送達と治療学ジャーナル オープンアクセス

抽象的な

ナノ粒子の保存に関する物理化学的研究

神谷誠太郎

ナノ粒子の微細化の重要性は、医薬品開発の支援においてますます認識されています。したがって、ナノ粒子の安定状態を維持することは重要な問題です。凍結乾燥と糖類の増殖を組み合わせた手法は、ナノ粒子の状態を維持するために使用できます。しかし、医薬品では、この手法は十分に議論されていません。この研究では、三糖類、四糖類、五糖類をナノ粒子懸濁液に加え、その後、自然乾燥または凍結乾燥されたサンプルを再水和しました。その後、再水和後の分子幅サイズを測定しました。また、各糖類は、粉末X線回折計と示差熱量測定（DSC）装置を使用して測定しました。分子サイズ、粉末X線回折図、およびDSC曲線のデータから得られた結果を使用して、ナノ粒子の集合と糖類の結晶型およびその構造との関係を検討しました。凍結乾燥してもナノ粒子の大きさは維持されましたが、通常の乾燥サンプルを使用した場合は分子の蓄積が起こりました。さらに、結晶性糖質は凍結乾燥グループでは見られませんでしたが、通常の乾燥グループでは見られました。

ナノ粒子の細胞毒性は、いくつかの要因によって引き起こされます。ナノ材料が細胞毒性を引き起こすいくつかの例は、その物質自体が原因であり、一部のナノ粒子は明確な原因なしに毒性を示します。特定の物質のナノ粒子の中には、同じ物質のより大きなサイズの粒子よりも深刻な毒性の危険性があると考えられているものもあります。体内での粒子の拡散と、分子のサイズと表面特性に依存する特定の種類の分子の体の特定の部分への集積は、基本的な問題と見なされています。さらに、ナノ粒子が体内に蓄積して適切に排出されない場合、慢性的な毒性を引き起こす可能性があります。ナノ粒子の主な分配場所と標的臓器は不明ですが、明らかに肝臓と脾臓が標的臓器である可能性があります。ナノ粒子が経口摂取、吸入、または皮膚から摂取された場合、フリーラジカルを含む活性酸素種（ROS）の生成を引き起こす可能性があります。 ROS は酸化ストレス、炎症、そしてタンパク質や DNA などの他の有機物質への結果的な損傷を引き起こします。ROS 生成以外にも、毒性に影響を与える他の要素には、サイズ、形態、凝集構造、形状、化合物合成、表面構造、表面電荷、凝集、溶解性などがあります。ナノ粒子はサイズが小さいため、組織間や細胞膜を通過してミトコンドリアに重大な損傷を引き起こしたり、核を攻撃して DNA の実際の変化を引き起こして細胞死を引き起こしたりします。

ナノマテリアルによる細胞毒性は、ナノマテリアルの表面と細胞セグメントとの結合により生じます。距離が減少するにつれて、分子の表面積は指数関数的に増加します。したがって、たとえ粒子の構造が同じであっても、分子のサイズと表面反応性に応じて、細胞毒性のレベルがまったく異なる可能性があります。また、分子のサイズは、生体内での細胞輸送システムと拡散に大きな違いをもたらします。このように、ナノマテリアルの細胞毒性を評価するには、化合物の特性とサイズ依存の細胞毒性だけでなく、サイズ依存の細胞毒性の尺度も重要です。

動物モデルで細胞毒性と炎症反応を生じさせるには、ナノ粒子が上皮境界を越えて移動することが不可欠です。この点で、ナノ粒子のサイズは細胞毒性において重要な役割を果たします。ナノ粒子は呼吸によって吸入されるため、肺実質の奥深くまで浸透します。さまざまなサイズのナノ粒子は、呼吸器系で特定の拡散パターンを示します。ナノ粒子の輸送は、ストークス数とレイノルズ数によっても影響を受けます。最初は、粒子はガス層で広く循環しますが、吸入後は呼吸液の液体層に移行します。薬物またはナノ粒子の体内輸送、つまり薬物動態も、細胞毒性を評価する上で重要な考慮事項です。多数の研究で、ナノ材料の体内輸送が分析されています。 6nmを超える粒子径を持つナノ粒子は腎臓から排出されず、単核食細胞系による遊離が続くまで肝臓や脾臓などの特定の臓器に蓄積されない。肝臓や脾臓に蓄積するナノ粒子のほとんどは、深刻な症状を引き起こす。例えば、セレン化カドミウム（CdSe）の粒子は組織内に8か月間留まり、肝毒性を引き起こす。ナノ粒子のこの​​薬物動態基準は、分子サイズと表面科学に依存する。研究者らは、10～250nmサイズの粒子を使用し、げっ歯類モデルに静脈内注入した後の生体内送達を評価した。研究者らは、10nmのナノ粒子が、より大きな粒子と比較して特異的に送達されることを発見した。これらのナノ粒子は、血液、肝臓、脾臓、腎臓、精巣、胸腺、心臓、肺、脳など、ほぼすべての臓器で発見された。一方、50 nm より大きいナノ粒子のほとんどは、血液、肝臓、脾臓で特異的に認識されました。

ナノ粒子はサイズが小さいため、不活性または活性の媒体を介して薬剤キャリアとして使用されることが多い。それらの細胞への効果的な浸透は、生体適合性にかかっている。特に、表面の電子状態の外的特性は細胞への取り込みに不可欠であり、細胞毒性にも関係している可能性がある。通常、in vitro での生存率をテストするために、ナノキャリアは 2D 層状ターゲット細胞に注入され、治療および実験の両方の試験に用いられる。しかし、このような層状モデルは、細胞間のコミュニケーションが代謝の発達に不可欠である細胞構造とはまったく異なる可能性があるため、in vivo 試験の前にこのような手法を検討する必要がある。