The Health Risks of Graphene

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by carla peeters 2022年4月18日

パンデミックの間、ナノ粒子は診断、個人保護具、予防、病気の治療などに広く使用されてきた。人間と機械のシームレスな相互作用として、リアルタイムでの人間の健康モニタリングが望まれているため、生物医学におけるナノ粒子の使用は、さらに増加すると予想される。

未来の生活を支配するかもしれないナノ粒子の中で、最もブームになっているのがグラフェン由来製品である。 新規二次元材料グラフェンは、機械的、熱的、電気的特性に優れ、ウェアラブルセンサーや埋め込み型デバイスに使用されている。一方、酸化型グラフェンの研究開発は、がん治療、ドラッグデリバリー、ワクチン開発、超低濃度診断、微生物汚染の撲滅、細胞イメージングに使用されている。

これまでのところ、グラフェン由来の製品に関する科学的な文献は、主にポジティブな側面に焦点が当てられている。パンデミック時には、酸化グラフェンはフェイスマスクや検査に含まれる可能性のある安全でないナノ粒子として知られるようになった。一方、科学者たちは、グラフェン由来製品が人間の健康や環境に与える破壊的な影響の可能性を疑問視している。グラフェン由来製品の誇大広告により、製品から市場投入までのスピードは速いが、細胞毒性および遺伝毒性に関する信頼性と再現性のあるデータはまだ得られていない。

グラフェン無制限

2010年、マンチェスター大学のアンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフが、鉛筆の黒鉛に由来する炭素原子1層をスコッチテープのようなもので分離し、ノーベル物理学賞を受賞した。この驚くべき材料は、人類が知る限り最も軽く、最も薄い汎用性の高い物質である。透明で、導電性があり、選択的な伝染性がある。

C原子はハニカム（六角形）格子の中にしっかりと結合している。 グラフェンは、その特性から、エレクトロニクスから生物医学まで、さまざまな分野で利用されている。2013年には、欧州委員会が10億ユーロの予算で10年間の未来・新技術プロジェクト「グラフェン・フラッグシップ」を開始し、22カ国から170名の研究者・産業パートナーが参加して、現在多くのグラフェン製品をパイプラインで保有している。

しかし、グラフェン由来製品の可能性を日常生活で実現するために、大量かつ高品質のグラフェン（純粋、均質、無菌）を手頃な価格で生産することは依然として課題であり、また、さまざまな形態のグラフェンの毒性を調べるための細胞系や生物系の標準化・検証を向上させることも重要である。

EUのグラフェン・フラグシップ・プロジェクトは、リスク関連の知見を満たすためのギャップがまだあることを認めている。グラフェンの応用は 2025年から20-30年にかけて成熟すると予想されている。EUで製造されたナノ材料は、工業生産と商業化を許可されるためにREACH規制を満たす必要がある。

人間と機械の相互作用への入り口

多くの政治家や公衆衛生の専門家は、病気の予防、診断、治療を管理する主要な手段として、ヘルスケアへの技術導入を推進している。さらに、コスト削減や医療従事者の不足を補うためにも有益であると考えられている。

また、疾病中心から予防中心へと政策が転換され、IDカードや予防接種パスポートと連動した「グッドヘルスパス」の構想もある。そうすることで、海外に旅行する際にも、いつ、どのように行動すれば病気を予防し、健康でいられるかを一人ひとりに指導することができるのである。

生体物理、生化学、環境信号などをモニタリングするウェアラブルセンサーや、神経系、循環器系、消化器系、運動器系の埋め込み型デバイスなど、非侵襲的・侵襲的に応用できるグラフェンベースのセンサープラットフォームは、人工知能の実装に大きな価値を持つと予想されている。

グラフェン・フラッグシップ・プロジェクトでは、グラフェンを用いた様々な皮膚パッチセンサーが開発され、人々が継続的にモニターし、より安全な選択を積極的に行うことができるようになることを目指している。また、脳信号をかつてないほど忠実に解釈し、患者一人ひとりの病状に合わせた治療反応を生み出す能力を備えた、初の脳内侵襲型ニューラル・インターフェースが、まもなく臨床試験を開始する予定である。この技術革新は、神経科学コンピューティングと脳関連医療の分野を強化する13億ユーロのEUヒューマン・ブレイン・プロジェクトに関連しており、行動に影響を与える埋め込み型デバイスがさらに開発されることが期待されている。

酸化グラフェンと人体

酸化グラフェンは、多くの溶媒に分散するため、吸入、経皮接触、摂取により意図せず体内に入る可能性がある。酸化グラフェンの毒性は、体内分布に影響を及ぼす投与経路、投与量、合成方法、製造工程からの不純物、酸化度などのサイズや物理化学的特性など、いくつかの変数に依存する。

酸化グラフェンは、人体内のタンパク質、ミネラル、抗体に対して高い吸着能力を有しており、これにより酸化グラフェンの構造と形態は、他の生体分子や生理的プロセスと相互作用できるバイオコロナに変化する。生体適合性の違いは、その表面に形成されるタンパク質コロナの組成の違いにより、細胞との相互作用や炎症促進作用が決定されるためと示唆された。

※タンパク質コロナは、生物学的媒体にさらされたコロイドナノ材料において自発的に形成される、ナノ粒子表面の生体分子（通常はタンパク質）の動的なコーティングである。

物理化学的性質や実験条件によって、毒性がない場合から長期的に深刻な障害を引き起こす場合まで、多くの矛盾した結果が得られており、急性および長期暴露における毒性動態とそのメカニズムについて、より深い理解が求められている。

また、皮膚、血液脳関門、胎盤関門などの生体関門に対する挙動も異なる可能性がある。酸化グラフェン の細胞内および細胞外での分解は、主にさまざまな臓器のマクロファージ（免疫細胞）によって組織化される。肺、心臓、肝臓、脾臓、腸は、酸化グラフェンが存在する臓器である。このような背景から、生体内に残留し、細胞膜の完全性、代謝過程および生物の形態に影響を及ぼす危険性を理解することが重要である。酸化グラフェンの製造方法は、生体系への潜在的な影響、生体内分布、および人体からの排泄において重要である。

酸化グラフェンと環境

グラフェンの形態にかかわらず、グラフェンが原核生物、細菌、ウイルス、植物、微小・大型無脊椎動物、哺乳類、ヒト細胞、動物全体など、さまざまな生物に生体内で影響を与えることは、多くの研究によって実証されている。現在入手可能な文献の大部分は、グラフェンベースのナノ材料に細胞毒性があることを示している。

細胞毒性のメカニズムはまだ確立されていないが、酸化ストレス、細胞侵入および炎症が、水生生物におけるグラフェン系ナノ材料の毒性メカニズムとして最も広く認識されている。しかし、残念ながら、臓器機能、代謝作用、行動への影響については、まだ情報が不足しており、大きな隔たりがある。

One Health

パンデミックが終息した今、「One Health」を目指すことが優先され、サーベイランス、ワクチン、新技術を用いた医薬品開発などに重点が置かれている。しかし、この2年間のパンデミックの間に、グラフェン由来の製品が環境中に放出され、バイオハザードが非常に増加したことに対して、専門家や政治家は消極的である。

酸化グラフェンは有害廃棄物から空気や水によって容易に輸送されるため、すべての生物に対する酸化グラフェン汚染の可能性は未知数であり、排除することはできない。ビスフェノールAの内分泌撹乱作用に対する酸化グラフェンの増強作用が、ゼブラフィッシュの成魚で観察されている。細胞膜を貫通する酸化グラフェンのシャープなエッジが、マイクロプラスチックや未知の物質の生物への浸透を促進する可能性がある。

健康や地球上のすべての生命にとって必要な、世界的に脆弱なバランスのとれた生態系を破壊することで、新たな病気が発生する可能性がある。この公衆衛生上のリスクは、十分に機能する免疫系やグラフェン由来製品の分解・無害化能力を損なうロックダウンの結果、栄養失調の急増によって日々高まっている。

酸化グラフェン由来の製品の生産とリリースを知的な早道とするよりも、エビデンスに基づく研究と倫理的な決断を優先させる必要がある。優先すべきは、十分かつ良質な栄養の入手可能性を向上させ、不十分なテスト製品のリリースを防ぎ、公衆衛生への信頼を回復する方法にもっと焦点を当てることだ。

執筆者

カーラ・ピーターズ

コバラ・グッド・ケア・フィールズ・ベターの創設者兼マネージング・ディレクター。ユトレヒト大学医学部で免疫学の博士号を取得後、ワーヘニンゲン大学・研究所で分子科学を学び、高等自然科学教育で4年間、医療検査診断と研究に特化したコースを歩む。ロンドンビジネススクール、INSEAD、Nyenrode Business Schoolなど、さまざまなビジネススクールで学んだ。