나노독성학

Nanotoxicology
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나노독성학은 나노물질의 [1]독성에 대한 연구이다.나노물질은 양자 크기 효과와 부피 대비 표면적 비율이 크기 때문에 독성에 영향을 미치는 큰 물질에 비해 독특한 성질을 가지고 있다.가능한 위험 중 흡입 노출이 가장 우려되는 것으로 보이며, 일부 나노 [2]물질에 대한 염증, 섬유화 및 발암성과 같은 폐 효과를 보여주는 동물 연구 결과가 있다.피부 접촉과 섭취 노출 또한 걱정거리이다.

배경

나노물질은 적어도 1차 치수가 100나노미터 미만이며 기술적으로 유용한 부피 성분과 다른 특성을 가지고 있는 경우가 많습니다.나노기술은 최근의 발전이기 때문에 나노물질에 대한 노출이 건강과 안전에 미치는 영향과 허용 가능한 노출 수준은 아직 완전히 [3]파악되지 않았다.나노입자는 연소유래 나노입자(디젤 그을음 등)와 탄소 나노튜브 등 제조된 나노입자, 화산폭발, 대기화학 등에 의한 자연발생 나노입자로 나뉜다.연구된 대표적인 나노입자는 이산화티타늄, 알루미나, 산화아연, 카본블랙, 카본나노튜브, 벅민스터풀레렌이다.

나노독성학은 입자독성학의 하위 분야이다.나노물질은 특이하고 큰 입자에서는 볼 수 없는 독성 효과를 가지고 있는 것으로 보이며,[4] 이 작은 입자들은 나노 크기보다는 큰 입자를 공격하도록 설계된 반면 훨씬 더 높은 수준의 자유도를 가지고 움직이는 능력 때문에 인체에 더 큰 위협이 될 수 있다.예를 들어, 금과 같은 불활성 원소도 나노미터 치수로 매우 활성화된다.나노독성 연구는 이러한 특성이 환경과 인류를 [5]위협할 수 있는지 여부와 그 정도를 결정하기 위한 것이다.나노 입자는 단위 질량 대비 표면적 비율이 훨씬 더 크므로, 예를 들어 폐 조직에서 염증 방지 효과가 더 클 수 있습니다.게다가, 일부 나노 입자는 그들의 퇴적 부위에서 혈액과 뇌와 같은 먼 부위로 이동할 수 있는 것으로 보인다.

나노 입자는 흡입, 삼키고 피부를 통해 흡수되며 의료 절차 중에 고의 또는 실수로 주입될 수 있습니다.살아있는 [6][7][8]조직에 이식된 물질에서 실수로 또는 실수로 방출될 수 있습니다.한 연구는 작업장에서의 공기 중 공학적 나노 입자의 방출과 다양한 생산 및 취급 활동에서의 관련 근로자 노출을 매우 가능성이 높다고 [9]간주한다.

독성에 영향을 미치는 특성

크기는 [10]입자의 잠재적 독성을 결정하는 데 중요한 요소이다.하지만 그것만이 중요한 요소는 아니다.독성에 영향을 미치는 나노물질의 다른 특성으로는 화학 성분, 형태, 표면 구조, 표면 전하, 응집 및 용해성,[11] 그리고 다른 화학물질의 기능성 그룹의 유무 등이 있다.독성에 영향을 미치는 변수가 많다는 것은 나노 물질에 대한 노출과 관련된 건강 위험에 대해 일반화하기가 어렵다는 것을 의미한다. 각각의 새로운 나노 물질은 개별적으로 평가되어야 하며 모든 물질 특성을 고려해야 한다.

구성.

금속 베이스

금속 기반 나노 입자(NPs)는 반도체, 일렉트로루미네센트 및 열전 [12]물질로서의 기능을 위해 합성되는 NP의 중요한 종류입니다.생물의학상, 이러한 항균 NP는 약품 전달 시스템에 사용되어 종래의 의약품이 접근할 수 없었던 영역에 액세스 하고 있다.최근 나노테크놀로지에 대한 관심과 발전에 따라 이들 NP의 고유 특성, 즉 큰 표면적 대 체적비가 [13]도입 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있는지를 평가하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.연구자들은 일부 금속과 금속 산화물 NP가 DNA 파괴와 산화, 돌연변이, 세포 생존력 저하, 뒤틀린 형태학, 유도된 아포토시스 및 괴사, 그리고 [12]증식 감소를 유발하는 세포에 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견했다.또한 금속 나노입자는 신중하게 [14]설계되지 않으면 투여 후에도 유기체에 잔류할 수 있다.

카본 베이스

주요 기사:탄소나노물질의 독성학

탄소나노튜브(CNT)에 피폭된 2013년 현재 생쥐에 대한 최신 독성학 연구는 미국 CNT 시설에서 관찰된 평균 흡입 가능 원소 탄소 농도에 해당하는 수준에서 MWCNT의 제한된 폐 염증 잠재성을 보여주었다.연구는 상당한 병리학적 현상이 [15]발생하기 위해서는 상당한 기간의 노출이 필요하다고 추정했다.

한 리뷰는 플라렌이 발견된 이후 수집된 증거가 압도적으로 C가 독성이 없다는 것을60 보여준다고 결론지었다.구조적 부분의 화학적 수정에 따른 독성 프로파일의 경우와 마찬가지로,[16] 저자는 개별 분자를 개별적으로 평가할 것을 제안한다.

다른.

나노물질의 다른 종류로는 나노셀룰로오스, 덴드리머와 같은 폴리머가 있다.

크기

크기가 나노 입자의 독성에 영향을 미칠 수 있는 많은 방법들이 있다.예를 들어, 크기가 다른 입자들은 폐의 다른 곳에 퇴적될 수 있고, 다른 속도로 폐에서 제거된다.크기는 입자의 반응성과 독성이 있는 [17]특정 메커니즘에도 영향을 미칠 수 있습니다.

분산 상태

Three greyscale microscope images arranged horizontally. The left two show agglomerations of black spots on a grey background, while the right one shows a mass of tangled fibers.
에어로졸 입자에 존재하는 나노물질은 종종 응집되거나 응집된 상태이며, 이는 독성학적 특성에 영향을 미칩니다.예를 들어 은나노입자, 니켈나노입자, 다벽카본나노튜브 등이 있습니다.

많은 나노 입자들이 환경이나 생물학적 액체에 들어가면 응집되거나 응집된다.응집 및 집합이라는 용어는 표준 조직 ISO 및 ASTM에 따라 명확하게 정의됩니다. 여기서 응집이란 더 느슨하게 결합된 입자를 의미하며, 응집이란 매우 단단하게 결합되거나 융합된 입자를 의미합니다(일반적으로 합성 또는 건조 중에 발생).나노입자는 환경 및 생물학적 유체의 높은 이온 강도로 인해 나노입자의 전하로 인한 거부감을 막아주는 응집되는 경우가 많다.불행히도 나노 독성의 연구에서 응집 현상은 나노 입자의 크기, 표면적, 침전 특성을 변화시키기 때문에 나노 독성에 영향을 미칠 것으로 예상되지만 종종 무시되어 왔다.또한 많은 나노입자가 목표치에 도달하기 전에 환경이나 체내에 어느 정도 응집되기 때문에 독성이 응집되어 어떤 영향을 받는지를 연구하는 것이 바람직하다.

공기 중 공학적 나노 입자 클러스터의 응집/탈응집(기계적 안정성) 잠재력은 환경 수송 경로의 끝 지점에서의 크기 분포 프로필에도 큰 영향을 미친다.나노 입자 응집체의 안정성을 테스트하기 위해 서로 다른 에어로졸라이제이션 및 디응집 시스템이 구축되었습니다.

표면 화학 및 전하

구현 시 NP는 코팅으로 덮여 있으며 의도된 기능에 따라 양전하 또는 음전하가 부여되기도 한다.연구에 따르면 이러한 외부 요인이 NP의 독성 정도에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

관리 경로

호흡기

A greyscale microscope image showing a rigid rod extending from both sides of a mottled cellular mass
폐포상피세포를 관통하는 다벽 카본나노튜브 다발의 주사전자현미경 화상.

흡입 노출은 작업장에서 공기 중 입자에 노출되는 가장 일반적인 경로이다.호흡기에 나노입자가 쌓이는 것은 입자나 그 응집체의 형태와 크기에 따라 결정되며, 큰 호흡입자보다 폐에 더 많이 쌓인다.동물 연구에 따르면 나노 입자는 폐에서 혈류로 들어가 [18]뇌를 포함한 다른 장기로 전이될 수 있다.흡입 위험은 물질의 먼지, 즉 자극에 반응하여 입자가 공기 중으로 방출되는 경향에 의해 영향을 받는다.먼지 발생은 입자 형태, 크기, 부피 밀도 및 고유 정전력에 의해 영향을 받고 나노물질이 건조 분말인지 슬러리 또는 액체 [19]현탁액에 포함되어 있는지 여부도 영향을 받습니다.

동물 연구에 따르면 탄소나노튜브와 탄소나노섬유는 실리카, 석면, 초미세 카본블랙과 같은 다른 알려진 섬유소 물질과 비교할 때 비슷하거나 더 큰 효력을 가진 염증, 육아종, 폐섬유증 등의 폐효과를 일으킬 수 있다.세포나 동물에 대한 일부 연구는 유전독성 또는 발암성 영향 또는 폐 노출로 인한 전신 심혈관 효과를 보여주었다.비록 동물 데이터가 노동자의 임상적으로 유의한 폐 효과를 예측할 수 있는 정도는 알려지지 않았지만, 단기 동물 연구에서 보이는 독성은 이러한 나노 물질에 노출된 노동자에 대한 보호 조치가 필요하다는 것을 보여준다.2013년 현재, 장기적인 동물 연구와 근로자들의 역학 연구에 대한 추가 연구가 필요했다.2013년 [20]현재 이러한 나노 물질을 사용하거나 생산하는 근로자들의 건강에 대한 실제 악영향에 대한 보고는 알려져 있지 않다.이산화티타늄(TiO2) 분진은 TiO에 고유하지 않지만 주로 입자 크기와 표면적에 관련된 2차 유전독성 메커니즘을2 통해2 미세 TiO에 비해 질량 기반 효력이 증가하는 초미세([21]나노스케일) 입자와 함께 폐종양 위험으로 간주된다.

피부

어떤 연구들은 나노물질이 직업상 노출되는 동안 온전한 피부를 통해 잠재적으로 신체로 들어갈 수 있다는 것을 암시한다.직경 1μm 미만의 입자가 기계적으로 구부러진 피부 시료에 침투할 수 있고, 다양한 물리 화학적 성질을 가진 나노 입자가 돼지의 온전한 피부를 관통할 수 있다는 연구결과가 나왔다.크기, 모양, 수용성, 표면 코팅과 같은 요소들은 나노 입자의 피부 침투 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다.현재 나노 입자의 피부 침투가 동물 모델에 악영향을 미칠지는 충분히 알려져 있지 않다. 비록 생쥐에 생SWCNT를 국소적으로 적용하는 것이 피부 자극을 야기하는 것으로 나타났으며, 1차 또는 배양된 인간의 피부 세포를 사용한 체외 연구는 탄소 나노튜브가 세포에 들어가 원인이 될 수 있다는 것을 보여주었다.소염성 사이토카인 방출, 산화 스트레스 및 생존력 저하.그러나 이러한 발견이 잠재적 직업상 [18][20]위험으로 어떻게 추정될 수 있는지는 여전히 불분명하다.또한 나노 입자는 상처를 통해 체내에 들어갈 수 있으며, 입자는 혈액과 [22]림프절로 이동한다.

위장

섭취는 의도하지 않은 수구간 물질 이동에서 발생할 수 있습니다. 이는 기존 물질에서 발생하는 것으로 밝혀졌으며 나노 물질 취급 시에도 발생할 수 있다고 과학적으로 추정하는 것이 타당합니다.점액도 에스컬레이터를 통해 호흡기에서 제거된 입자가 [18]삼킬 수 있기 때문에 흡입 노출을 동반할 수도 있습니다.

생물 분포

역학, 생체 내 및 체외 연구에서 제시된 나노 입자 및 관련 질병에 대한 노출 경로.

나노물질의 크기가 매우 작다는 것은 또한 더 큰 크기의 입자에 비해 훨씬 더 쉽게 인체에 침투한다는 것을 의미한다.이 나노 입자들이 몸 안에서 어떻게 반응하는지는 여전히 해결해야 할 주요 문제이다.나노 입자의 행동은 크기, 모양, 주변 조직과의 표면 반응성의 함수이다.원칙적으로, 많은 입자는 신체의 식세포, 즉 이물질을 섭취하고 파괴하는 세포에 과부하를 걸 수 있으며, 그 결과 염증을 유발하고 다른 병원체에 대한 몸의 방어력을 약화시키는 스트레스 반응을 일으킬 수 있다.분해되지 않거나 천천히 분해될 수 있는 나노 입자가 신체 장기에 축적되면 어떻게 되는지에 대한 질문 외에, 또 다른 우려 사항은 신체 내부의 생물학적 과정과의 잠재적 상호작용이나 간섭이다.나노입자는 표면적이 넓기 때문에 조직과 액체에 노출되면 즉시 표면에 고분자 일부를 흡착합니다.예를 들어, 이것은 효소와 다른 단백질의 조절 메커니즘에 영향을 미칠 수 있다.

나노물질은 생체막을 넘어 큰 입자가 보통 접근할 수 [23]없는 세포, 조직, 장기에 접근할 수 있다.나노물질은 흡입이나 [7]섭취를 통해[6] 혈류에 접근할 수 있다.부러진 피부는 여드름, 습진, 면도 상처 또는 심한 햇볕에 타는 것이 나노물질의 피부 흡수를 가속시킬 수 있다는 것을 암시하는 비효율적인 입자 장벽이다.그런 다음, 혈류 속에 들어가면, 나노물질은 체내로 운반될 수 있고 뇌, 심장, 간, 신장, 비장, 골수,[8] 신경계를 포함한 장기와 조직에 흡수될 수 있다.나노 물질은 구성 및 농도에 [6]따라 인체 조직 및 세포 배양에 독성이 있을 수 있습니다(산화 스트레스 증가, 염증성 사이토카인 생성 및 세포 사멸을 초래함).

독성 메커니즘

산화응력

일부 유형의 입자는 작을수록 표면적 대 부피비가 커지고 화학 반응성과 생물학적 활성도 높아집니다.나노물질의 화학반응성이 높아지면 활성산소종(ROS)의 생산량이 증가할 수 있습니다.ROS 생산은 카본 플라렌, 카본 나노튜브, 나노입자 금속산화물 등 다양한 나노물질에서 발견되고 있다.ROS와 활성산소 생성은 나노 입자 독성의 주요 메커니즘 중 하나입니다. 산화 스트레스, 염증, 그리고 단백질, 막 및 [11]DNA에 대한 결과적인 손상을 초래할 수 있습니다.예를 들어, ROS를 변조하는 자기장을 가진 나노 입자 금속 산화물의 적용은 종양 [2]성장을 증가시킨다.

세포독성

NPs의 손상 효과에 대한 주요 지표는 세포막의 상태와 노출된 표면적에 의해 결정되는 세포 생존력이었다.금속성 NP에 노출된 세포는 구리 산화물의 경우 세포의 최대 60%가 생존 불능이 되었다.양전하를 띤 금속 이온은 종종 주변 세포의 세포막에 정전기를 일으켜 세포막을 덮고 필요한 연료와 [12]폐기물에 침투하는 것을 막습니다.운반 및 통신을 위한 노출이 적은 막으로 인해 세포는 종종 비활성 상태가 됩니다.

NPs는 주로 외부 NPs의 정전 [12]반응에 의해 야기되는 미토콘드리아 손상과 산화 스트레스 때문에 특정 세포에서 아포토시스(apoptosis)

유전독성

은, 아연, 산화구리, 우라니이트, 산화코발트와 같은 금속과 금속 산화물 NP도 DNA [12]손상을 일으키는 것으로 밝혀졌다.DNA에 가해진 손상은 종종 HPRT 유전자 테스트에서 발견된 돌연변이 세포와 군락을 초래할 것이다.

방법 및 표준

나노물질의 물리적·화학적 성질의 특성은 독성학 연구의 재현성을 보장하는 데 중요하며 나노물질의 성질이 그 생물학적 영향을 어떻게 [24]결정하는지 연구하는데도 중요하다.물질의 크기 분포나 응집 상태 등 나노물질의 성질은 독성학 연구에 사용됨에 따라 변화할 수 있으므로 실험에서 [17]서로 다른 지점에서 측정하는 것이 중요하다.

기존의 독물학 연구와 비교하여 나노독물학에서는 잠재적 오염물질의 특성화가 어렵다.생물학적 시스템 자체는 아직 이 정도 규모로는 완전히 알려지지 않았다.전자 현미경(SEM 및 TEM) 및 원자력 현미경(AFM) 분석과 같은 시각화 방법을 통해 나노 세계를 시각화할 수 있습니다.추가적인 나노독성학 연구를 위해서는 크기, 화학 조성, 상세한 형태, 집합 수준, 다른 벡터와의 조합 등 주어진 나노 원소의 특이성에 대한 정밀한 특성화가 필요하다.무엇보다도, 이러한 특성은 나노 구성요소가 생활 환경뿐만 아니라 (대부분 수성) 생물학적 환경에도 도입되기 전에 결정되어야 한다.

현재의 검출 기술에는 비싸고 복잡한 분석 기기가 필요하기 때문에 상업용, 환경용, 생물학적 샘플에서 나노 입자의 존재와 반응성을 신속하게 평가하기 위한 새로운 방법론이 필요하다.

정책 및 규제 측면

나노물질에 대한 독성학 연구는 직업적 노출 한계를 결정하는 데 중요한 입력물이다.

왕립학회는 나노 입자가 피부에 침투할 가능성을 파악하고 화장품에 나노 입자를 사용하는 것은 관련 유럽위원회 안전자문위원회의 호의적인 평가를 조건으로 할 것을 권고하고 있다.

Woodrow Wilson Center의 신흥 기술 프로젝트는 인간의 건강과 안전 연구를 위한 자금이 충분하지 않다고 결론짓고, 그 결과 현재 나노 기술과 관련된 인간의 건강과 안전 위험에 대한 이해는 제한적이다.미국 국립 나노 기술 이니셔티브(National Nanotology Initiative)는 약 4%(약 4000만달러)가 리스크 관련 연구 개발에 투입되고 있다고 보고하고 있지만, Woodrow Wilson Center는 약 1100만달러만이 실제로 리스크 관련 연구에 투입되고 있다고 추산하고 있습니다.이들은 2007년 이들 [25]분야의 지식 격차를 메우기 위해 향후 2년간 최소 5000만달러까지 자금을 늘릴 필요가 있다고 주장했다.

작업장 피폭의 가능성은 나노 입자와 나노튜브에 대한 작업장 피폭을 평가하고 통제하기 위해 기존 규정을 재검토할 것을 권고하는 2004년 왕립학회 보고서에 의해 강조되었다.보고서는 제조 과정에 [26]관여하는 근로자들이 나노 입자를 대량으로 흡입하는 것에 대해 특히 우려를 표명했다.

나노 입자와 나노튜브의 방출과 관련된 위험을 평가하고 제어하는 규제 프레임워크의 부족에 대해 우려하는 이해관계자들은 광우병('광우병'), 탈리도마이드, 유전자 변형 식품, 핵 에너지, 생식 기술, 생명공학 및 아스베스토시스(asbestosis)와 유사성을 이끌어냈다.이러한 우려에 비추어 캐나다에 본부를 둔 ETC 그룹은 작업장 [27]안전을 보장할 수 있는 포괄적인 규제 프레임워크가 개발될 때까지 나노 관련 연구를 중단할 것을 요구해 왔다.

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레퍼런스

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