植物、動物、ヒトにおけるナノ粒子の存在は増加の一途をたどっており、急速に世界的な健康リスクとなっています。体内へのナノ粒子の入り方は多く、例えば、吸入、摂取、皮膚への暴露、医療処置によるものなどがあります。私たちが浴びる粒子の種類や大きさは様々ですが、2.5μm未満の粒子は健康上の重大な懸念事項です。これらの粒子は肺に吸い込まれる可能性があり、長期的に暴露されると死亡率が上昇する可能性があります。通常100nm未満の超微粒子またはナノ粒子は、体内深くまで浸透し、広く分布する可能性があります。細胞や組織内のナノ粒子の位置と組成を決定することは、ナノ粒子が人間の健康にどのように影響を与えるか、どの粒子が最大の脅威となるかを理解する上で非常に重要です。

空気中の浮遊粒子や大気汚染は曝露の主な原因であり、以前のブログや ウェビナーでは、エネルギー分散型 X 線分析法 (EDS) が粒子状物質の自動特性評価に不可欠なツールであることを説明しました。 ナノ粒子への外部からの曝露だけが懸念材料ではありません。粒子はインプラント材料から内部的に発生する可能性があります（異なる組成の表面が接触する場所であればどこでも）。インプラントの種類によっては、他のものよりも多くの摩耗粒子が発生し、それに対応する故障率が高くなることがあります。2003年から2013年の間に、特定のタイプのインプラントにおける股関節インプラントの故障率が非常に高く（National Joint Registryによると、5年以内に5～37％）、英国だけで7万人弱の患者が影響を受けています。一部の患者が他の患者よりも多く反応した理由は不明ですが、関節不全後に得られたインプラントの周囲の組織には高レベルの摩耗粒子が見られました。

診断組織サンプルは、多くの場合、一般的なTEMサンプル調製法を用いて調製され、通常は固定され、樹脂に埋め込まれ、約70～100nmの厚さに切断されます。EDSとTEMまたはSEMを簡単に組み合わせて、サンプル中に存在するナノ粒子の組成を検出することで、インプラントのどの部分に由来するかを判断することができます。

２つの例をここに示します。組織サンプルは、股関節インプラントの不良後に収集され、ルーチンのTEM検査のために準備されました。 組織の薄い切片を銅製のグリッドに取り付け、STEMホルダーを使用して保持ししました。 EDSデータは、SEMにおいてUltim Extreme検出器を使用して5kVで収集されました。 後方散乱電子画像は、エンドソーム内のナノ粒子のクラスターを示しています（矢印）。 EDSは上記のサンプルではコバルト、チタン、クロムのナノ粒子を、他の例ではクロム、チタン、モリブデンを含む粒子を同定しました。 これらの材料は明らかに股関節インプラントの異なる領域に由来するものであり、複数の異なるタイプの材料を用いた複合構造であったにもかかわらず、最終的には同じ細胞内に蓄積されてしまいました。これらの粒子は分解することができず、これらの粒子にさらされ続けると、細胞内に大きなナノ粒子の集合体ができてしまいました（下の画像）。これは、毒性レベルに達するまで続き、細胞死を引き起こしました。

EDSは電子顕微鏡で組成情報を提供する迅速な分析ツールであり、ルーチンのEM分析のために準備されたサンプルを使用することができます。このケースでは、EDSは、将来のインプラント設計や患者の転帰の改善に貢献することが期待されるインプラントの問題点を特定するのに役立つ診断ツールを提供しました。  

EDSは通常、生物学的サンプルに適用できるとは考えられていませんが、上記はライフサイエンスにおけるEDSの様々なアプリケーションの一つに過ぎません。生物学的アプリケーションの詳細については、オンデマンドのウェビナーとバイオイメージングと生命科学のウェブページをご覧ください。

Dr Louise Hughes

Life Science Product Manager

このデータは、Dr. Zhidao Xia（Swansea Uniwersity）との共同研究の一環として収集されました。