[論文レビュー] Effect of Nanoparticles on the Bulk Shear Viscosity of a Lung Surfactant Fluid

L.P.A. Thai, Fanny Mousseau+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Aerosol Filtration and Electrostatic Precipitation参考文献 68被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、磁性ワイヤー微粘度測定法を用いて、人工模倣肺界面活性剤の体積粘性率に与えるエンジニアリングナノ粒子の影響を調査した。陽性シリカ（42 nm）は界面活性剤を液状化させ、酸化アルミニウム（40 nm）は液体から柔ららか固形への転移を引き起こすことが判明し、呼吸時の界面活性剤再組織化に深刻な影響を及ぼす可能性がある。

ABSTRACT

Inhaled nanoparticles (< 100 nm) reaching the deep lung region first interact with the pulmonary surfactant, a thin lipid film lining the alveolar epithelium. To date, most biophysical studies have focused on particle induced modifications of the film interfacial properties. In comparison, there is less work on the surfactant bulk properties, and on their changes upon particle exposure. Here we study the viscoelastic properties of a biomimetic pulmonary surfactant in the presence of various engineered nanoparticles. The microrheology technique used is based on the remote actuation of micron-sized wires via the application of a rotating magnetic field and on time-lapse optical micros-copy. It is found that particles strongly interacting with lipid vesicles, such as cationic silica (SiO2, 42 nm) and alumina (Al2O3, 40 nm) induce profound modifications of the surfactant flow proper-ties, even at low concentrations. In particular, we find that silica causes fluidification, while alumi-na induces a liquid-to-soft solid transition. Both phenomena are described quantitatively and ac-counted for in the context of colloidal physics models. It is finally suggested that the structure and viscosity changes could impair the fluid reorganization and recirculation occurring during breath-ing.

研究の動機と目的

• エンジニアリングナノ粒子が肺界面活性剤の体積粘弾性特性に与える影響を調査すること。
• ナノ粒子と界面活性剤の相互作用が、肺胞下層における流体の流れと構造的ダイナミクスをどのように変化させるかを特定すること。
• ナノ粒子濃度と現実の暴露レベルを関連付けることで、これらの変化の生理的関連性を評価すること。
• 磁性ワイヤー微粘度測定法を用いて、小体積かつ不均一な界面活性剤分散体における粘性率と弾性率を測定すること。

提案手法

• 回転磁場によって駆動されるマイクロメートルサイズの磁性ワイヤーを用いた磁性回転スペクトロスコピーテクニック（MRS）を用い、局所的粘度を測定した。
• 44 g L⁻¹の脂質濃度を有するバイオミメティックCurosurf®を調製し、ナノ粒子濃度を10⁻³〜0.50 g L⁻¹の範囲で変化させた。
• 時間分解光学顕微鏡を用いてワイヤー回転を追跡し、せん断粘性率と弾性率を抽出した。
• 水-グリセリン混合液（4.95–80.0 mPa·sの既知の粘性度）を用いてワイヤーをキャリブレーションし、磁化率異方性係数（Δχ = 0.054 ± 0.006）を決定した。
• 氷結TEMおよび動的光散乱を用いて、びん状構造の確認と凝集の不在を検証した。
• ナノ粒子濃度と肺胞への暴露レベルを関連付け、肺胞領域1つあたり約24 µg〜240 µgのナノ粒子が存在すると推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カチオン性シリカおよび酸化アルミニウムナノ粒子は、バイオミメティック肺界面活性剤の体積せん断粘性率をどのように変化させるか？
• RQ2 観察された液状化（シリカ）およびゲル化（酸化アルミニウム）転移の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ3 低濃度でのナノ粒子-界面活性剤相互作用が、呼吸周期中の界面活性剤再組織化能力にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ナノ粒子誘発の粘性率変化が、現実の肺胞暴露レベルとどの程度相関するか？
• RQ5 磁性ワイヤー微粘度測定法は、複雑で小体積の界面活性剤分散体における粘性率と弾性率を正確に定量できるか？

主な発見

• カチオン性シリカナノ粒子（42 nm）は、低濃度（10⁻³ g L⁻¹）でも肺界面活性剤の体積せん断粘性率を低下させ、液状化を誘発する。
• 酸化アルミニウムナノ粒子（40 nm）は液体から柔ららか固形への転移を引き起こし、界面活性剤の弾性率と粘性率を顕著に増加させ、臨界濃度閾値が観察された。
• シリカによる液状化と酸化アルミニウムによるゲル化は、コロイド物理学モデルで定量的に記述可能であり、脂質ビスマスと強い界面相互作用が存在することが示唆された。
• 10⁻² g L⁻¹の濃度では、ナノ粒子の暴露量は全肺胞領域で約240 µgに相当し、1肺胞あたり約10,000粒子に相当する。
• Krieger-Dougherty式は、ビスマス体積分率（𝜙）に依存する粘性率の依存関係を正確に記述しており、最大充填分率𝜙* = 0.65が得られた。
• 本研究では、これらの粘性率および構造的変化が、呼吸時の界面活性剤の動的再組織化および再循環を損なう可能性があり、肺機能に悪影響を及ぼす可能性があると示唆された。