静電気学会誌，37, 3（2013）144-149

論文

DNA切断頻度を指標とした放電生成物を放出する家電製品の生体に対する安全性評価
栗田 弘史 ，水野 彰＊, 1＊（2013年3月29日受付；2013年4月24日受理）

Safety Evaluation of Home Electric Appliances Equipped with Discharge Devices
Based on Single-molecule Measurement of Strand Breaks on Large DNA＊, 1

Hirofumi KURITA＊

and Akira MIZUNO(Received March 29, 2013; Accepted April 24, 2013)
We report a single-molecule-based analysis of strand breakages on large DNA molecules induced by substances emitted fromhome electric appliances equipped with discharge devices, such as an air purification system. We exposed DNA solution andbacteria to the air containing the substances or gamma-rays; single-molecule observation that involved molecular combing
was then used to measure the length of individual DNA molecules. The measured DNA length showed that the substancesfrom the discharge devices caused a marked change in length of DNA molecules. These results indicated that thecommercialized home electric appliances equipped with discharge devices induced strand breakage on large random-coiled
DNA molecules.

1．はじめに効果は装置近傍でしか期待できず，それに寄与する物質

近年，新型インフルエンザの流行やいわゆる PM2.5 とは，メーカーが主張するような各種イオンではなく，オ呼ばれる粒子状物質による大気汚染問題が広く社会に認ゾンである可能性が高いと報告している ．このように，5）知されたことから，医療現場はもとより一般家庭におい放電装置を内蔵する家電製品の除菌効果・ウィルス不活ても室内環境の清浄化に対する関心がいっそう高まって化効果などについて賛否両論がある．加えて，人体へのいる．このことから空気清浄機をはじめとして多種多様影響に関する知見が不足しており，安全性について十分な家電製品が普及し，これらの一部に空気中への特殊なな議論がなされているとは言い難い．効果の有無をさら物質の放出により，空気中での除菌効果やウィルスの不に突き詰めるには，細胞の構成分子である核酸・タンパ活化をうたう製品が市販されている．これらの家電製品

ク質の損傷を検証する必要があると考えられるが，これの多くは放電デバイスを内蔵していることから，各種イまでにこれらの損傷を分子レベルで検証した例は少ない．

オン，オゾン，窒素酸化物などが放電により生成される

本研究ではこのような家電製品による生体分子への影と考えられる．具体例として，空気中での放電では窒化響の有無とその定量化の指標として DNA 鎖切断に着目酸化物イオンとアンモニウムイオンが生成されやすい傾した．近年，大気圧低温プラズマの医療応用に関する研向にあることが長門により報告されている ．これらの究が急速に進展し，生物に普遍的に存在する DNA 分子効果について，各社独自の試験方法による報告がカタロへの大気圧低温プラズマの影響は，発がんやアポトーシ

グやメーカー発表の論文などに示されている

スなどに関わるため，DNA 損傷が解析されている

1）

．しかし，

2-4）

．

6-9）

その試験条件が実際の使用条件とかけ離れた非現実的なこれらの報告で，DNA 鎖切断は放電で直接または間接ものであったり，その詳細な結果について不明瞭なケーに生成される OH ラジカルなどによる酸化的損傷であるスがあったりするほか，統一した試験方法が制定されてことがゲル電気泳動により解析されている．さらに筆者いないことも問題である．さらに，西村はこれらの殺菌

らはゲル電気泳動では解析困難な長鎖 DNA の鎖長を 1分子単位で計測し，鎖長と簡単な数理モデルから切断頻キーワード：室内空気浄化，放電生成物，殺菌，DNA損傷，1 分子計測＊
豊橋技術科学大学 大学院工学研究科 環境・生命工学系（441-8580 愛知県豊橋市天伯町字雲雀ヶ丘 1-1）
Department of Environmental and Life Sciences, Graduate
School of Engineering, Toyohashi University of Technology
1kurita@ens.tut.ac.jp

度を定量的に算出する方法

10-13）

で大気圧プラズマジェットによる DNA 切断を定量化している ．この数理モデ
14）

ルは吉川らにより提起され，放射線液13）

10-12）やタバコ煙抽出による DNA 切断に適用されているほか，抗酸化物質による切断抑制効果も定量化されている．この DNA
切断頻度による放電生成物の影響評価は，従来の微生物

DNA切断頻度を指標とした放電生成物を放出する家電製品の生体に対する安全性評価（栗田 弘史ら）145（35）の生存率を指標とした評価と異なり，培養プロセスを必要とせず，迅速な安全性評価方法になり得る．
本 研 究 で は， 放 電 装 置 を 内 蔵 す る 家 電 製 品 に よ る
DNA 切断の定量的解析と従来法である微生物の生存率評価を実施し，さらに放射線滅菌に用いられているガンマ線による DNA 切断の解析結果と比較・考察した．

2．実験方法2.1 試験装置
図 1 に試験装置を示す．試験には数ある家電製品からA 社の両極性イオンを発生する製品 α と，B 社のナノサイズのミストを発生する製品 β を使用した．製品から放図 1 実験装置図
Fig.1 Experimental setup.

電デバイスを取り出し，内容積 30 L のアクリル製チャンバー内に設置した．製品 α の放電デバイスは複数の正または負イオンを発生するイオン発生電極が交互に配置され，発生した正イオンと負イオンが空間中で混合されている．一方，製品 β は負極性のミストを発生するミスト電極で構成されている．イオン発生電極またはミスト発生電極とサンプルとの距離 d は 3，50，100 mm のいずれかとした．製品 α の d = 3 mm の場合は，負イオンを発生する電極の直下にサンプルを設置した．また dが 50，100 mm の場合は電極デバイス横にファンを設置

図 2 DNA 分子のガラス基板への伸張固定
Fig.2 Stretching and immobilizing DNA molecules.

しサンプル近傍で 0.6～0.8 m/s の風速条件にてイオン発生電極近傍の空気をサンプルに吹き付けるように構成しepidermidis, NBRC12993）を用いた．まず規定の培養液た．実際の製品において，放電生成物放出部に活性炭フで 35°C，18 時間培養した後，細胞懸濁液を 0.45 μm メ

ィルタなどの放電放出物を分解除去する機構は備わってンブレンフィルターでろ過し，滅菌生理食塩水で洗浄し，いない。従って，放電デバイスを取り出したとしても風滅菌水に回収した．これを滅菌生理食塩水で適宜希釈し量を揃えれば実際の運転条件と同様になる．実験はすべて，TSA 培地（ Trypticase Soy Agar ）に細菌数として約て室温（18～22°C），相対湿度 50～70%RH の範囲で行っ300 個を培地表面に塗布し，図 1 の試験装置に d = 100た．運転時の設定は，製品 α は「強モード」，
製品 β は「タmm の条件で設置した．所定時間処理後に 35°C，18 時ーボモード」とした．アクリル製チャンバー内のオゾン間培養し培地に形成したコロニー数を計数して生存率を濃度はオゾンモニタ（ EG-2001F, 荏原実業）により測定算出した．

した．

2.2 サンプル調製

2.3 放射線照射比較のために，2.2 で調製した DNA 溶液および寒天培

本研究でのサンプルは，DNA 溶液および微生物細胞地に対し放射線照射を行った．DNA 溶液はポリスチレを塗布した寒天培地の 2 種類とした．直鎖状長鎖 DNA

ン製の 96 穴マイクロプレートに入れ，表皮ブドウ球菌として λDNA（48.5 kbp, ニッポンジーン）を用いた．こを塗布した寒天培地とともに同時にガンマ線に曝露しの DNA を，50 mM Tris-HCl（ pH 8.0）, 5 mM MgCl2 緩衝た．コバルト 60 線源のガンマ線で照射量は 0.1～2,000

液に 6.2 ng/μl となるように希釈したものを DNA 溶液とGy の範囲とし，照射時間は 1 時間に固定した．照射後した．DNA 溶液 100 μl をポリスチレン製の 96 穴マイク

直ちに冷蔵保存を行い，DNA 溶液については 3 時間以ロプレートに滴下し，図 1 のように試験装置に設置した．

内に 2.2 と同様にスピンカラムのゲルろ過，寒天培地に

所 定 時 間 処 理 し た 後， ス ピ ン カ ラ ム（ CHROMA

ついては培養後に生存率を算出した．

SPIN+TE 1,000 Columns, Clontech ）を用いてゲルろ過を2.4 DNA分子鎖長計測と切断頻度の算出行い，Tris/EDTA 緩衝液に置換した．

精製後の DNA は 0.1 μM 蛍光色素 YOYO-1 で蛍光染

一方，微生物サンプルには表皮ブドウ球菌（Staphylococcus色した．個々の DNA を伸張させるため分子コーミング

146（36）

静電気学会誌 第37巻 第 3 号（2013）

図 3 照射後に蛍光染色・伸張固定した DNA の蛍光像．図中左上に照射時間を示す．
Fig.3 Typical photographs taken during the fluorescence observation of DNA molecules. Exposure time is indicated in each photograph.

法によりガラス基板上に伸張固定した（図 2）．ガラ

14, 15）ス基板（24 × 60 mm, 0.17 mm 厚 , マツナミ）の片側を約55°持ち上げ，その上端部に DNA を含む溶液を滴下した後，液滴を重力によりスライドさせて行った．これにより溶液中の DNA は界面の移動に伴いガラス基板上に伸張固定される．このガラス基板を蛍光観察し，個々のDNA 鎖長から DNA 切断を評価した．
個々の DNA 鎖長から 2 本鎖切断を定量的に解析するため，以下に示す計算式を用いた．照射前の平均10-13）

DNA 鎖長を L0（単位は μm ），照射後に観察された平均DNA 鎖長を L（単位は μm ），1 分子の DNA に起こる 2本鎖切断の回数を n として，次式を仮定する．
L = L0（/ n+1）（1）

ここで切断回数 n が照射時間 t（単位は hr ）に比例すると仮定すると，（2）n = kt

図4

放電デバイス α により断片化した相対 DNA 鎖長の経時変化．
Fig.4 Time course of change in relative length of DNA induced bydischarge products from a discharge device α. The relative
length L/L0 is plotted as a function of the exposure time. The（ kt+1）.
curves were drawn using L/L0 = 1/

ここで k（単位は hr ）は切断頻度となる．上の 2 式から，
-1以下の関係式が得られる．
L/L0 = 1/（ kt+1）（3）

鎖長計測により得られた L/L0 を照射時間毎にプロットし，（3）式にフィッティングすることで切断頻度 k を得た．
放射線照射の場合は（3）式において t をガンマ線照射線量 D（単位は Gy ）に置き換えた関係式，すなわち
L/L0 = 1/（ k’D+1）（4）

により同様に切断頻度 k’（単位は Gy ）を得た
-1．

10-12）

3．実験結果図 3 に製品 α により，d = 3 mm 条件で 0, 3, 7 時間処理後に観察した DNA 断片の蛍光像を示す．同様の操作を各条件に対して行い，1 条件に対し 100 分子以上のDNA 断片の鎖長を計測した．図 3 を見ると，処理後に鎖長の短い DNA 断片数が増加していることが確認された．図 4, 5 に各デバイスにより断片化した相対 DNA 鎖長と処理時間との関係を示す．図 4，5 を見ると，照射

図5

放電デバイス β により断片化した相対 DNA 鎖長の経時変化．
Fig.5 Time course of change in relative length of DNA induced bydischarge products from a discharge device β. The relative
length L/L0 is plotted as a function of the exposure time. The（ kt+1）.
curves were drawn using L/L0 = 1/DNA切断頻度を指標とした放電生成物を放出する家電製品の生体に対する安全性評価（栗田 弘史ら）147（37）

図 6 放電デバイス α，β の表皮ブドウ球菌に対する殺菌効果．
Fig.6 Time course of change in the survival ratio of Staphylococcus
epidermidis induced by discharge products from dischargedevices（ α, β ）.

図 8 表皮ブドウ球菌のガンマ線による殺菌
Fig.8 Change in survival ratio of Staphylococcus epidermidis
induced by gamma-rays.

図 7 相対 DNA 鎖長とガンマ線線量との関係
Fig.7 Change in relative length of DNA induced by gamma-rays.
The relative length L/L0 is plotted as a function of doseof gamma-rays. The curves were drawn using L/L 0 =1/（ k’D+1）.

図 9 相対 DNA 鎖長と生存率との関係
Fig.9 The relationship between L/L 0 and survival ratio of
Staphylococcus epidermidis induced by discharge products
from discharge devices（ α, β ）and gamma-rays.

時間の経過に伴って相対鎖長が非照射の場合と比較してには正負イオン両方の寄与とファンによるイオンなどの顕著に減少していることが分かる．DNA の相対鎖長 L/搬送も考えられる．

L0 を照射時間の関数として（3）式から近似曲線を描き，

図 6 に放電デバイスによる表皮ブドウ球菌の殺菌実験

このフィッティングから切断頻度 k を求めた．製品 α の結果を示す．2 時間曝露では 77～91% の殺菌率を示した．

場合，d が 3 mm，50 mm，100 mm での切断頻度 k はそ製品 β の 3 時間以上の条件では，培地上に形成したコロ

れぞれ 0.259，0.223，0.108 hr であった．図 5 より製品ニーは無かったため，殺菌率としては 99.7% 以上であっ

β の d が 100 mm で切断頻度は 0.118 hr であった．ここた．図 6 では便宜上，検出限界である生存率 3.0 × 10で製品 α について，d = 50 mm と 100 mm を比較するとを表記している．製品 α，β の生存率の経時変化を比較

切断頻度が約半分に低下しているのに対し，d = 3 mm とすると，製品 β のほうが短時間で検出限界に至っている．

-1-1-350 mm を比較すると切断頻度に大きな違いが見られな

そこで、製品 α，β のアクリル製チャンバー内のオゾンい．これは d = 3 mm と 50 mm で実験条件が異なるため濃度を測定したところ．製品 α の場合 2 時間で 0.23 ppmと考えられる．具体的に d = 3 mm の場合には，2 種類まで大きく上昇するが，それ以降上昇速度は遅く 5 時間

あるイオン発生電極のうち負イオンを発生する電極の直以上で約 0.3 ppm で飽和した．一方，製品 β は製品 α よ下に DNA 溶液を設置しているのに対し，50 mm の場合りも全体的に高いオゾン濃度であるが，オゾン濃度の上

148（38）

静電気学会誌 第37巻 第 3 号（2013）

昇特性は類似しており，測定開始 1 時間で 1.50 ppm ま係から鎖長計測により迅速な生存率の予測が可能になるで上昇するが，2 時間以降は大きな変化はなく，飽和濃と考えられる．

度は約 1.7 ppm であった．図 6 で製品 α の場合の表皮ブ

これまでに，大気圧低温プラズマあるいは放射線によドウ球菌生存率の経時変化をみると，3 時間以降横ばいる溶液中 DNA 損傷は主として 1 本鎖切断であることがとなっている．このことから製品 α，β のオゾン放出特示されている性の違いが表皮ブドウ球菌生存率の経時変化に影響して子観察では DNA 鎖長の減少，すなわち 2 本鎖切断が観いると考えられる．また，オゾンの安全性や基準濃度に察された．この理由として，1 本鎖切断による DNA 立

ついて，空気清浄機使用時のオゾン濃度の上限を 0.05体構造の不安定化が挙げられる．2 重らせんの片方の鎖ppm とする日本電機工業会（ JEMA ）での基準がある．に 1 本鎖切断が起こると立体構造が不安定化し，相補的本研究での測定濃度は 30 L チャンバー内の濃度であるな部位に過度の物理的なストレスが生じると考えられため，基準を大きく上回ったと考えられる．

る．長鎖 DNA の場合その影響は顕著となり，1 本鎖切．本研究での蛍光顕微鏡を用いた 1 分9, 16）

図 7 にガンマ線照射時の L/L0 の経時変化を示す．図 7

断と分子コーミングや溶液中ブラウン運動による物理的においては，（4）
式から DNA 鎖長変化の近似曲線を描き，なストレスにより 2 本鎖切断が観察されたと考えられ切断頻度 k＇ を求めた．ガンマ線 1,000 Gy で L/L0 が約 0.4る．従って本研究で得られた切断頻度はこれらの複合的まで減少した．減少曲線は（4）式でよく近似でき，切な要因を含んだものであると考えられる．

断頻度 k’ は 1.04 mGy と計算された．
-1

放電生成物，ガンマ線いずれの照射においても DNA

図 8 にガンマ線照射時の表皮ブドウ球菌の生存率と照へのダメージはランダムに誘導されると考えられる．

射線量の関係を示す．図 8 を見ると表皮ブドウ球菌は，DNA 切断が溶液中の DNA 分子にランダムに導入される

500 Gy で 95% の殺菌率であった．1,000 Gy 以上では，とき，平均切断回数と損傷を受けた分子数の関係はポア培地上に形成したコロニーは無かったため，図 8 では便ソン分布に従うと考えられる．ポアソン分布に従うと，宜上，検出限界である生存率 3.0 × 10 を表記している．

平均 1 回の切断が導入されるとき，切断を受けない分子-3は約 37% で残りの約 63% には 1 箇所以上の切断が導入4．考察される．実験結果で示したように，放電電極と DNA 溶

製品 α，β の d = 100 mm 条件とガンマ線照射条件のそ液との距離，すなわち d が 100 mm の条件では，製品 α，れぞれについて L/L0 と表皮ブドウ球菌の生存率の関係

β の切断頻度はそれぞれ 0.108，0.118 hr であったことをプロットした結果を図 9 に示す．図 9 は生存率と相対から 10 時間の照射で半数以上の分子に損傷が導入され鎖長の相関関係を表しており図 4～8 をまとめている．

ると考えられる．一方，典型的な放射線源であるガンマ

特筆すべき点は，L/L0 が 0.8～1 の範囲での表皮ブドウ線による DNA の切断頻度は 1.04 mGy と計算された．

球菌生存率変化に対し，L/L0 が 0.8 を下回るとその生存この切断頻度をもとにして平均 1 回の切断を導入するた率が急激に低下する点，およびその傾向が放電デバイス

めにそれぞれどれだけの照射量が必要かを考える．上述-1-1とガンマ線で共通している点である．図 6 で議論したよのように放電デバイスの場合 d が 100 mm の条件では，うに，放電デバイスによる殺菌効果はチャンバー内のオ製品 α，β ともに平均 1 回の切断を起こすためには約 10ゾン濃度の経時変化と飽和オゾン濃度に依存することが時間の照射が必要になる．放射線の場合，切断頻度 k＇考えられるが，ガンマ線の場合には照射開始直後から時は 1.04 mGy であったため同じく平均 1 回の切断を起こ間的変動のない放射線が照射されている．この点で両者すためには約 1,000 Gy のガンマ線照射が必要となる．に違いがあるにも関わらず同様の傾向を示すことは非常

両者を平均 1 回の切断を基準に比較すると，放電デバイに興味深い．また放電デバイスとガンマ線で共通する点

スの近傍 100 mm 以内に置いた DNA 溶液に放電デバイを考えると，共に水中に OH ラジカルなどを生成する点

スからのイオン等を 10 時間照射すると，1,000 Gy のガが挙げられる．以上のことから，放電デバイスから，主ンマ線照射に相当する DNA 切断を誘導することが考えとしてオゾンなどの空中放出物が水中に溶解したことにられる．一般的な放射線治療での総線量は数十 Gy であ-1より OH ラジカルなどを生成し，DNA に酸化的損傷をり，分割照射の場合の 1 回当たりの線量は数 Gy である与えたと考えられる．しかし，放電デバイスによる殺菌ことを考えると，室内環境浄化を目的とした放電デバイおよび DNA 切断の主因を OH ラジカルと断定するにはスにおいても非常に近接した条件では生体分子への損傷さらなる検討が必要である．また，通常生存率の算出をを誘導する可能性が高い．また，放射線照射の場合，溶計測するには培養プロセスが不可欠であるが，図 9 の関液中の DNA 分子に均一に損傷が導入されるのに対し，DNA切断頻度を指標とした放電生成物を放出する家電製品の生体に対する安全性評価（栗田 弘史ら）149（39）放電デバイスの場合には，特に溶液と気相の界面付近の

7） S. Ptasinska, B. Bahnev, A. Stypczynska, M. Bowden, N. J.

分子にはこれよりもさらに多数の分子に損傷を与えていMason and N. S. J. Braithwaite: DNA strand scission induced

ることが考えられる．

by a non-thermal atmospheric pressure plasma jet. Phys.

今回検証した製品 α と β は，d が 100 mm 以内の条件

Chem. Chem. Phys., 12（2010）7779

で非照射群と比較して明瞭な DNA 切断が観察されたこ

8） A. Stypczynska, S. Ptasinska, B. Bahnev, M. Bowden, N. S. J.とから，空中放出物が水中に溶解し生体高分子に損傷をBraithwaite and N. J. Mason, ＂The influence of amino acids on

与える可能性が高いと考えられる．

DNA damage induced by cold plasma radiation. Chem. Phys.
Lett., 500（2010）313

5．まとめ

9） D. O'Connell, L. J. Cox, W. B. Hyland, S. J. McMahon, S.

長鎖 DNA の 1 分子観察法と簡単な数理モデルを用い

Reuter, W. G. Graham, T. Gans and F. J. Currell: Cold

ることで，空中浮遊物放出を伴う放電デバイスによるatmospheric pressure plasma jet interactions with plasmid

DNA 損傷の定量的な解析が可能であることを確認した．

DNA. Appl. Phys. Lett., 98（2011）043701

その結果，除菌，ウィルス不活化効果をうたう家電製品

10）Y. Yoshikawa, T. Mori, N. Magome, K. Hibino and K.

2 機種の放電デバイスの近傍 100 mm 以内で溶液に懸濁

Yoshikawa: DNA compaction plays a key role in radioprotection

した DNA の鎖切断が存在する可能性が高いことが示唆

against double-strand breaks as revealed by single-molecule

された．また放電デバイスの近傍 100 mm 以内に置いたobservation. Chem. Phys. Lett., 456（2008）80

DNA 溶液に放電デバイスからのイオン等を約 10 時間照11） M. Suzuki, C. Crozatier, K. Yoshikawa, T. Mori and Y.

射すると，1,000 Gy のガンマ線照射に相当する DNA 切

Yoshikawa: Protamine-induced DNA compaction but not断を誘導すると推測された．

aggregation shows effective radioprotection against double-放電生成物による DNA 切断のメカニズムは，各種イ

strand breaks. Chem. Phys. Lett., 480（2009）113

オン，オゾン，窒素酸化物の複合要因と推測されるが，

12）Y. Yoshikawa, T. Mori, M. Suzuki, T. Imanaka and K.

今後は化学種の同定など詳細なメカニズム解明を行うこYoshikawa: Comparative study of kinetics on DNA double-とで，より安全な家電製品の開発推進に寄与できるもの

strand break induced by photo- and gamma-irradiationと考えられる．

Protective effect of water-soluble flavonoids. Chem. Phys.
Lett., 501（2010）146

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