DNA損傷與納米粒子

陳軼翔/編譯

DNA損傷與納米粒子

陳軼翔/編譯

布萊恩特·尼爾森

●布來恩特·尼爾森是一位從事研究工作的化學家，致力于研究納米粒子是否會導致遺傳損傷的量化方法。下面他向《美國科學家》雜志主編法尼拉·桑德斯（Fenella Saunders）講述了自己的研究工作。

近年來，含有納米粒子的產(chǎn)品出現(xiàn)激增。納米粒子即直徑約為或不足100納米的粒子物質(zhì)。在如此小的范圍內(nèi)，熟悉的元素和化合物呈現(xiàn)出新奇而頗為有用的屬性。但尚不清楚有多少納米粒子會擴散到環(huán)境中，也不知道它們會對環(huán)境造成怎樣的傷害；例如，一些研究表明，用來抗菌的銀納米粒子可能會損害肝和大腦細胞。目前納米粒子和散狀物料在法律規(guī)定方面是完全相同的。布來恩特·尼爾森（Bryant C.Nelson）現(xiàn)就職于美國國家標準和技術研究院（NIST），是一名化學家，同時也是美國自然科學協(xié)會(Sigma Xi)的一位杰出講師，從事納米粒子是否會導致遺傳損傷的量化方法研究。

問：自然納米粒子同工程納米粒子之間是否存在區(qū)別？

答：我們稱之為工程納米材料,但實際上自古以來它們就作為自然納米材料而存在著。碳納米管就是一個很好的例子。它們普遍存在于自然環(huán)境中，其最初形態(tài)來自于火山爆發(fā)，甚至汽車尾氣，但我們也可以通過化學反應原理對這些碳納米管進行構思設計。

問：在消費品中使用納米材料只是一種時尚嗎？

答：這肯定不是一種時尚。在其制造生產(chǎn)中有很多商業(yè)利益。比如，從襪子到洗衣機，很多商品中都有抗菌特性的工程銀納米粒子的存在。某些納米材料可以用來制造生產(chǎn)強度更高的材料，有一些或許可以應用于醫(yī)療方面。

問：隨著這些產(chǎn)品越來越成為主流，是否會有更多的納米粒子釋放到環(huán)境中？

答：我們要知道可能進入環(huán)境的納米材料的類型和數(shù)量，那么我們就必須要有一套方法，量化機制及規(guī)程來測量被釋放到環(huán)境中的納米材料數(shù)量，識別其類型。由于釋放到環(huán)境中的納米粒子有多種類型，所以量化工作會很復雜。我們需要新的方法和技術對多種不同形式的納米材料加以區(qū)分。針對要檢測的不同空間當中（無論是水，沉積物還是空氣）的納米粒子，我們提出兩大主要策略：粒子的識別和粒子的量化。最近討論的焦點就是怎樣識別單個粒子。

隨著氧化銅納米粒子水平的增加，蘿卜芽的發(fā)育狀況（由左至右）變得越來越差，由此可看出其對基因和結構損害的程度不斷加深

問：納米粒子與細胞相互作用會出現(xiàn)什么情況？

答：我們正在研究分子水平的相互作用。比如，我們正試著去了解，碳納米管是如何改變DNA屬性的。

問：DNA可以自我修復，那么其對于防范損傷的能力有多大呢？

答：即使戶外散步這樣的簡單行為也會使我們的DNA受損。例如，紫外線可能會對我們的DNA產(chǎn)生損害，那么我們的身體就必須要有一個機制對此做出修復。所幸，人類和其它生物體內(nèi)存在大量冗余的DNA修復系統(tǒng)。電離輻射可能會產(chǎn)生自由基，如羥基，從而導致DNA的氧化。如果足夠接近DNA，自由基可以與DNA在細胞的液體中互相作用并引起變化。氫氧根自由基附著在DNA堿基分子上，而一個給定的堿基結構可以是折疊的，也可以是展開的。否則會導致DNA堿基的缺失。

問：DNA損傷是否還會造成遺傳密碼本身的改變呢？

答：氧化改性堿基會導致DNA序列發(fā)生改變。如果細胞不斷復制，改性堿基逐步穩(wěn)定，突變形成的幾率就會增大，可能會導致癌癥。

問：納米粒子是如何導致此種DNA損傷的？

答：已確認有幾種不同的機制。如果納米粒子足夠小，就可以進入核膜孔，被輸進細胞核，與DNA直接相互作用。納米粒子可能會與DNA結合，那也許會造成各種各樣的破壞。一個主要機制就是通過納米粒子產(chǎn)生自由基。一些金屬納米粒子能夠和存在于每一個細胞中的過氧化氫相互作用，并將其轉(zhuǎn)化為能夠進入細胞核的氫氧自由基，那么就有可能會造成DNA損傷。

問：納米粒子是如何進入細胞中的？

答：實際上，一些納米粒子可通過內(nèi)吞作用進入細胞，即被細胞膜中的囊泡吞沒。如果有足夠多的納米粒子進入細胞，就會增加細胞的氧化應激。這時，細胞招募不同類型的中性粒細胞和巨噬細胞，從而強化了自由基的生成，進而使自由基可游走于整個細胞中。

實際上，這是細胞對于外源粒子進入而產(chǎn)生的一種自然反應。但納米粒子可以逾越細胞的自然抗氧化防御機制。若產(chǎn)生了太多的羥基，以至于細胞無法應對，那么就會發(fā)生氧化爆發(fā)，使細胞無力承受。

問：如何量化納米粒子對DNA造成的損害？

答：利用堿基切除修復蛋白，我們將堿基從DNA鏈中移除。進一步，使用改性堿基，培育一種已知屬于穩(wěn)定同位素的化學物質(zhì)。然后我們計算出在DNA樣本中被修改的堿基比率，并將其與加入的DNA數(shù)量做出比較。最終我們將得出在該DNA樣本中，每一個堿基的受損量。

問：在這些實驗中，是否使用幾種不同的篩選模型呢？

答：從最簡單的，到最復雜的，我們用了幾種不同的模型。一開始只有簡單的DNA，然后用納米粒子來培育它，嘗試測量DNA修飾的產(chǎn)生，并對于納米粒子可能與DNA之間的相互作用做出一個基線評估。之后是細胞。最終我們能夠從更高級的生物體（如植物、線蟲）身上提取DNA。

問：DNA樣本的規(guī)模需要有多大呢？

答：我們需要將近50微克的DNA。這大約是500萬HeLa細胞或25萬秀麗隱桿線蟲。在實驗室里，我們培育著數(shù)十億的細胞，所以有著充足的DNA樣本。

問：這些實驗需要重復多少次才可以設立一個標準呢？

答：再現(xiàn)性的確是至關重要的。每一個實驗，我們都要完整地做兩至三次，以確保我們測量的真實性。這是現(xiàn)在科學領域的重大問題。如果你發(fā)現(xiàn)了一個反應，無論是正面的還是負面的，都需要通過反復實驗研究來驗證其正確性。

問：是否已發(fā)現(xiàn)影響納米粒子屬性的具體條件呢？

答：用于顏料、化妝品和其他各種產(chǎn)品的二氧化鈦納米粒子，光照下可以產(chǎn)生自由基，同時也有一些研究卻得出了相反的結論。我們對實驗做了如下設置：將DNA與二氧化鈦納米粒子分別在不同的光照條件下進行接觸。結果發(fā)現(xiàn)，黑暗中二氧化鈦不會誘使DNA損傷。在可見光中，DNA是否損傷取決于二氧化鈦的用量。紫外線光照條件下，DNA損傷程度較深。研究表明，需要利用可控的測量條件來評估是否發(fā)生了DNA損傷。

問：納米粒子是否也可以減少DNA損傷或是對抗癌癥呢？

答：碳納米管可以在各種類型的細胞環(huán)境中清除自由基。與此同時，我們想研究出一種方法來確定碳納米管是否可以防止或減少氧化DNA損傷。我們用單鏈DNA把碳納米管包起來，將其暴露于定量的超聲波中，眾所周知，這將產(chǎn)生類似電離輻射的自由基。

我們想知道碳納米管是否能夠?qū)η宄杂苫a(chǎn)生影響。答案是肯定的，正是基于碳納米管清除自由基的能力，才能減少DNA損傷的程度。但是在此項研究成為可行治療之前，還有很多工作要做。

問：某些納米粒子可以用來靶向癌細胞嗎？

答：我們想要開發(fā)一個程序來確定金納米粒子(直徑大約是1.4納米)是否可以抑制DNA修復蛋白。目前為止，已有一些證據(jù)表明答案是肯定的。如果想要用這些粒子來靶向癌細胞，還需要一些基礎性工作，比如把這些粒子研制成某種形態(tài)的抗癌藥物。雖然這些納米粒子有很多用途，但在具體應用之前，還有大量的工作要做。

問：在納米粒子的安全性方面，你們的研究是否有助于其政策導向呢？

答：美國國家標準和技術研究院（NIST）并不參與政策制定或政策性決策，只是提出相關方法。但我認為，我們應該繼續(xù)研發(fā)完善的、高度敏感且可再現(xiàn)的測量方法，供實驗使用以確定這些納米粒子究竟有害還是有益，這就是我們工作的正確方向，也是我們的使命。

[資料來源：American Scientist][責任編輯：遙醒]