布来恩特·尼尔森是一位从事研究工作的化学家，致力于研究纳米粒子是否会导致遗传损伤的量化方法。下面他向《美国科学家》杂志主编法尼拉·桑德斯（Fenella Saunders）讲述了自己的研究工作。
布莱恩特·尼尔森
近年来，含有纳米粒子的产品出现激增。纳米粒子即直径约为或不足100纳米的粒子物质。在如此小的范围内，熟悉的元素和化合物呈现出新奇而颇为有用的属性。但尚不清楚有多少纳米粒子会扩散到环境中，也不知道它们会对环境造成怎样的伤害；例如，一些研究表明，用来抗菌的银纳米粒子可能会损害肝和大脑细胞。目前纳米粒子和散状物料在法律规定方面是完全相同的。布来恩特·尼尔森（Bryant C.Nelson）现就职于美国国家标准和技术研究院（NIST），是一名化学家，同时也是美国自然科学协会(Sigma Xi)的一位杰出讲师，从事纳米粒子是否会导致遗传损伤的量化方法研究。
问：自然纳米粒子同工程纳米粒子之间是否存在区别？
答：我们称之为工程纳米材料,但实际上自古以来它们就作为自然纳米材料而存在着。碳纳米管就是一个很好的例子。它们普遍存在于自然环境中，其最初形态来自于火山爆发，甚至汽车尾气，但我们也可以通过化学反应原理对这些碳纳米管进行构思设计。
问：在消费品中使用纳米材料只是一种时尚吗？
答：这肯定不是一种时尚。在其制造生产中有很多商业利益。比如，从袜子到洗衣机，很多商品中都有抗菌特性的工程银纳米粒子的存在。某些纳米材料可以用来制造生产强度更高的材料，有一些或许可以应用于医疗方面。
问：随着这些产品越来越成为主流，是否会有更多的纳米粒子释放到环境中？
答：我们要知道可能进入环境的纳米材料的类型和数量，那么我们就必须要有一套方法，量化机制及规程来测量被释放到环境中的纳米材料数量，识别其类型。由于释放到环境中的纳米粒子有多种类型，所以量化工作会很复杂。我们需要新的方法和技术对多种不同形式的纳米材料加以区分。针对要检测的不同空间当中（无论是水，沉积物还是空气）的纳米粒子，我们提出两大主要策略：粒子的识别和粒子的量化。最近讨论的焦点就是怎样识别单个粒子。
问：纳米粒子与细胞相互作用会出现什么情况？
答：我们正在研究分子水平的相互作用。比如，我们正试着去了解，碳纳米管是如何改变DNA属性的。
随着氧化铜纳米粒子水平的增加，萝卜芽的发育状况（由左至右），可看出其对基因和结构损害的程度不断加深
问：DNA可以自我修复，那么其对于防范损伤的能力有多大呢？
答：即使户外散步这样的简单行为也会使我们的DNA受损。例如，紫外线可能会对我们的DNA产生损害，那么我们的身体就必须要有一个机制对此做出修复。所幸，人类和其它生物体内存在大量冗余的DNA修复系统。电离辐射可能会产生自由基，如羟基，从而导致DNA的氧化。如果足够接近DNA，自由基可以与DNA在细胞的液体中互相作用并引起变化。氢氧根自由基附着在DNA碱基分子上，而一个给定的碱基结构可以是折叠的，也可以是展开的。否则会导致DNA碱基的缺失。
问：DNA损伤是否还会造成遗传密码本身的改变呢？
答：氧化改性碱基会导致DNA序列发生改变。如果细胞不断复制，改性碱基逐步稳定，突变形成的几率就会增大，可能会导致癌症。
问：纳米粒子是如何导致此种DNA损伤的？
答：已确认有几种不同的机制。如果纳米粒子足够小，就可以进入核膜孔，被输进细胞核，与DNA直接相互作用。纳米粒子可能会与DNA结合，那也许会造成各种各样的破坏。一个主要机制就是通过纳米粒子产生自由基。一些金属纳米粒子能够和存在于每一个细胞中的过氧化氢相互作用，并将其转化为能够进入细胞核的氢氧自由基，那么就有可能会造成DNA损伤。
问：纳米粒子是如何进入细胞中的？
答：实际上，一些纳米粒子可通过内吞作用进入细胞，即被细胞膜中的囊泡吞没。如果有足够多的纳米粒子进入细胞，就会增加细胞的氧化应激。这时，细胞招募不同类型的中性粒细胞和巨噬细胞，从而强化了自由基的生成，进而使自由基可游走于整个细胞中。
实际上，这是细胞对于外源粒子进入而产生的一种自然反应。但纳米粒子可以逾越细胞的自然抗氧化防御机制。若产生了太多的羟基，以至于细胞无法应对，那么就会发生氧化爆发，使细胞无力承受。
问：如何量化纳米粒子对DNA造成的损害？
答：利用碱基切除修复蛋白，我们将碱基从DNA链中移除。进一步，使用改性碱基，培育一种已知属于稳定同位素的化学物质。然后我们计算出在DNA样本中被修改的碱基比率，并将其与加入的DNA数量做出比较。最终我们将得出在该DNA样本中，每一个碱基的受损量。
问：在这些实验中，是否使用几种不同的筛选模型呢？
答：从最简单的，到最复杂的，我们用了几种不同的模型。一开始只有简单的DNA，然后用纳米粒子来培育它，尝试测量DNA修饰的产生，并对于纳米粒子可能与DNA之间的相互作用做出一个基线评估。之后是细胞。最终我们能够从更高级的生物体（如植物、线虫）身上提取DNA。
问：DNA样本的规模需要有多大呢？
答：我们需要将近50微克的DNA。这大约是500万HeLa细胞或25万秀丽隐杆线虫。在实验室里，我们培育着数十亿的细胞，所以有着充足的DNA样本。
问：这些实验需要重复多少次才可以设立一个标准呢？
答：再现性的确是至关重要的。每一个实验，我们都要完整地做两至三次，以确保我们测量的真实性。这是现在科学领域的重大问题。如果你发现了一个反应，无论是正面的还是负面的，都需要通过反复实验研究来验证其正确性。
问：是否已发现影响纳米粒子属性的具体条件呢？
答：用于颜料、化妆品和其他各种产品的二氧化钛纳米粒子，光照下可以产生自由基，同时也有一些研究却得出了相反的结论。我们对实验做了如下设置：将DNA与二氧化钛纳米粒子分别在不同的光照条件下进行接触。结果发现，黑暗中二氧化钛不会诱使DNA损伤。在可见光中，DNA是否损伤取决于二氧化钛的用量。紫外线光照条件下，DNA损伤程度较深。研究表明，需要利用可控的测量条件来评估是否发生了DNA损伤。
问：纳米粒子是否也可以减少DNA损伤或是对抗癌症呢？
答：碳纳米管可以在各种类型的细胞环境中清除自由基。与此同时，我们想研究出一种方法来确定碳纳米管是否可以防止或减少氧化DNA损伤。我们用单链DNA把碳纳米管包起来，将其暴露于定量的超声波中，众所周知，这将产生类似电离辐射的自由基。
我们想知道碳纳米管是否能够对清除自由基产生影响。答案是肯定的，正是基于碳纳米管清除自由基的能力，才能减少DNA损伤的程度。但是在此项研究成为可行治疗之前，还有很多工作要做。
问：某些纳米粒子可以用来靶向癌细胞吗？
答：我们想要开发一个程序来确定金纳米粒子(直径大约是1.4纳米)是否可以抑制DNA修复蛋白。目前为止，已有一些证据表明答案是肯定的。如果想要用这些粒子来靶向癌细胞，还需要一些基础性工作，比如把这些粒子研制成某种形态的抗癌药物。虽然这些纳米粒子有很多用途，但在具体应用之前，还有大量的工作要做。
问：在纳米粒子的安全性方面，你们的研究是否有助于其政策导向呢？
答：美国国家标准和技术研究院（NIST）并不参与政策制定或政策性决策，只是提出相关方法。但我认为，我们应该继续研发完善的、高度敏感且可再现的测量方法，供实验使用以确定这些纳米粒子究竟有害还是有益，这就是我们工作的正确方向，也是我们的使命。
资料来源American Scientist
责任编辑 遥 醒