纳米颗粒筛选的新方法

美国能源部的科学家们布鲁克海文国家实验室开发了一种筛选方法来检查新制造的纳米颗粒(尺寸为十亿分之一米的颗粒)在不同时间和剂量的暴露后如何与人类细胞相互作用。

这导致了人类细胞如何与某些特定类型的碳纳米颗粒相互作用的可视化。

该方法在2006年8月23日的《碳纳米颗粒毒性》特刊的一篇综述文章中进行了描述物理杂志:凝聚态致力于纳米科学和纳米技术的发展，现已在线。

纳米颗粒可能具有不同的物理、化学、电学和光学性质，而不是出现在同一材料的散装样品中，部分原因是纳米尺度上表面积与体积比的增加。

许多科学家认为，了解这些纳米级特性并找到设计新纳米材料的方法将产生革命性的影响——从高效的能源产生和数据存储到改进的诊断和治疗疾病的方法。

布鲁克海文实验室目前正在建造一个功能纳米材料中心(CFN)拥有纳米材料的制造和研究设施，重点是纳米材料和纳米颗粒的原子级剪裁，以实现所需的性能和功能。

布鲁克海文生物学家芭芭拉·帕内萨-沃伦(Barbara Panessa-Warren)说:“纳米材料显示出巨大的前景，但由于它们非常小的尺寸和独特的性质，人们对它们对生命系统的影响知之甚少。”她在过去的五年里一直在开发纳米颗粒细胞毒性筛选模型。

“我们的实验可以为科学家提供信息，帮助重新设计纳米颗粒，以最大限度地减少安全隐患，并优化它们在健康相关应用中的使用。”

“它们也可能导致对碳基材料的有效筛选。”

综述文章中描述的在活体动物中进行的各种研究发现，暴露于碳基纳米颗粒会产生一系列毒性作用。

所有这些体内研究都清楚地表明，纳米颗粒暴露后，多种因素相互作用，在单个细胞和生物体本身内产生急性和慢性变化。

体外实验室研究，如布鲁克海文团队开发的细胞培养方法，试图通过消除动物研究中发现的许多变量来简化研究，使研究人员能够控制实验条件。

Panessa-Warren说:“通过将分子生物学技术与复杂的成像方法相结合，我们可以快速收集特定细胞类型对特定纳米颗粒的反应信息，使体外测试成为一种廉价和即时的工具，用于筛选和调整纳米颗粒设计，以最大限度地提高安全性和目标特异性。”

在布鲁克海文团队的研究中，科学家们使用了肺和结肠上皮细胞——选择代表两种可能的纳米颗粒接触途径(吸入和摄入)——作为细胞单层生长，其中单个细胞连接在一起形成一个紧密的层，具有肺和结肠细胞在体内生长为上皮层的许多特征。

然后，这些单层活细胞在不同的时间内暴露于不同剂量的碳纳米颗粒中，并在每个时间段和剂量下对细胞进行研究。

科学家们还测试了细胞对不同类型纳米颗粒的反应(一种主要包含单壁碳纳米管、纳米绳、石墨烯和微量元素的原始纳米管制剂;部分清洁的空气氧化碳纳米管;此外，碳纳米管衍生的环用于携带抗体)。

他们评估了细胞活力(细胞存活还是死亡?)和单层的生长特征，并使用各种显微镜技术检查了细胞内的任何变化。

这些技术使他们能够看到纳米颗粒与细胞的第一次接触，并从“超微结构”上跟踪这一过程，这样他们就可以看到细胞的反应，并确定纳米颗粒是否进入了细胞，或者是否对那些没有死亡的细胞的细胞表面造成了特定的变化。

通过体外筛选，科学家们发现，在布鲁克海文制造的一种名为“纳米环”的工程碳纳米颗粒，无论剂量和时间如何，对任何一种细胞类型似乎都没有毒性。

相反，暴露在碳纳米颗粒中的结肠和肺细胞，随着暴露时间和剂量的增加，细胞死亡增加。

显微镜研究显示，单层细胞间的附着缺失，以及碳纳米管和其他碳纳米颗粒附着的细胞表面形态的变化。

在3小时内，低剂量和高剂量的损伤都很严重，这表明暴露时间可能比纳米颗粒浓度更能预测损伤。

利用电子显微镜，科学家们发现碳纳米颗粒，特别是碳纳米管，接触或附着在细胞表面的区域，质膜被破坏并在显微镜下被中断。

附着碳纳米颗粒的细胞表面图像显示，膜孔暴露了下面的细胞质。

透射电子显微镜显示，小碳颗粒可以进入细胞，并与细胞核结合。

没有附着碳纳米颗粒的邻近细胞表现正常，并继续生长，这表明直接接触未经处理的纳米颗粒才会发生损伤。

这些发现与最近文献中的生化研究一致，这些研究报告了活细胞与其他形式的碳纳米颗粒富勒烯(也称为“巴克球”)接触后产生活性氧(自由基)和细胞膜的脂质过氧化。

Pannessa-Warren说:“虽然我们的筛选方法给了我们一个快速的方法来分析人类细胞对纳米颗粒的反应，在宏观和微观的视觉尺度上，我们现在把它带到分子和遗传水平，看看细胞是否受到压力。”

她补充说:“最终，任何打算大规模生产或使用的新纳米材料也必须在体内进行测试——许多细胞类型和组织的联合反应，以及血液、免疫和激素因素，都被考虑在内，以评估生物相容性并确保安全性。”

“尽管如此，我们的方法为我们提供了一种筛选那些不应该走那么远的纳米颗粒的方法，或者首先确定改善它们的方法。”