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「奈米獵殺」真實版上演? 聽電腦模擬怎麼說

上網時間: 2008年06月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:巴克球  奈米微粒  DNA 

儘管幾乎任何形狀及大小的奈米微粒——從長、薄形的碳奈米管到球體巴克球(buckyball)——被發現其具有毒性的證據日漸增加,然而,奈米微粒仍由於各種應用需求而被大量地製造,從抗紫外線的透明防曬產品,到為加強太陽能電池性能所使用的摻雜物均包含在內。

過去五年來,科學家不斷提出警告,指出奈米微粒對動物DNA具有強烈的吸附性,它附加在動物DNA上,會妨礙免疫反應甚至是細胞自我修復。實驗證實,河流中的巴克球會堵塞魚鰓並破壞其腦部;地下水中的奈米微粒會阻礙植物根部的發展;而吸入碳奈米管將導致如同石棉造成的疾病。

全球最精密的活體細胞膜電腦模型開發者指出,直到目前為止,導致活體細胞在面臨巴克球時機能失常的機制一直被誤解。這些科學家聲稱——他們已經瞭解了巴克球如何侵入細胞,並導致大範圍且多樣性破壞的可能機制。(巴克球為一個微小奈米微粒,由於它是由60個碳原子所組成,因此正式名稱是碳60;也可稱為Buckminsterfullerene或是富勒烯(fullerene),因為其原子晶格與Buckminster Fuller所發明的圓頂建築結構(geodesic dome)相當類似)。

該研究組織的領導者Peter Tieleman表示︰「無論使用任何溶劑都難以分解巴克球;巴克球會結成幾百堆,其體積大到使其無法穿透細胞膜但仍保持細胞膜的完好。」Peter Tieleman任職於卡加利大學(University of Calgary),他與同校的博士後研究員Luca Monticelli共同進行該項研究工作。

也就是因為這些體積龐大的巴克球堆,科學家曾假設魚類腦部之所以被破壞,就是由於巴克球強行穿出導致細胞膜撕裂所致。巴克球可穿過血腦障壁(blood-brain barrier),所以它們可以進入到皮膚、滲透到血球中、流經到腦部並結成堆。很可惜地,執行巴克球細胞層級實驗相當困難,卡加利大學的研究小組表示。Tieleman的研究團隊在實驗室內進行了一項極為精確的模擬實驗,幾乎可以證實巴克球破壞細胞壁的假設。

為建構這個極詳細的模擬實驗,研究小組結合了加拿大最快的網格超級電腦(grid-supercomputer)——WestGrid,一個橫跨加拿大西部、連結14個大範圍模擬與科學虛擬化機構的高性能運算(HPC)網格。全面模擬存在於細胞膜中的巴克球實驗耗時了數月的時間,並使用了橫跨3個WestGrid網路中心、共計超過1,000顆處理器的運算能力。該電腦模型是與荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)共同開發。

Tieleman的實驗結果——有好有壞

好消息是,Tieleman的研究團隊提出了報告,模擬顯示了當巴克球穿過細胞膜時不會造成細胞膜破裂。因此,現在Tieleman的研究團隊聲稱已排除了當巴克球堆滲透到魚細胞膜導致魚腦被破壞的假設。

壞消息是,該模擬透露出巴克球可以流經人體的各個部位,累積成堆,並可造成細胞損壞──例如使具有正常細胞功能指示的DNA失去活性。

「我們的模擬實驗顯示了細胞膜將個別巴克球從巴克球堆中分解出來,以至於巴克球可穿過細胞膜,同時不破壞細胞。」Tieleman表示,「然而,一旦巴克球進入細胞膜內,它們也能在動物體內各部位結成堆,進而導致各種問題,例如高度化學反應分子的自由基(free-radical),會導致如同紫外線曝曬造成細胞損壞的結果。」

接下來,研究員將計劃嘗試對奈米微粒進行功能性覆蓋來防止它們結成堆。這些研究員的假設是︰奈米微粒製造商使用可防止它們結成堆的安全塗層來覆蓋奈米微粒,因此所有去除外來物的正常機制將可為人類、動物和植物細胞淨化奈米微粒。該研究團隊計劃模擬用於巴克球的多種塗層效應,以便為製造商提供如何覆蓋巴克球,使其成為無毒性微粒的方法。

Tieleman表示︰「我們現在需要的是合格的毒物學家,以開發專業的奈米微粒毒物學。由於我們的模擬結果適用於任何種類的細胞,因此毒物科學家必須藉活體動物實驗來發現各微粒會在何部位累積,我們過去也沒有在腦部或其他部位設計任何優先累積順序。」

南美以美大學(Southern Methodist University)的Eva Oberdorster在2004年提出巴克球會殺死水中的跳蚤並破壞魚腦的實驗性證據報告後,即要求暫停奈米微粒的生產。自從Oberdorster發現了魚腦及魚鰓的巴克球濃度以來,一些負責監督的組織如美國國際學者中心(Woodrow Wilson International Center Scholars)的「新興奈米中心研究專案(the Project on Emerging Nanotechnologies,PEN)」也開始號召發展奈米微粒毒物學,根據奈米微粒本身毒性進行控管,並要求製造商安裝氣溶膠(aerosol)進行監控,以對暴露在具有潛在毒性奈米物質空間的員工進行追蹤。

(參考原文:Computer models how nanoparticles harm cells)

(R. Colin Johnson)





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