不同傳能線密度輻射的相對(duì)生物效應(yīng)調(diào)查研究

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 胡 丹

1 概述

電離輻射致生物體的輻射損傷過程，是從生物體吸收輻射能量的物理變化階段開始，經(jīng)過物理、化學(xué)和生物學(xué)變化等階段，直至最終引起組織細(xì)胞損傷、恢復(fù)或機(jī)體死亡等一系列生物學(xué)效應(yīng)的復(fù)雜過程。在這一過程中，電離輻射作用于生物體引起生物活性分子的電離和激發(fā)是輻射生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)。電離輻射可通過能量沉積的直接作用和水的輻解反應(yīng)大量產(chǎn)生自由基的間接作用來造成對(duì)生物分子的損傷。直接和間接作用既是電離輻射對(duì)生物分子損傷的原發(fā)作用，又是繼發(fā)成為機(jī)體輻射損傷的根本原因。因此，研究不同傳能線密度輻射（LET輻射）致生物分子損傷的機(jī)制極為重要，有助于人們深入了解電離輻射與生命物質(zhì)相互作用的物理化學(xué)機(jī)理。

質(zhì)子和重離子是具有高LET的輻射，與低LET輻射(如X射線、γ射線和電子束等)相比，有著不同的物理性質(zhì)，如能量沉積密集，劑量分布表現(xiàn)為：在入射坪區(qū)，吸收劑量相對(duì)保持穩(wěn)定，而靠近射程末端，卻急劇升高，形成尖布喇格(Bragg)峰。質(zhì)子和重離子的這些獨(dú)特物理性質(zhì)，使得其在通過生物物質(zhì)時(shí)的電離徑跡極為復(fù)雜，局部劑量較大，從而更易誘發(fā)非修復(fù)性及復(fù)雜的 DNA鏈斷裂的形成，繼而引起細(xì)胞的轉(zhuǎn)化和死亡以及癌的發(fā)生等較高的相對(duì)生物效應(yīng)(RBE)。

因此，在分子水平上研究質(zhì)子和重離子這兩種具有高LET輻射的直接作用和自由基誘發(fā)DNA鏈斷裂的物理化學(xué)機(jī)理，深入了解其輻射特點(diǎn)及危害程度，研究防護(hù)途徑是極為重要的課題，是對(duì)自由基生物學(xué)和醫(yī)學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)充，并在國(guó)防建設(shè)、環(huán)境保護(hù)及人類健康等方面有重要的意義和極為廣泛的應(yīng)用前景。

2 輻射損傷

2.1 電離輻射對(duì)自由基作用

電離輻射對(duì)生物分子的損傷既有能量傳遞的直接作用，也有通過水的輻解反應(yīng)大量產(chǎn)生自由基的間接作用。電離輻射所致的輻射損傷是從生物體吸收輻射能量的物理變化階段開始，經(jīng)由直接作用和間接作用，通過物理、化學(xué)和生物學(xué)變化等階段，直到組織細(xì)胞損傷、恢復(fù)或機(jī)體死亡的系列復(fù)雜過程。闡明原初或早期的輻射效應(yīng)并探討其防治的可能性一直是輻射生物學(xué)和放射醫(yī)學(xué)工作者努力的目標(biāo)。由于DNA是電離輻射引致細(xì)胞殺傷或轉(zhuǎn)化的主要靶分子，而且 DNA的輻射損傷特別是DNA的雙鏈斷裂(DSB)被認(rèn)為是最重要的原初損傷[1]，因此，建立適當(dāng)?shù)捏w外模式系統(tǒng)來研究輻射致DNA鏈斷裂損傷的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理是十分必要的。但是，近些年來的研究大部分集中在細(xì)胞DNA，碎片長(zhǎng)度大于12kbp。測(cè)量DNA鏈斷裂的技術(shù)多半是凝膠電泳方法，雖然這些技術(shù)已對(duì)輻射誘發(fā)的 DNA鏈斷裂提供了大量信息，但是對(duì)單個(gè) DNA碎片特別是短碎片的測(cè)量仍受到限制，而且測(cè)量數(shù)據(jù)的分析還要依賴于理論模型。重離子是一種具有高傳能線密度(LET)的輻射，與低LET輻射(如X射線、γ射線和電子束等)相比，在介質(zhì)中所引起的能量沉積密集，局部劑量大，所產(chǎn)生的電離徑跡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更容易誘發(fā) DNA的非重接性鏈斷裂，從而引起細(xì)胞的轉(zhuǎn)化和死亡以及癌的發(fā)生等較高的相對(duì)生物效應(yīng)[2-5]。已有的重離子致細(xì)胞DNA損傷的研究結(jié)果表明，DNA的短碎片的份額明顯增加，有評(píng)論認(rèn)為對(duì)輻射效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者是那些在 1～20bp范圍內(nèi)的局部的、成團(tuán)的損傷。這樣，凝膠電泳技術(shù)作為分析手段就更顯得不足。而原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)具有納米級(jí)的高分辨能力，能夠在非常短的長(zhǎng)度范圍(幾個(gè) bp)測(cè)量 DNA斷裂碎片的空間分布，且數(shù)據(jù)分析不依賴于理論模型，所以 AFM 被認(rèn)為是目前能夠最直接對(duì)單個(gè) DNA分子碎片進(jìn)行測(cè)量的工具[6]。Pang等利用AFM技術(shù)對(duì)電子和中子輻射誘發(fā)的DNA碎片進(jìn)行了研究，表明LET=55keV/μm DNA造成的損傷要比低LET的電子嚴(yán)重得多。隋麗等應(yīng)用AFM技術(shù)直接觀測(cè)了經(jīng)重離子Li和C輻照pGEMT-1質(zhì)粒DNA水溶液后DNA碎片的長(zhǎng)度分布及DNA形態(tài)隨劑量的變化等； 在原子能科學(xué)研究院的HI-13串列加速器上，用加速的Li離子輻照幾種pUCI9質(zhì)粒DNA樣品，然后利用高分辨的AFM技術(shù)， 進(jìn)一步研究高LET的Li致DNA損傷的直接作用和間接作用，以及自由基清除劑對(duì)DNA分子的保護(hù)作用。

2.2 輻射對(duì)DNA作用

在生物體的諸多生物活性分子中， 脫氧核糖核酸(DNA)是一類重要的大分子，它具有傳遞遺傳信息、啟動(dòng)細(xì)胞分裂及控制蛋白質(zhì)(包括酶)生物合成等極為重要的生理功能。在輻射生物學(xué)和放射醫(yī)學(xué)中， DNA的輻射損傷常被認(rèn)為是生物大分子損傷的首要問題，而且它還是電離輻射導(dǎo)致細(xì)胞殺傷或轉(zhuǎn)化的主要靶分子[7]。電離輻射通過直接和間接作用可引起DNA分子的解聚、鏈斷裂(包括單鏈和雙鏈斷裂)、堿基破壞、脫氧核糖變化和交聯(lián)等多種損傷。其中雙鏈斷裂(DSB)是輻射所致生物效應(yīng)中最重要的原初損傷。在液態(tài)環(huán)境下，輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生的 OH-自由基的間接作用可能是引起DNA單鏈和雙鏈斷裂發(fā)生的主要原因。因此需要建立適當(dāng)?shù)捏w外模式系統(tǒng)來研究直接作用和自由基致 DNA鏈斷裂損傷發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理及其變化規(guī)律，它有助于加深人們對(duì)電離輻射物理化學(xué)效應(yīng)的理解。近年來，超螺旋質(zhì)粒 DNA溶液是輻射致DNA損傷研究中較常使用和理想的體外模式系統(tǒng)之一。

圖1 電離輻射對(duì)DNA分子的作用及誘發(fā)的DNA損傷類型

3 低劑量輻射致生物體和DNA的影響

低劑量輻射(LDR)系指劑量在0.2Gy傳能線密度(LET)照射，或劑量在0.5Gy內(nèi)，劑量率在0.05Gy／min的高LET照射。近年來，大量研究表明，0.1 Gy LDR可引起一系列的免疫增強(qiáng)效應(yīng)及適應(yīng)性反應(yīng)， 降低促凋亡基因蛋白分子的表達(dá)。促進(jìn)免疫細(xì)胞的成熟、分化和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞，最終導(dǎo)致免疫細(xì)胞凋亡的降低。具有與高劑量輻射迥然不同的細(xì)胞分子機(jī)制，并通過染色體和染色體畸變、微核形成和姐妹染色單體互換實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)，被認(rèn)為是染色體斷裂機(jī)制被激活而引起的，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)有明顯的抗腫瘤作用，且與常規(guī)放、化療有協(xié)同作用。

從發(fā)現(xiàn)X射線至今，人們積累了關(guān)于輻射對(duì)人體危害的大量資料。大劑量和中等劑量電離輻射對(duì)機(jī)體顯然是有害的。低劑量輻射對(duì)機(jī)體影響如何，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。一般認(rèn)為低劑量時(shí)，在0.02Gy以內(nèi)； 高劑量時(shí)， 劑量在0.05 Gy以內(nèi)，劑量率在0.05mGy／min以內(nèi)[8-9]；實(shí)驗(yàn)研究時(shí)照射劑量符合上述條件，而劑量率高于0.05mGy／min稱為低劑量輻射，人類流行病學(xué)研究表明，不管劑量率如何，小劑量應(yīng)在200mGy以下。1982年Luckey引用一非常古老的藥物學(xué)反轉(zhuǎn)性原理提出低劑量輻射下的興奮效應(yīng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者，無論從實(shí)驗(yàn)研究還是流行病學(xué)調(diào)查方面都作了大量工作。UNSCEAR(1994)報(bào)告原子彈爆炸幸存者由輻射引起的白血病有閾值， 并提出低劑量下興奮效應(yīng)與致癌效應(yīng)并存的機(jī)制[10-11]。美國(guó)能源部(1991)報(bào)告， 大于5mSv終身工作劑量當(dāng)量的工人，癌癥死亡率比非核工作工人低24%，證實(shí)低劑量下興奮效應(yīng)的存在。在實(shí)驗(yàn)研究方面， 1965—1985年間在法國(guó)、前蘇聯(lián)和美國(guó)三個(gè)互不聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室，證明了在不同生物體內(nèi)存在有興奮效應(yīng)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還在低劑量輻射效應(yīng)的臨床應(yīng)用上作了大量研究。

造血系統(tǒng)對(duì)電離輻射非常敏感。多年來，人們對(duì)X射線、γ射線等低傳能線密度輻射對(duì)外周血的影響研究較多，而對(duì)高LET輻射，如裂變中子照射對(duì)動(dòng)物的生物效應(yīng)研究較少，低劑量率中子長(zhǎng)期照射所引起的生物效應(yīng)研究就更少。由于輻射的品質(zhì)不同，中子對(duì)動(dòng)物所產(chǎn)生的生物效應(yīng)與變化規(guī)律可能與低LET輻射有所不同。

4 低傳能線密度輻射生物學(xué)效應(yīng)

相對(duì)生物學(xué)效能(RBE)不同的類型, 有被用于獲得輻射量要素(WR)或用于輻射防護(hù)。1990年,ICRP (1990)勸告使用衡量要素 1為低輻射(X-射線，伽瑪輻射和電子)。雖然推薦ICRP (2007)接受事實(shí)在細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)顯示出重大區(qū)別進(jìn)入輻射質(zhì)量之間。 例如：60Co伽瑪輻射和低能 X-射線，ICRP繼續(xù)推薦WR=1全部的低輻射。

實(shí)驗(yàn)性細(xì)胞體外相對(duì)一貫地顯示了高能的“l(fā)ow- LET輻射” (即高能的伽瑪輻射)每單位藥量多次不同顯示的相對(duì)低能源“l(fā)ow-LET 輻射” (即低能源 x 輻射) 。Straume (1995)突出了生物依賴性的問題， 對(duì)不同能量低輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，輻射防護(hù)的涵義使用具有雙著絲的淋巴細(xì)胞。 特別是建議有能力減少在超重氫(3H) β射線之間 (0.0057兆電子伏特)、15個(gè)兆伏特電子、大約3250 kVp 之間的區(qū)別因素。Straume (1995)認(rèn)為伽瑪輻射風(fēng)險(xiǎn)在日本原子彈幸存者當(dāng)中獲得光子的整體范圍不是適當(dāng)?shù)?，此有指‘low-LET’并且是被分配的全部WR的電子能量為 1。很多的研究結(jié)果表明，人的雜種細(xì)胞的造形術(shù)變革與關(guān)于具有雙著絲的細(xì)胞研究，那些在 RBE 也顯示出了一個(gè)低能源X-射線和高能X-射線的區(qū)別。 這大約是4–5因素，當(dāng)29 kVp (早期胸部腫瘤Ⅹ射線測(cè)定法X-射線)與200–220 kVp X-射線比較，吸收劑量平均讓(L∞，D)被考慮。這也許是更多關(guān)連的適當(dāng)參量和生物效能，從空間密度能量沿輻射軌道的證言知道與生物效能有關(guān)。

對(duì)于低 LET輻射的認(rèn)識(shí)需要開展更多的流行病學(xué)和輻射生物學(xué)研究，尤其是關(guān)于暴露在氚β輻射和29 kVpX射線下的人群組的研究。

5 結(jié)論

本文總結(jié)了不同傳能線密度輻射產(chǎn)生的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)，對(duì)輻射損傷的物理機(jī)制、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)原理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在測(cè)量輻射損傷的方法方面，對(duì) AFM 和凝膠電泳方法進(jìn)行了調(diào)研。AFM技術(shù)研究輻射所致DNA結(jié)構(gòu)變化。AFM技術(shù)與傳統(tǒng)的凝膠電泳方法相比，AFM技術(shù)具有納米級(jí)的高分辨能力，這樣凝膠電泳方法更顯的不足，利用AFM技術(shù)研究高LET的Li致DNA損傷的直接作用和間接作用以及自由基清除劑對(duì) DNA分子的保護(hù)作用。在劑量方面，大劑量和中等劑量電離輻射對(duì)機(jī)體顯然是有害的。低劑量在不同的生物體內(nèi)被證明都存在興奮作用。由于輻射的品質(zhì)不同，中子對(duì)動(dòng)物所產(chǎn)生的生物效應(yīng)與變化規(guī)律可能與低LET輻射有所不同。在DNA內(nèi)調(diào)研低LET輻射，低LET輻射(如X和γ射線等)致DNA鏈斷裂主要由OH-自由基的間接作用引起，所產(chǎn)生的DNA鏈斷裂的產(chǎn)額G與DNA濃度和自由基清除劑的清除力有關(guān)，并受 DNA超螺旋度的影響。

對(duì)于低 LET輻射的認(rèn)識(shí)需要開展更多的流行病學(xué)和輻射生物學(xué)研究，尤其是關(guān)于暴露在氚β輻射和29 kV/p X射線下的人群組的研究。本文調(diào)研希望能為研究人員以后的研究提供一些有價(jià)值的建議。

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