低劑量氚照射致細(xì)胞損傷效應(yīng)研究進(jìn)展

全 旖,鄧 冰,周才潔,譚昭怡

(1.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽(yáng)，621999；2. 江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心，放射醫(yī)學(xué)研究中心，江蘇 蘇州，215123)

0 引言

隨著輻射生物效應(yīng)研究的不斷積累和對(duì)效應(yīng)發(fā)生機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷加深，(聯(lián)合國(guó)原子輻射影響科學(xué)委員會(huì))UNSCEAR對(duì)低劑量、低劑量率照射的含義也在不斷更新。在UNSCEAR 2000年報(bào)告的附件G中，對(duì)低劑量和低劑量率的定義分別從微劑量學(xué)、離體實(shí)驗(yàn)研究以及人類(lèi)流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)研究等方面進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)討論。報(bào)告中建議0.2 mGy作為微劑量學(xué)研究的低劑量，低于20 mGy的急性劑量定義為離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中的低劑量。根據(jù)流行病學(xué)研究結(jié)果認(rèn)為，不管劑量率如何，把200 mGy以下的劑量作為低劑量[1]。

與中、高劑量導(dǎo)致的確定性效應(yīng)相比，低劑量輻照誘導(dǎo)發(fā)生的生物效應(yīng)是否增加不確定效應(yīng)的發(fā)生幾率仍尚未有明確的答案，因而低劑量生物效應(yīng)也成為輻射防護(hù)以及放射醫(yī)學(xué)一直關(guān)注的熱點(diǎn)。基于已有的核爆幸存者數(shù)據(jù)建立的線性無(wú)閾值模型(LNT)表明在低劑量區(qū)域癌癥發(fā)生的幾率與劑量成線性相關(guān)趨勢(shì)。但已發(fā)現(xiàn)的低劑量生物效應(yīng)，如低劑量興奮效應(yīng)、適應(yīng)性效應(yīng)、超敏感性以及旁觀者效應(yīng)，使得評(píng)估低劑量輻射危害的LNT模型受到挑戰(zhàn)[2-3]。

氚誘發(fā)的生物損傷主要是由其衰變產(chǎn)生的β射線所致，與生物分子結(jié)合形成的有機(jī)結(jié)合氚誘發(fā)生物體遠(yuǎn)期效應(yīng)。目前，建立低劑量氚內(nèi)照射導(dǎo)致的生物危害性的評(píng)價(jià)體系仍需要大量、深入以及系統(tǒng)化的研究工作，從分子、細(xì)胞、組織以及器官等層面全面認(rèn)識(shí)、了解氚在體內(nèi)產(chǎn)生損傷后所導(dǎo)致的生物體生理機(jī)制變化，自下而上建立具有生物學(xué)基礎(chǔ)的危害評(píng)估模型。由于氚生物效應(yīng)涉及的范圍廣泛，本文僅聚焦于近年來(lái)氚在細(xì)胞水平產(chǎn)生的生物效應(yīng)及損傷機(jī)制研究進(jìn)展。

1 低劑量氚照射細(xì)胞損傷效應(yīng)

1.1 低劑量氚照射對(duì)離體細(xì)胞的損傷效應(yīng)

氚的生物效應(yīng)研究主要集中在有關(guān)氚的劑量估算、內(nèi)照射致癌、遺傳效應(yīng)、生殖效應(yīng)等方面。由于近幾十年來(lái)分子生物學(xué)的興起，高速測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步研究氚的輻射生物學(xué)效應(yīng)的分子基礎(chǔ)提供了有效手段和途徑。

Tauchi等[4]利用基因剪切等手段將人體X染色體負(fù)責(zé)編碼的Hprt1基因轉(zhuǎn)染到Hprt1缺陷的倉(cāng)鼠細(xì)胞中，由于人源的Hprt1基因在倉(cāng)鼠細(xì)胞中具有不穩(wěn)定性，從而構(gòu)建出易于發(fā)生突變的敏感性實(shí)驗(yàn)體系(敏感性提升50倍左右)。在該實(shí)驗(yàn)體系上開(kāi)展的研究結(jié)果表明，HTO輻照劑量率在0.05～2.0 cGy/h范圍內(nèi)，突變率并未發(fā)生重離子輻照所產(chǎn)生的反劑量率效應(yīng)；而HTO輻照產(chǎn)生的突變類(lèi)型與隨機(jī)突變相似。

Saintigny等[5]研究發(fā)現(xiàn)，XRCC4缺陷細(xì)胞對(duì)14C與3H標(biāo)記的胸腺嘧啶都具有輻射敏感性，HR缺陷細(xì)胞卻只對(duì)3H標(biāo)記的胸腺嘧啶輻射敏感。說(shuō)明HR修復(fù)信號(hào)通路在低劑量氚照射后細(xì)胞損傷響應(yīng)中起著重要作用。

邱俊等[6]研究了0～3.7×106Bq/mL氚水輻照24 h對(duì)原代培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞遷移能力的影響。結(jié)果表明，隨著活度增加，神經(jīng)細(xì)胞遷移距離減小，胞內(nèi)游離鈣離子增加，并伴隨β-tubulin和NCAM表達(dá)水平下調(diào)。

利用理論模擬的方法分析低劑量氚內(nèi)照射的微劑量分布，幫助更深入的認(rèn)識(shí)、了解損傷發(fā)生后所導(dǎo)致的生物體功能性的變化。Chen等[7]利用微劑量模型計(jì)算比較了氚均勻與非均勻分布在細(xì)胞中所導(dǎo)致的受照劑量差異。與HTO在細(xì)胞中均勻分布的吸收劑量相比，OBT非均勻分布在輻射敏感生物靶的劑量是其均勻分布的1.7倍。Alloni等[8]也利用徑跡模型PARTRAC計(jì)算了氚分布在細(xì)胞不同區(qū)域內(nèi)所致的受照劑量及其相應(yīng)的DNA損傷，結(jié)果表明，當(dāng)氚選擇性分布在細(xì)胞質(zhì)，而未進(jìn)入細(xì)胞核時(shí)，細(xì)胞核所受劑量是細(xì)胞平均受照劑量的15%，DNA雙鏈斷裂數(shù)目也隨劑量增加而成比例增加。結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證DNA是電離輻射敏感靶，而在氚內(nèi)照射中如何量化和評(píng)估與DNA結(jié)合生成的OBT所導(dǎo)致的受照劑量或是損傷程度可能是影響低劑量長(zhǎng)期照射所致劑量以及健康危害評(píng)估的重要因素之一。

1.2 低劑量氚照射對(duì)活體動(dòng)物細(xì)胞的損傷效應(yīng)

1.2.1短期效應(yīng)

王明明等[9]研究了大鼠受0～3.7×106Bq/mL氚水作用24 h后神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡、增殖抑制、超氧陰離子釋放、p53基因表達(dá)以及DNA斷裂損傷效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氚水活度高于3.7×104Bq/mL，凋亡顯著發(fā)生；隨著放射性活度的增加，凋亡率、增殖抑制率與p53的mRNA表達(dá)量均增加，DNA斷裂也隨之加重。

Yamamoto等[10]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在連續(xù)飲入0.15 TBq/L HTO所導(dǎo)致的劑量達(dá)到11 Gy時(shí)，造血細(xì)胞會(huì)有顯著的致死效應(yīng)。

崔鳳梅等[11]研究了氚水處理后小鼠外周血白細(xì)胞總數(shù)和骨髓嗜多染紅細(xì)胞微核率的改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氚水初始注入量高于16.65×106Bq/g時(shí)，白細(xì)胞總數(shù)和髓嗜多染紅細(xì)胞微核率才有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的上升；微核率隨注入后時(shí)間延長(zhǎng)而持續(xù)增加，伴有白細(xì)胞總數(shù)的持續(xù)下降，指標(biāo)變化在第10天后恢復(fù)。說(shuō)明外周血白細(xì)胞總數(shù)和髓嗜多染紅細(xì)胞微核率可作為氚水內(nèi)照射的早期輻射損傷指標(biāo)。

對(duì)于免疫系統(tǒng)的影響，Umata等[12]研究發(fā)現(xiàn)，給C57BL/6N小鼠單次注射HTO劑量達(dá)到3 Gy時(shí)，照后12 h觀察到的脾細(xì)胞凋亡率可達(dá)5.0%。

Smirnov等[13]分析了不同劑量率HTO內(nèi)照射(劑量范圍為0.2～1 Gy)對(duì)小鼠淋巴系統(tǒng)的影響。結(jié)果顯示，T和B淋巴細(xì)胞前體的克隆形成率的降低與劑量率存在直接關(guān)聯(lián)，且免疫反應(yīng)對(duì)于氚β射線照射十分敏感。

在對(duì)生殖系統(tǒng)的研究中，Satow等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HTO活度超過(guò)0.34 MBq/g(相應(yīng)劑量為77 mGy)時(shí)，便能有效殺傷未成熟的卵母細(xì)胞。Balonov等[15]研究表明，吸收劑量達(dá)8 Gy時(shí)，可見(jiàn)DNA雙鏈改變和單鏈DNA分子質(zhì)量改變。當(dāng)該損傷發(fā)生在哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞中，往往導(dǎo)致其失去結(jié)成合子的能力，不能形成受精卵或使受精卵在著床前死亡，或使著床后的受精卵不能成活而導(dǎo)致胚胎早期死亡[16-17]。Zhou等[18]用D-M1中的多價(jià)體探討氚水誘發(fā)精原細(xì)胞染色體易位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，精原細(xì)胞易位的產(chǎn)物主要為D-M1中的鏈狀四價(jià)體。

在IAEA出版物里，將氚分在氣態(tài)低毒性核素組里，但應(yīng)用H3-TdR(氚標(biāo)胸腺嘧啶核苷酸)時(shí)，體內(nèi)細(xì)胞的氚危害效應(yīng)很容易觀察到。這些效應(yīng)包括細(xì)胞死亡、變異、生長(zhǎng)延緩和致癌作用[19-20],一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)一次性注入大于1.0 μCi/g時(shí)，就能觀察到這些效應(yīng)。對(duì)輻射敏感的精原細(xì)胞中很容易測(cè)出體內(nèi)H3-TdR殺死細(xì)胞的作用。H3-TdR一次性注入引起的細(xì)胞死亡與60Co γ射線照射比較結(jié)果表明，給小鼠注入l μCi/g的H3-TdR產(chǎn)生的效應(yīng)與大約5倍的60Coγ射線照射后的效應(yīng)相似。氚對(duì)精原細(xì)胞的照射也誘發(fā)后代的顯性致死性突變，效率約為1%。即使H3-TdR的劑量對(duì)某一組織不產(chǎn)生可測(cè)的組織學(xué)變化，但是這樣的劑量仍能擾亂細(xì)胞的增生，延緩細(xì)胞的生長(zhǎng)和改變組織的細(xì)胞組成。將2～10 μCi/g的H3-TdR一次性注入新生大鼠以后，二倍體的肝細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化出現(xiàn)明顯的紊亂，結(jié)果會(huì)造成肝細(xì)胞周期時(shí)間和倍體分類(lèi)的持久改變。

王冰等[21-22]分析了不同活度氚標(biāo)記的各類(lèi)生物大分子(胸腺嘧啶、尿嘧啶、精氨酸以及谷氨酸)與小鼠胚胎共培養(yǎng)20 h后對(duì)其中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于胸腺嘧啶與尿嘧啶是DNA合成原料，因此其生物學(xué)毒性顯著高于氚標(biāo)記的精氨酸與谷氨酸。并估算了這幾種氚標(biāo)記的生物分子導(dǎo)致50%細(xì)胞增殖受抑制的活度(ID50)，其中氚標(biāo)記的胸腺嘧啶ID50值最低，僅為29 kBq/mL。Müller等[23]也發(fā)現(xiàn)用活度接近的氚標(biāo)記精氨酸與氚標(biāo)記胸腺嘧啶共培養(yǎng)小鼠胚胎，氚標(biāo)記胸腺嘧啶導(dǎo)致的微核發(fā)生率等損傷指標(biāo)高于精氨酸；且其導(dǎo)致的損傷效應(yīng)是相同活度氚水的1 000～5 000倍。

1.2.2長(zhǎng)期效應(yīng)和致癌風(fēng)險(xiǎn)

低劑量輻照對(duì)人體健康的影響主要是其誘導(dǎo)發(fā)生的隨機(jī)性效應(yīng)。癌癥發(fā)生率一直是關(guān)注熱點(diǎn)。

Seyama等[24]給雌鼠腹腔急性注射HTO(全身照射劑量約2.0～10.5 Gy)，以及相同劑量γ射線與中子輻照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)輻照500天后觀察到的腫瘤發(fā)生率與輻照射線種類(lèi)無(wú)關(guān)。而相較于HTO單次注射導(dǎo)致的7.9或是10.5 Gy照射，分次注射(每周一次，四次注射達(dá)到等同劑量)誘導(dǎo)發(fā)生的胸腺淋巴癌的潛伏期更短，終身淋巴瘤發(fā)病率顯著提升。

Yamamoto等[25]研究給雌鼠連續(xù)口服HTO(所致軟組織劑量約為0.01～0.24 Gy/d)后的致瘤效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.01 Gy/d劑量率誘發(fā)終身腫瘤發(fā)生率可高達(dá)83%。高劑量率會(huì)加速大多數(shù)腫瘤的生長(zhǎng)從而導(dǎo)致小鼠壽命的縮短。其中高劑量率(0.096～0.24 Gy/d)導(dǎo)致小鼠死亡的主要原因是誘導(dǎo)產(chǎn)生的胸腺淋巴癌。該作者后續(xù)開(kāi)展了更低劑量率的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)劑量率高于0.0036 Gy/d時(shí)腫瘤發(fā)生的潛伏期縮短，從而降低了小鼠的壽命[26]，而更低劑量率照射下未見(jiàn)腫瘤發(fā)生率有顯著性的變化。

Yin等[27]分別給每只小鼠腹腔注射0.23、0.92、3.70 MBq HTO，觀察14月后的腫瘤發(fā)病率。結(jié)果表明，雄鼠組中肝癌發(fā)病率顯著增加，而雌鼠組中只有卵巢癌發(fā)病率輕微上調(diào)，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Johnson等[28]利用小鼠實(shí)驗(yàn)分析了氚水誘發(fā)骨髓白血病發(fā)生的劑量規(guī)律，結(jié)果顯示，劑量增加至3 Gy時(shí)，發(fā)病率從0.13%增至6%～8%。Daher[29]將N5雄鼠長(zhǎng)期(>30 d)暴露于HTO，發(fā)現(xiàn)劑量大于1.5 Gy時(shí)其后代的白血病發(fā)病率顯著升高。Irushima等[30]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HTO照射導(dǎo)致急、慢性髓細(xì)胞白血病染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的改變。

2 氚的非電離生物效應(yīng)

氚衰變過(guò)程中3He原子伴隨β射線產(chǎn)生，其化學(xué)性質(zhì)與氫原子存在差異，因此若衰變發(fā)生在OBT中，伴生的氦原子獲得一定的反沖動(dòng)能，對(duì)生物分子的功能存在影響。

Kacena等[31]研究發(fā)現(xiàn)，衰變過(guò)程中氦原子獲得的反沖動(dòng)能約為3 eV，該能量不足以使DNA分子發(fā)生電離，但氦原子有可能從生物分子上脫離。Myers和Johnson指出氦原子對(duì)氚生物效應(yīng)的影響依賴(lài)于發(fā)生衰變的氚在DNA核苷酸的位置[32-33]。Seyama等[24]發(fā)現(xiàn)在果蠅以及酵母體系中最顯著的遺傳突變效應(yīng)是由胞嘧啶-5位置的氚衰變導(dǎo)致。氚衰變產(chǎn)氦的效應(yīng)導(dǎo)致的遺傳突變率是β射線的3～400倍[34]，但Myers和Johnson在其綜述評(píng)論文章中認(rèn)為，由于該效應(yīng)在哺乳動(dòng)物中產(chǎn)生的突變率較低(< 5%)，因此不易被檢測(cè)到。

由于生物大分子一般具有多級(jí)結(jié)構(gòu)，如蛋白質(zhì)分子折疊形成的三級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致部分結(jié)合產(chǎn)生的OBT被包裹在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將這部分結(jié)合的OBT稱(chēng)為“buried tritium”[35]不易被交換。另一方面,分子與水之間的氫鍵作用強(qiáng)于氚與有機(jī)分子之間的作用，從而導(dǎo)致生物膜表面結(jié)合大量的氚。在大部分生物分子中，該效應(yīng)導(dǎo)致的氚富集程度約為1.4倍。但是在DNA分子中，每個(gè)脫氧核苷酸外的水分子層包含11個(gè)分子且不易被離子穿透，與水分子間的氫鍵作用導(dǎo)致的氚富集程度大約為2倍。因此，與包裹在DNA分子外的水分子層結(jié)合的氚產(chǎn)生的β射線是DNA損傷發(fā)生的主要原因。可能是低活度氚水作用后，雖然細(xì)胞吸收劑量很低但仍具有較高的相對(duì)生物效應(yīng)值(如微核發(fā)生率與染色體畸變率)的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其以核聚變技術(shù)為代表的核能發(fā)展，使得氚安全與危害的評(píng)估越來(lái)越重要。雖然已有的研究在氚致畸、遺傳等生物效應(yīng)中取得了很大成果，對(duì)氚的物理特性以及化學(xué)特性產(chǎn)生的毒理有了深入了解，但是仍有很多問(wèn)題尚未解決，如氚水生物學(xué)毒性對(duì)生物體生理機(jī)制的改變，如DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞周期、凋亡以及增殖信號(hào)通路變化等，以及職業(yè)照射中OBT在長(zhǎng)期低劑量效應(yīng)中所起的作用等。目前，由于基于人體數(shù)據(jù)的流行病學(xué)數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏，所以利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討氚水長(zhǎng)期生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制的研究具有一定的必要性，也具有重要的意義。