氚水在大鼠和小鼠體內(nèi)的分布、代謝、轉(zhuǎn)移及劑量估算

呂慧敏，周湘艷，李 莉，張 偉(中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所，北京，100088)

劉玉龍，陳煒博(蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院，江蘇 蘇州，215004)

0 引言

隨著核能和核技術(shù)的廣泛應(yīng)用,向環(huán)境中排放的氚會越來越多。環(huán)境中氚主要以氚水(HTO)形式存在，極易通過各種途徑進(jìn)入人體。有少部分氚與植物組織結(jié)合形成有機(jī)結(jié)合氚，有機(jī)結(jié)合氚進(jìn)入人體后與機(jī)體組織結(jié)合的份額遠(yuǎn)高于氚水，可長時間在體內(nèi)滯留。氚對機(jī)體的損傷主要來自內(nèi)照射，氚的α粒子可進(jìn)入細(xì)胞核引起細(xì)胞損傷。氚進(jìn)入體內(nèi)的主要途徑是食物鏈、呼吸及皮膚吸收等，氚在體內(nèi)的生物學(xué)特性與氚的化學(xué)形式有關(guān)。

本項目組以大鼠和小鼠為研究對象，較系統(tǒng)的研究了氚在鼠體內(nèi)的分布、代謝與母體氚向子代轉(zhuǎn)移的特點。研究內(nèi)容主要包括4個方面：(1)不同化學(xué)形式的氚在動物體內(nèi)的分布、代謝與滯留；(2)妊娠和泌乳期氚水內(nèi)照射氚在體內(nèi)的分布與滯留；(3)母體氚通過不同途徑向子代的轉(zhuǎn)移特點；(4)氚水內(nèi)照射劑量估算。本文匯總報道了研究結(jié)果。

1 實驗材料

1.1 實驗動物

優(yōu)級LAKA、SD、昆明等品系大鼠和小鼠，購于北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部，不同實驗分組略有差別，每組10只以上動物，雌雄各半。

1.2 主要儀器和試劑

FJ-353G 型液體閃爍計數(shù)儀用于樣品的測量。氚水(0.5～1.0 Ci/mL)，中國科學(xué)院原子能研究所產(chǎn)品，使用前用蒸餾水稀釋并進(jìn)行活度標(biāo)定后使用。其它試劑均為分析純。

2 實驗方法

2.1 不同化學(xué)形式的氚在動物體內(nèi)的分布、代謝與滯留

(1)氚在小鼠體內(nèi)的分布、代謝與滯留

雄性小鼠一次性腹腔注入氚水41.2 μCi/g(體重)，雌性小鼠一次性腹腔注入氚水44.5 μCi/g(體重)，65天后，檢測氚在干組織和濕組織中的生物有效半排期(Tb)和滯留分?jǐn)?shù)(組織樣品中測得的氚比活度與氚水初始注入量相比得到的值，用R表示)，并在此基礎(chǔ)上估算氚的吸收劑量。實驗方法參照文獻(xiàn)[1]。生物樣品中水的提取，本文采用高氯酸和雙氧水消化，制備好的樣品經(jīng)液閃測量，根據(jù)液閃計數(shù)計算組織中氚活度。

(2)大鼠連續(xù)攝入氚水和氚化小麥70天氚在體內(nèi)的分布、代謝與滯留

大鼠分為2組，組1通過飲水方式連續(xù)攝入氚水,活度為6.3 Bq/mL；組2以進(jìn)食的方式連續(xù)攝入氚化小麥,氚活度為0.178 Bq/g。在攝取氚后不同時間，測定肝、腎、睪丸、血液和脂肪的濕組織中總氚和干組織中的組織結(jié)合氚活度。濕組織樣品在測定前經(jīng)高氯酸-過氧化氫消化,干組織在消化前先經(jīng)冷凍干燥除去組織游離水。制備好的樣品經(jīng)液閃測量計算組織中氚活度。

(3)大鼠單次攝入氚化賴氨酸氚在體內(nèi)的分布、代謝與滯留

健康成年大鼠，一次性攝入氚化賴氨酸，分別在攝入氚后不同時間,測定主要組織器官中總氚(濕組織中的氚)和有機(jī)結(jié)合氚(干組織中的氚)活度,并根據(jù)組織中的總氚活度估算劑量率。

(4)氚水通過不同創(chuàng)傷皮膚的吸收率及組織中的氚活度[2]

小鼠隨機(jī)分為切割傷組、摩擦傷組、燙傷組、化學(xué)燒傷組及完整皮膚組，每組10只，雌雄各半；每組的創(chuàng)傷面積分別為1 cm×1 cm，在創(chuàng)傷后的皮膚上分次滴入20 μL(24.05 kBq)氚水，分別在氚水污染后的30、60、90、120和180 min測定小鼠血液中的氚活度，并計算氚的吸收率。

2.2 在妊娠和泌乳期受氚水內(nèi)照射氚在體內(nèi)的分布與滯留[3]

(1)氚在孕鼠組織和胎兒中的分布

給孕鼠1次腹腔注射活度為1.85×10 Bq/g氚水，分別在氚水注入后2、5、10和20天解剖取組織器官，測定母體主要組織器官及胎兒出生前體內(nèi)的氚活度。

(2)氚在母體組織及胎兒組織中的分布與滯留

母鼠在妊娠當(dāng)天一次腹腔注射1.85×104Bq/g氚水，觀察了氚水給予不同時間后母體組織和胎兒組織中的氚活度以及氚水對胎兒生長發(fā)育的影響。

(3)分娩當(dāng)天一次腹腔注入氚水后氚在母體及仔鼠組織中的分布與滯留

孕鼠在分娩當(dāng)天腹腔一次注入1.85×104Bq/g氚水,分析測定氚水注入后第5、10、15 及20天母鼠和仔鼠的肝、心、腦及皮膚中的氚活度。

2.3 母體氚通過不同途徑向子代的轉(zhuǎn)移特點[4-6]

(1)孕鼠在妊娠當(dāng)天給予氚水母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠妊娠當(dāng)天腹腔一次注入1.85×104Bq/g氚水,并根據(jù)組織中氚活度計算了不同時間母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移系數(shù)。轉(zhuǎn)移系數(shù)為每克胎兒組織中的氚活度與每克母鼠組織中氚活度之比。

(2)孕鼠妊娠不同時間給予不同劑量氚水母體氚向子代的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠分別在妊娠第7、12和16天一次腹腔注入0.2、0.4 和0.6 Gy的氚水,在胎鼠出生后第3.5天測定了母體和仔鼠組織中的氚活度,并計算轉(zhuǎn)移系數(shù)。

(3)分娩當(dāng)天腹腔一次注射氚水母體氚通過乳汁向仔鼠的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠在分娩當(dāng)天一次腹腔注射1.85×104Bq/g氚水,在氚水注入后第5、10、15和20天分別測定了母、仔鼠主要組織中的氚活度，并計算了母體氚通過母乳向仔鼠轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

2.4 氚水內(nèi)照射劑量估算[7]

按每克體重活度為1.85×104Bq一次腹腔注入氚水。在注入氚水后不同時間取出組織，每個組織稱取100～200 mg，立即用硝酸和雙氧水濕灰化,濕灰化時溫度不超過60 ℃,灰化3 h后測定濕組織中總氚活度。

3 結(jié)果

3.1 不同化學(xué)形式的氚在正常動物體內(nèi)的分布、代謝與滯留

3.1.1小鼠1次注入氚水氚在體內(nèi)的分布、代謝與滯留

氚在小鼠主要組織中有效半排期(Tb)和滯留分?jǐn)?shù)初始值(R0)檢測結(jié)果列于表1。

實驗結(jié)果表明：(1)氚水在體內(nèi)呈指數(shù)下降規(guī)律迅速均勻分布于體液及組織臟器,經(jīng)過l～8天的蓄積期,約有l(wèi)%～3%的氚轉(zhuǎn)化為組織結(jié)合氚；(2)濕組織第一排出時相持續(xù)時間約15 d左右,而脂肪組織只有6 d左右；(3)總氚的第一生物半排期(Tb1)約2 d,濕組織的第二生物半排期(Tb2)比第一半排期要長,雌、雄鼠的結(jié)果分別為14 d和28 d，此時脂肪和其它組織之間的差異也不像第一半排期那么明顯,這表明組織結(jié)合氚不同于氚水,其代謝速率與組織含水量的相關(guān)性不是那么大；(4)干組織和濕組織的第二生物半排期十分接近，表明是來源于有機(jī)結(jié)合氚代謝的貢獻(xiàn),此時氚水可以忽略不計。

表1 氚在主要組織中生物半排期(Tb)和外推滯留分?jǐn)?shù)初始值(R0)檢測結(jié)果

注：1)脂肪以外7種組織的平均結(jié)果。

3.1.2大鼠連續(xù)攝入氚水和氚化小麥70天后氚在體內(nèi)的分布代謝與滯留

大鼠連續(xù)攝入氚水及氚化小麥后組織中氚的相對活度結(jié)果列于表2。結(jié)果表明，氚在各組織中均勻分布(除脂肪組織外)；氚水組有機(jī)結(jié)合氚約占總氚的3%～5%(脂肪組織除外),氚化小麥組有機(jī)結(jié)合氚明顯高于氚水組；濕組織中總氚約是氚水組的2倍,干組織中的組織結(jié)合氚約是氚水組的10倍。

3.1.3大鼠單次攝入氚化賴氨酸后氚在體內(nèi)的分布代謝與滯留

實驗結(jié)果表明：(1)組織中的氚活度隨時間變化逐步降低,呈現(xiàn)不均勻分布，第15天組織中的滯留活度約占第1天的9%左右；(2)腎和肝臟中的氚活度高于血和睪丸；(3)濕組織中總氚和干組織中的有機(jī)結(jié)合氚的活度相差比較大,組織中有機(jī)結(jié)合氚活度普遍高于總氚的活度,這與氚水在體內(nèi)有機(jī)結(jié)合氚只占1%～3%份額有差異甚大，表明氚的化學(xué)形式不同其代謝規(guī)律不盡相同。

表2 大鼠連續(xù)攝入氚水及氚化小麥后組織中氚的相對活度(%)1)

注：1)氚的相對活度為每克(濕)干組織中氚活度/給予每克體重的氚活度,乘以100%。2) 濕組織中總氚。3)干組織中有機(jī)結(jié)合氚。

3.1.4氚水通過不同創(chuàng)傷皮膚的吸收率及組織中的氚活度

實驗結(jié)果表明，氚水污染創(chuàng)傷皮膚后可通過皮膚吸收進(jìn)入體內(nèi)，不同的創(chuàng)傷類型氚水的吸收率不盡相同，但氚水在血液中的變化規(guī)律基本相同,血液中的氚隨污染時間的增加而增加，其中切割傷組的吸收率最高。

創(chuàng)傷皮膚對氚水的吸收率(%)依次為：切割傷，4.12±1.4；磨擦傷，3.5±1.4；燙傷，2.68±1.3；化學(xué)燒傷，0.52±0.3；對照組，0.25±0.22。創(chuàng)傷組與對照組相比對氚水的吸收速率分別是對照組的16.5、14.0、10.7、2.3倍，氚水的吸收率和吸收速率均與皮膚創(chuàng)傷程度呈正相關(guān),其中化學(xué)燙傷組最低。

為了觀察氚水通過皮膚創(chuàng)傷在血液中的分布與其他組織的差異,還測定了創(chuàng)傷組氚水污染120 min時主要組織中的氚活度,其中: 肝臟為1 186.7 Bq/g,腎臟1 137.0 Bq/g，脾1 305.1 Bq/g，肺1 463.3 Bq/g，小腸1 352.6，血液1 289.0 Bq/g，氚活度范圍值為1 137.0～1 463.3 Bq/g，平均值為1 672.2±125.8 Bq/g，結(jié)果表明，創(chuàng)傷皮膚吸收氚水后，體液氚與其它主要組織中氚的分布活度無明顯差別。結(jié)果顯示，氚通過創(chuàng)傷皮膚吸收進(jìn)入體內(nèi)后的代謝與腹腔一次注入氚水的規(guī)律基本一致。

3.2 妊娠和泌乳期受氚水內(nèi)照射后氚在體內(nèi)的分布與滯留

3.2.1孕鼠在妊娠當(dāng)天腹腔注入氚水后氚在孕鼠組織和胎兒中的分布

孕鼠妊娠當(dāng)天1次腹腔注射氚水氚在母體及胎兒中的分布，孕鼠在注入氚水后2、5、10和20天母體組織及胎體中氚的分布(%)結(jié)果列于表3。結(jié)果表明，組織中的氚活度按指數(shù)下降規(guī)律呈均勻分布,除大腦中的氚略偏低，胎體和母體組織中氚活度相差不大，氚水注入第2天時氚的滯留量為41%～59%，第20天時只占初始活度的1.5%～1.9%。該結(jié)果與非妊娠小鼠的代謝規(guī)律基本一致{1}。

表3 妊娠當(dāng)天腹腔注射氚水后不同時間氚在母體及胎兒中的分布(%)

3.2.2妊娠當(dāng)天腹腔注入氚水后氚在母體組織及胎兒組織中的分布與滯留

孕鼠妊娠當(dāng)天給予氚水后不同時間母體和胎兒組織中的氚活度檢測結(jié)果列于表4。由表4可見，胎兒與母體組織的結(jié)果不盡相同,胎兒組織的氚活度普遍高于母體組織,這可能與胎兒組織含水量及生理特性與成年鼠不完全相同有關(guān)。

表4 孕鼠妊娠當(dāng)天給予氚水后不同時間母體及子代組織中氚活度(Bq/g)

胎兒的外觀檢查及解剖后觀察,未發(fā)現(xiàn)畸形胎和組織器官的異常。

3.2.3分娩當(dāng)天腹腔注入氚水后氚在母體及仔鼠組織中的分布與滯留

孕鼠在分娩當(dāng)天腹腔一次注入氚水,分析測定氚水注入后第5、10、15及20天母鼠和仔鼠的肝、心、腦及皮膚中的氚活度,并與胎兒宮內(nèi)照射的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,所觀察的組織中,仔鼠組織中的氚活度普遍高于母鼠組織,這與上述胎兒宮內(nèi)照射組織氚的結(jié)果高于母體相一致，不同的是其高出的比率要大于胎兒宮內(nèi)照射。

3.3 母體氚通過不同途徑向子代轉(zhuǎn)移特點

3.3.1孕鼠妊娠當(dāng)天給予氚水后母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠妊娠當(dāng)天一次腹腔注入氚水后不同時間母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移系數(shù)列于表5。結(jié)果可見,不同時間的轉(zhuǎn)移系數(shù)比較接近,不受母體染毒氚水后時間的影響。

表5 孕鼠妊娠當(dāng)天腹腔注入氚水母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3.3.2孕鼠妊娠不同時間給予不同劑量氚水后母體氚向子代的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠妊娠不同時間給予不同劑量氚水母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移系數(shù)列于表6。結(jié)果可見,不同組織的轉(zhuǎn)移系數(shù)不盡相同,氚水給予時間和劑量對轉(zhuǎn)移系數(shù)有一定的影響。第7天轉(zhuǎn)移系數(shù)0.2 Gy組和0.4 Gy組偏高。并且普遍高于胎兒出生前的結(jié)果。

表6 孕鼠妊娠不同時間給予不同劑量氚水后母體氚向胎兒的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3.3.3孕鼠分娩當(dāng)天腹腔注射氚水后母體氚通過乳汁向仔鼠的轉(zhuǎn)移特點

孕鼠分娩當(dāng)天一次腹腔注射氚水后不同時間母體氚通過母乳向仔鼠轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移系數(shù)結(jié)果列于表7。比較表7和表6的結(jié)果可看出,母體氚通過乳汁轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移系數(shù)普遍高于胎兒宮內(nèi)照射的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

3.4 氚水內(nèi)照射劑量估算結(jié)果

3.4.1小鼠氚水染毒后65天的劑量估算結(jié)果

小鼠一次性腹腔注入氚水后65天濕組織中總氚所致的劑量(DTT)和干組織結(jié)合氚所致劑量(DTBT)估算結(jié)果列于表8(沒有考慮氚的蓄積)。結(jié)果表明，小鼠注入氚水后65天各組織臟器受到0.8 rad左右的劑量。氚在脂肪組織中的代謝特點與其他組織臟器有所不同, 總氚的量及所致劑量要低得多,結(jié)合氚的貢獻(xiàn)確占一半以上。

表7 孕鼠分娩當(dāng)天給予氚水后不同時間母體氚通過母乳向仔鼠的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3.4.2氚水內(nèi)照射劑量估算

3.4.2.1母鼠的劑量估算

考慮到用非妊娠鼠的生物代謝參數(shù)估算妊娠和泌乳鼠的劑量會不夠準(zhǔn)確，故分別估算正常成年母鼠、孕鼠及泌乳鼠的氚內(nèi)照射吸收劑量。項目組以往的實驗結(jié)果表明[4-6 ],動物單次接受氚水內(nèi)照射,體氚代謝符合指數(shù)下降規(guī)律。文獻(xiàn)[7]依據(jù)成年鼠孕鼠和泌乳鼠的生物代謝特點和有效生物半排期,估算出成年母鼠、孕鼠和泌乳鼠20天內(nèi)的總氚累積吸收劑量分別為8.5、6.7和7.1 mGy，成年母鼠略高于孕鼠和泌乳鼠。

表8 小鼠腹腔注入氚水后65天劑量估算結(jié)果

注：1)濕組織中總氚劑量；2)干組織結(jié)合氚劑量。

3.4.2.2仔鼠的劑量估算[7]

仔鼠的劑量估算比較復(fù)雜,當(dāng)孕鼠一次接受氚水內(nèi)照射,仔鼠所受的劑量D總,由來自孕鼠宮內(nèi)胎兒氚照射的吸收劑量D胎和仔鼠出生后體內(nèi)氚照射的吸收劑量D仔兩部分組成。

仔鼠接受氚總累積吸收劑量估算結(jié)果列于表9。其中，組1未考慮D胎的吸收劑量，組2和組3分別考慮了D胎和D仔的吸收劑量估算結(jié)果,由表9可見，3組的吸收劑量估算結(jié)果有一定差別。

表9 不同天齡仔鼠接受氚總累積吸收劑量估算結(jié)果(mGy)

注：1)組1未考慮D胎的估算結(jié)果；2)組2考慮了D胎的估算結(jié)果；3)組3考慮了D仔的估算結(jié)果。

4 討論

通過系統(tǒng)的研究氚水在動物體內(nèi)的分布、代謝、滯留與轉(zhuǎn)移行徑，比較不同化學(xué)形式的氚通過不同途徑、時間和劑量以及在正常成年鼠、孕鼠、泌乳鼠、胎兒及仔鼠中代謝規(guī)律的異同，不同創(chuàng)傷皮膚對氚水的吸收率，基本搞清了氚水和氚化有機(jī)化合物對動物單次及連續(xù)照射在組織中分布的代謝動力學(xué)特性，以及在正常期、孕期及哺乳期相互之間的異同。獲得了孕期和哺乳期母鼠的代謝特點及母體氚向仔鼠轉(zhuǎn)移特點的實驗資料。為事故情況下氚污染的處理判定及輻射生物效應(yīng)評估提供基礎(chǔ)資料，具有實際應(yīng)用意義。

氚水可通過創(chuàng)傷和完整皮膚吸收進(jìn)入全身，其吸收率與皮膚的創(chuàng)傷嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。其代謝符合一次腹腔注入氚水的代謝特點。結(jié)果提示,在平時和核應(yīng)急條件下,氚通過受傷皮膚的吸收造成的內(nèi)污染不可忽略。

大鼠連續(xù)攝入氚化小麥70天后,組織中的有機(jī)結(jié)合氚明顯高于氚水組,總氚約是氚水組的2倍,有機(jī)結(jié)合氚約是氚水組的10倍。從致機(jī)體輻射危害評價角度,氚化小麥所產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)更應(yīng)受到關(guān)注,因結(jié)合到組織中的氚相對于游離水氚難以排出體外,可對組織細(xì)胞產(chǎn)生較長時間的內(nèi)照射。大鼠一次攝入氚化賴氨酸與氚水在組織中的分布與滯留特性不同,氚化賴氨酸在組織中的分布呈不均勻狀態(tài),干組織中結(jié)合氚活度明顯高于濕組織中的總氚活度,結(jié)果提示，氚在體內(nèi)的分布與滯留取決于氚的不同化學(xué)形式。

胎兒無論是出生前宮內(nèi)受照還是通過母乳喂養(yǎng),母體氚均可轉(zhuǎn)移給子代，且子代組織中氚活度均高于母體組織,其原因可能與胎兒和仔鼠的生理特性與成年鼠不同有關(guān),小鼠處于生長發(fā)育高峰期,其代謝功能旺盛,組織含水量也高于母體，所以仔鼠組織中氚活度高于母鼠符合客觀規(guī)律。從胚胎效應(yīng)角度評價,母體在妊娠和泌乳期的輻射防護(hù)尤為重要。

母體氚無論通過哪種途徑轉(zhuǎn)移給子代,其轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，由于胎兒和仔鼠處于生長發(fā)育高峰期，潛在的輻射危害一定會比母體大,即便是體氚與母體相同，其輻射危害也大于母體，尤其是母乳喂養(yǎng)階段仔鼠處于獨立的生理個體,是生長發(fā)育的關(guān)鍵時期,更應(yīng)引起重視。

輻射劑量是評價輻射生物效應(yīng)的重要參數(shù),另外在氚的生物效應(yīng)研究中,仔鼠接受的劑量是對胚胎效應(yīng)評價的重要指標(biāo)。用不同劑量估算模式估算的結(jié)果不盡相同,為此選擇正確的估算模型進(jìn)行劑量估算十分重要。