低劑量輻照細胞損傷機制

賀永明 崔鳳梅

在哺乳動物中，低劑量輻射殺死細胞數量有限，并能迅速為新生細胞所修復而不留痕跡。輻射可致死，而亞致死傷害亦可獲得迅速而有效的修復。遺憾的是，在修復過程中，受損細胞可產生修復錯誤，導致基因突變，產生某種形式的遺傳學不穩定。遺傳學強不穩定性可致正常細胞死亡或致腫瘤發生，而中等度不穩定性可為細胞所耐受甚至遺傳給下一代。顯然，人們關注“診斷劑量”，希望理解中等劑量照射時是否以及如何增加健康風險。充分理解電離輻射誘導的分子學過程，將使臨床治療更有效而風險更小。

過去曾認為，輻射損傷的唯一細胞效應與DNA損傷有關，但現有證據表明，輻射損傷可影響特定細胞靶點并產生級鏈反應。因此，現有研究已不再局限于直接DNA損傷和修復，而是擴展至間接作用，如適應反應、毒物興奮效應、旁觀者效應、遺傳學不穩定性及遺傳易感性。這些研究提供了大量的醫學信息，為患者和從事核放射行業人員建立準確輻射保護標準提供了科學依據。近年來，輻射效應更是受到空間科學的驅動而方興未艾。

1 旁觀者效應

旁觀者效應原指一種心理狀態，在場的人越多，越是沒有人站出來救助受害者。現在，放射學家使用這一術語描述直接受損細胞將這一損害傳播至其他未直接受損細胞的能力。這一模型假定低劑量低LET照射可能比線性非閾值模型預期的危害更大[1]。旁觀者效應的最新定義基于下列發現:暴露于低劑量 粒子細胞姊妹染色體交換頻率增加至30%，但真正發生有效交換的不足1%。因此，電離輻射損傷來自直接照射的觀點顯然站不住腳[2～5]。但DNA損傷似乎為起動旁觀者效應所必需，因為人們發現，DNA修復缺失的細胞，其毒性遠大于DNA正常細胞[6]。

亦有報道顯示，以受輻照細胞的條件培養基培育正常細胞，可誘導旁觀者效應[7]。更為有趣的是，同樣的實驗條件下，適應性反應和旁觀者效應可同時出現[8]。有些觀察發現，旁觀者效應可遺傳至下一代[9，10]。粒子可特異性產生旁觀者效應，并通過特異性激活因子使這一效應擴布開來;光子特異性誘導適應性反應。旁觀者效應的動力學及機制，尤其是其時間和空間效應對旁觀者信號傳導還不清楚。

2 旁觀者效應機制及途徑

人們提出了多個機制用于解釋放射誘導的旁觀者效應。受輻照細胞分泌低分子量化學因子，這些化學因子影響了未受輻照的附近細胞，從而產生旁觀者效應。另有理論認為，受輻照細胞分泌的小分子通過“縫隙連接”作用于鄰近細胞產生旁觀者效應。信號傳導包括可溶性因子，如壽命短的氧自由基可起動應答及其他因子可調節縫隙連接[11]，擴布并維持這一效應。質膜表面細胞因子或生長因子受體可將信號放大并傳導至核內，受輻照細胞的另一些信號可激活質膜表面氧化酶[12]，細胞終將更持久產生活性氧自由基。活性氧自由基可損傷DNA，刺激修復機制，激活特定檢測點，使細胞暫時停留在G1期[9]。旁觀者效應細胞表現為多種生物學后果，如遺傳學和表觀遺傳學改變，基因表達改變，信號傳導途徑的激活以及其后代所表現出來的遺傳效應[13，14]。

3 基因組不穩定性

電離輻射可使受照幸存細胞后代基因組不穩定，誘導其后代延遲死亡或致死性突變和誘變[15～17]。這一形式的基因組不穩定性與旁觀者效應一樣，可由活性氧自由基觸發[18]。大量研究表明，電離輻射誘發的基因組不穩定性與旁觀者效應緊密相關。研究表明，輻照幸存細胞后代染色體不穩定，可分泌可溶性因子誘導旁觀細胞死亡和染色體不穩定。亦有旁觀細胞后代延遲效應的報道，這些延遲效應包括在體和離體的染色體不穩定性以及后代死亡[19～23]。

4 輻照細胞功能失活

4.1 壞死、凋亡 已知幾個機制參與調節輻照細胞失活，有細胞周期一過性停止、細胞死亡及細胞衰老等。治療劑量的輻射可殺傷腫瘤細胞，而對正常細胞傷害小，但仍可造成嚴重組織(如大腦)損傷。放療后腫瘤部位偶可立即出現一大片壞死組織，放療后數周至數月內出現大片壞死組織則更為常見，此即放射性壞死。細胞凋亡經常發生。上世紀八十年代初，有人率先提出細胞凋亡是受照細胞死亡的一種重要形式[24]，研究了細胞凋亡機制，并將細胞凋亡反應與放射敏感性聯系起來[25]。Aldridge[26]新近研究表明，5 個人血細胞克隆生存率與凋亡反應關系明確。中等劑量照射誘導細胞凋亡率與細胞周期檢點功能相關，恰好反映了單克隆生存反應。高放射敏感性細胞系迅速出現凋亡，而不敏感細胞系則很久才出現細胞凋亡。這些研究表明，從DNA損傷至觸發細胞凋亡這段自身修復時間是決定放射敏感性的關鍵因素，至少造血細胞如此。相反，Kyprianou[27]研究表明，人前列腺癌細胞系Bcl－2的過度表達可顯著延緩放射誘導細胞凋亡，并不影響細胞系的生存率。這一截然不同的結果反映了細胞凋亡在細胞死亡中的貢獻因細胞類型不同而異。

DNA損傷誘導細胞凋亡受p53基因調控[28]，但并非唯一調控因素。譬如，電離輻射并不能誘導p53野生型MCF－7細胞凋亡。正常情況下，p53基因通過上調p21，使細胞停留在G1期而減少細胞凋亡[29]，而p53基因缺失或p53基因突變可促進細胞凋亡。此時，細胞在 G2期時發生凋亡[30～32]。細胞凋亡的機制值得深入研究。

4.2 線粒體災難 研究表明，許多細胞系受到電離輻射后，早期并不出現細胞凋亡，但在晚期可因線粒體災難而出現細胞死亡。細胞兩種死亡模式功能上存在聯系，線粒體災難可視作因持續DNA損傷及細胞周期檢點控制缺失所致一種caspase介導的細胞死亡的亞型[33]。有學者設想p53基因與線粒體災難有關[34]。研究則表明，p53基因通過轉錄抑制機制調節細胞周期素B1水平[35]。研究野生型和無功能型p53鼠胚胎成纖維細胞結果表明，線粒體災難可致細胞周期素B1水平上調。野生型和無功能型p53鼠胚胎成纖維細胞受照后可誘使細胞停留在S/G2期，但p53基因突變細胞出現線粒體災難后繼而細胞周期素B1升高，野生型p53基因細胞表現為細胞周期素B1輕度升高，線粒體災難出現頻率也低[36]。然而，這一放射誘導的延遲型細胞凋亡的分子機制可能相當復雜。其他的如乳房細胞，順序過表達Fas，TRAIL(腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體)及腫瘤壞死因子－α，晚期過表達相應配體似也參與了早期細胞凋亡和晚期線粒體災難[37]。細胞死亡受體過表達可為照射直接誘導，但也可以是線粒體災難直接后果。細胞周期檢點受阻或有絲分裂異常可致線粒體災難。其他研究表明，其他調節因素可能控制了線粒體災難，包括細胞周期特異性激酶(如Cdk1和Aurora)，細胞周期檢點蛋白及生存素。P53和p21wafl/cipl參與了細胞死亡配體表達[33]。這些問題值得深入研究。

4.3 衰老 衰老是指正常細胞經過有限次細胞分裂后增殖停止。衰老細胞仍然具有代謝和合成能力，并表現出特有的形態學和生化改變，如細胞變大變扁、細胞中顆粒增加，SA－gal活性增強等[38，39]。經典的細胞衰老是由于染色體兩端端粒酶及其他結構的縮短所致[40]。衰老加速類似于經典的細胞衰老，表現在形態學、生化及生物學特征方面，但無端粒酶縮短現象。衰老加速系正常細胞和腫瘤細胞對潛在致癌影響的一種保護性、非程序性反應[41]。研究表明，電離損傷可模仿衰老現象，致正常細胞和腫瘤細胞細胞周期停止[42]。DNA損傷是細胞提前衰老的主要原因，但具體機制未明。可以肯定的是，電離損傷可促發癌細胞(受p21waf1/cip1誘導)p53介導的多種反應[43，44]。但研究表明，電離損傷誘導的人直腸癌HCT116細胞衰老(p53，p16或p21基因缺失)僅部分受抑制[45]，這點不同于野生型HCT116細胞。因此，盡管p53和p21似乎參與了細胞衰老調節，但并非細胞衰老所必需，這些研究提示其他基因可能參與了腫瘤細胞的衰老，具體基因尚未明確。可以肯定的是，衰老可影響電離損傷后自我修復能力，電離誘導細胞衰老程度與該細胞對電離損傷敏感性有關[46]。有些研究表明，p53基因缺失可阻止細胞衰老，也可使放射治療失效[47]。目前，人類已邁入深太空，電離誘導衰老反應尤其有現實意義，深入研究這一現象將有助于闡明太空慢性電離輻射如何影響宇航員組織和器官功能的。最后，闡明腫瘤衰老的基因和調節機制有助于設計新的治療方案，以提高放療的效果并減少副作用。

低劑量輻照受損細胞結局取決于能否徹底揭開低劑量輻照受損細胞分子機制。此外，許多生物學和流行病學問題亟待解決。

[1]Djordjevic B.Bystander effects:A concept in need of clarification[J].Bioessays，2000，22:286 －290.

[2]Nagasawa H，Little JB.Induction of sister chromatid exchanges by extremely low doses of alpha － particles[J].Cancer Res，1992，52:6394－6396.

[3]Deshpande A，Goodwin EH，Bailey SM，et al.Alpha－particle－induced sister chromatid exchange in normal human lung fibroblasts:Evidence for an extranuclear target[J].Radiat Res，1996，145:260－267.

[4]Azzam EI，de Toledo SM，Little JB.Direct evidence for the participation of gap junction－mediated intercellular communication in the transmission of damage signals from alpha－particle irradiated to non irradiated cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，2001，98:473 － 478.

[5]Zhou H，Suzuki M，Randers－Pehrson G，et al.Radiation risk to low fluences of alpha particles may be greater than we thought[J].Proc Natl Acad Sci USA，2001，98:14410 －14415.

[6]Mothersill C，Seymour RJ，Seymour CB.Bystander effects in repair－ deficient cell lines[J].Radiat Res，2004，161:256 －263.

[7]Mothersill C，Seymour CB.Cell－cell contact during gamma irradiation is not required to induce a bystander effect in normal human keratinocytes:Evidence for release during irradiation of a signal controlling survival into the medium[J].Radiat Res，1998，149:256 －262.

[8]Sawant SG，Randers－Pehrson G，Metting NF，et al.Adaptive response and the bystander effect induced by radiation in c3h 10t(1/2)cells in culture[J].Radiat Res，2001，156:177 －180.

[9]Seymour CB，Mothersill C.Delayed expression of lethal mutations and genomic instability in the progeny of human epithelial cells that survived in a bystander － killing environment[J].Radiat Oncol Investing，1997，5:106 －110.

[10]Wright EG.Inherited and inducible chromosomal instability:A fragile bridge between genome integrity mechanisms and tumourigenesis[J].J Pathol，1999，187:19 － 27.

[11]Shao C，Furusawa Y，Aoki M，et al.Role of gap junctional intercellular communication in radiation－induced bystander effects in human fibroblasts[J].Radiat Res，2003，160:318 －323.

[12]Narayanan PK，LaRue KE，Goodwin EH，et al.Alpha particles induce the production of interleukin － 8 by human cells[J].Radiat Res，1999，152:57 －63.

[13]Hamada N，Matsumoto H，Hara T，et al.Intercellular and intracellular signaling pathways mediating ionizing radiation－induced bystander effects[J].J Radiat Res(Tokyo)，2007，48:87 －95.

[14]Bourguignon MH，Gisone PA，Perez MR，et al.Genetic and epigenetic features in radiation sensitivity part i:Cell signalling in radiation response[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging，2005，32:229－246.

[15]Huang L，Snyder AR，Morgan WF.Radiation－induced genomic instability and its implications for radiation carcinogenesis[J].Oncogene，2003，22:5848 －5854.

[16]Lyng FM，Seymour CB，Mothersill C.Initiation of apoptosis in cells exposed to medium from the progeny of irradiated cells:A possible mechanism for bystander－induced genomic instability?[J].Radiat Res，2002，157:365 －370.

[17]Hamada N，Funayama T，Wada S，et al.Let－dependent survival of irradiated normal human fibroblasts and their descendents[J].Radiat Res，2006，166:24 －30.

[18]Limoli CL，Giedzinski E，Morgan WF，et al.Persistent oxidative stress in chromosomally unstable cells[J].Cancer Res，2003，63:3107－3111.

[19]Kronenberg A.Radiation － induced genomic instability[J].Int J Radiat Biol，1994，66:603 －609.

[20]Lewis DA，Mayhugh BM，Qin Y，et al.Production of delayed death and neoplastic transformation in cgl1 cells by radiation－induced bystander effects[J].Radiat Res，2001，156:251 －258.

[21]Moore SR，Marsden S，Macdonald D，et al.Genomic instability in human lymphocytes irradiated with individual charged particles:Involvement of tumor necrosis factor alpha in irradiated cells but not bystander cells[J].Radiat Res，2005，163:183 －190.

[22]Bowler DA，Moore SR，Macdonald DA，et al.Bystander－mediated genomic instability after high let radiation in murine primary haemopoietic stem cells[J].Mutat Res，2006，597:50 －61.

[23]Clutton SM，Townsend KM，Walker C，et al.Radiation－induced genomic instability and persisting oxidative stress in primary bone marrow cultures[J].Carcinogenesis，1996，17:1633 －1639.

[24]Hendry JH，Potten CS.Intestinal cell radiosensitivity:A comparison for cell death assayed by apoptosis or by a loss of clonogenicity[J].Int J Radiat Biol Relax Stud Phys Chem Med，1982，42:621－628.

[25]Olive PL，Durand RE.Apoptosis:An indicator of radiosensitivity in vitro?[J].Int J Radiat Biol，1997，71:695 －707.

[26]Aldridge DR，Radford IR.Explaining differences in sensitivity to killing by ionizing radiation between human lymphoid cell lines[J].Cancer Res，1998，58:2817 －2824.

[27]Kyprianou N，King ED，Bradbury D，et al.Bcl－2 over－expression delays radiation－induced apoptosis without affecting the clonogenic survival of human prostate cancer cells[J].Int J Cancer，1997，70:341 －348.

[28]Lowe SW，Bodis S，McClatchey A，et al.P53 status and the efficacy of cancer therapy in vivo[J].Science，1994，266:807 －810.

[29]Deng C，Zhang P，Harper JW，et al.Mice lacking p21cip1/waf1 undergo normal development，but are defective in g1 checkpoint control[J].Cell，1995，82:675 － 684.

[30]Bracey TS，Miller JC，Preece A，et al.Gamma－radiation－induced apoptosis in human colorectal adenoma and carcinoma cell lines can occur in the absence of wild type p53[J].Oncogene，1995，10:2391 －2396.

[31]Guillouf C，Rosselli F，Sjin RT，et al.Role of a mutant p53 protein in apoptosis:Characterization of a function independent of transcriptional trans－ activation[J].Int J Oncol，1998，13:107 －114.

[32]Merritt AJ，Allen TD，Potten CS，et al.Apoptosis in small intestinal epithelial from p53－null mice:Evidence for a delayed，p53－independent g2/m－associated cell death after gamma－irradiation[J].Oncogene，1997，14:2759 －2766.

[33]Castedo M，Perfettini JL，Roumier T，et al.Mitotic catastrophe constitutes a special case of apoptosis whose suppression entails aneuploidy[J].Oncogene，2004，23:4362 －4370.

[34]Eriksson D，Lofroth PO，Johansson L，et al.Cell cycle disturbances and mitotic catastrophes in hela hep 2 cells following 2.5 to 10 gy of ionizing radiation[J].Clin Cancer Res，2007，13:5501－5508.

[35]Taylor WR，Stark GR.Regulation of the g2/m transition by p53[J].Oncogene，2001，20:1803 －1815.

[36]Innocente SA，Abrahamson JL，Cogswell JP，et al.P53 regulates a g2 checkpoint through cyclin b1[J].Proc Natl Acad Sci USA，1999，96:2147 －2152.

[37]Luce A，Courtin A，Levalois C，et al.Death receptor pathways mediate targeted and non－targeted effects of ionizing radiations in breast cancer cells[J].Carcinogenesis，2009，30:432 －439.

[38]Campisi J.Cellular senescence as a tumor－ suppressor mechanism[J].Trends Cell Biol，2001，11:27 － 31.

[39]Dimri GP，Lee X，Basile G，et al.A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo[J].Proc Natl Acad Sci USA，1995，92:9363 －9367.

[40]Hayflick L，Moorhead PS.The serial cultivation of human diploid cell strains[J].Exp Cell Res，1961，25:585 －621.

[41]Weinberg RA.The cat and mouse games that genes，viruses，and cells play[J].Cell，1997，88:573 － 575.

[42]Suzuki M，Boothman DA.Stress－induced premature senescence(sips)－ influence of sips on radiotherapy[J].J Radiat Res(Tokyo)，2008，49:105 －112.

[43]Chu K，Teele N，Dewey MW，et al.Computerized video time lapse study of cell cycle delay and arrest，mitotic catastrophe，apoptosis and clonogenic survival in irradiated 14－3－3 sigma and cdkn1a(p21)knockout cell lines[J].Radiat Res，2004，162:270 － 286.

[44]Mirzayans R，Scott A，Cameron M，et al.Induction of accelerated senescence by gamma radiation in human solid tumor－derived cell lines expressing wild － type tp53[J].Radiat Res，2005，163:53－62.

[45]Chang BD，Xuan Y，Broude EV，et al.Role of p53 and p21waf1/cip1 in senescence－like terminal proliferation arrest induced in human tumor cells by chemotherapeutic drugs[J].Oncogene，1999，18:4808－4818.

[46]Podtcheko A，Ohtsuru A，Namba H，et al.Inhibition of abl tyrosine kinase potentiates radiation－induced terminal growth arrest in anaplastic thyroid cancer cells[J].Radiat Res，2006，165:35－42.

[47]Lehmann BD，McCubrey JA，Jefferson HS，et al.A dominant role for p53－dependent cellular senescence in radiosensitization of human prostate cancer cells[J].Cell Cycle，2007，6:595 －605.