天然化合物的電離輻射防護作用研究

王 麗，王振宇，2，*，張 浩，左麗麗

（1.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150090；2.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040）

天然化合物的電離輻射防護作用研究

王 麗1，王振宇1，2，*，張 浩1，左麗麗1

（1.哈爾濱工業大學食品科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150090；2.東北林業大學林學院，黑龍江哈爾濱 150040）

電離輻射傷害生物體，而且越來越多的人暴露在輻射環境中，如太空探索、放療和核醫學。所以，輻射防護劑的研究成為現在的熱點。但是由于合成化合物的毒性限制了其在臨床中的應用，迄今為止，并沒有找到理想的輻射防護劑。天然化合物廣泛應用于醫學中，研究發現，它們也是較好的輻射防護劑。本文主要針對天然化合物包括多酚、黃酮、花青素、多糖、褪黑激素等的輻射防護作用，以及可能的防護機制進行綜述。研究發現天然化合物可能是通過清除自由基、抑制脂質過氧化、增加內源性抗氧化酶和抑制DNA損傷等活性達到輻射防護的作用。

電離輻射，輻射防護劑，天然化合物

Abstract：Ionizing radiations produce deleterious effect in the living organisms and the population of human becoming exposed to radiation environment（e.g.space exploration，radiotherapy and nuclear medicine） is rapidly increasing.The development of radioprotective agents has been the subject of intense research.However，to date，no ideal radioprotectors are available as most synthetic compounds are toxic and have limited use in clinical practice.Natural compounds are widely used in traditional systems of medicine，and which have been evaluated as significant radioprotectors.This article reviewed some of the most promising natural compounds，such as polyphenols，flavonoids，anthocyanins，polysaccharides，and melatonin and they seemed to exert their effect through antioxidant activity，lipid peroxidation inhibition，increase of antioxidant enzymes，inhibition of DNA damage and so on.

Key words：ionizing radiations；radioprotective agents；natural compounds

生物技術的迅速發展增加了人體暴露在電離輻射中的機會，如空間探測、放射醫療、核戰爭等，給人們帶來潛在的危害。早在1949年就有人已經開始研究防止電離輻射損傷的藥物。目前，國內外已研究了許多化學和生物制劑防止電離輻射傷害，但是，這些制劑均具有毒副作用，不能長期食用，因此，研究天然物質中對人體無害的輻射防護劑成為熱門課題。

1 電離輻射及其傷害

眾所周知，電離輻射具有細胞毒性，也是一種誘變劑，能夠引起多種疾病，如癌癥、敗血病等。電離輻射包括幾種不同的電磁射線，如X-射線、γ-射線；不同的粒子，如α粒子、β粒子與中子，這些都是高能輻射，對人體的傷害很大。暴露于電離輻射中的方式有兩種，即內部輻射和外部輻射。放射醫療，如利用γ-射線治療癌癥患者，屬于外部輻射。內部輻射可能是由于放射性核素進入體內，定位于特定的器官而產生。一旦寄存于器官中，放射性元素就會進行衰變而產生γ和β射線，輻射組織[1-2]。

電離輻射對人體產生直接和間接損傷。電離輻射可以直接電離DNA，使DNA雙鍵斷裂，造成直接損傷，這種損傷可能引起染色體異常、細胞死亡，目前認為DNA斷裂是可以修復的，但是，如果DNA錯誤修復或無法修復會造成基因突變和二次腫瘤的產生。輻射通過作用于細胞內的水分子產生的活性氧自由基（羥基自由基、單線態氧等）造成的損傷為間接損傷。電離輻射誘導產生活性自由基的同時也會產生毒性物質，如過氧化氫等，產生的這些自由基都會造成大分子物質（DNA、蛋白質和磷脂等）的損傷。特別是對DNA的損傷嚴重，包括單鏈和雙鏈DNA的斷裂、結構損傷和DNA-DNA，DNA-蛋白質交聯，這些損傷都會限制損傷位點的復制。同時，輻射會造成旁觀效應，受到輻射的細胞會將輻射信號傳到鄰近未受到輻射的細胞，或很多受輻射細胞將信號到給較遠的未受輻射的細胞。這種旁觀效應會增加或減少細胞中與應激相關的蛋白酶含量、活性氧自由基含量，細胞死亡或細胞增殖，細胞分化，誘導突變，染色體畸變和染色體的不穩定性[3-7]。因此，現在需要研究保護人體免受電離輻射損傷的輻射防護劑。

2 輻射防護劑的研究

早在1949年就已經有關于防止電離輻射傷害的藥物的研究報道，現在研究還在繼續，目前已經發現了許多天然的化合物和合成/半合成的化學試劑，它們能有效的降低電離輻射產生的不良反應[8]。但是，許多合成化學試劑如阿米斯汀，它是藥物前體，與膜結合的堿性磷酸鹽將硫酯鍵分開，產生自由的具有活性的硫氫基，生成具有活性的代謝產物是WR-1065；阿米斯汀已經在臨床上得到應用，可以保護正常的組織免受急性和長期的放射和化療治療引起的輻射損傷。與癌細胞相比，阿米斯汀對正常組織的輻射防護作用更有效。但是，因為它具有毒性和副作用，使得其在臨床上的應用是有限的。而且這類輻射防護劑不能進行輻射后的損傷修復[9-11]。因此，尋找低毒有效的天然輻射防護劑成為近年來研究的熱點。

2.1 多酚

多酚廣泛存在于各種水果、蔬菜中，植物多酚以苯酚為基本骨架，以苯環的多羥基取代為特征，酚類化合物中的多元酚羥基可與自由基反應，阻斷自由基的鏈式反應，具有很好的清除自由基的作用，是公認的抗氧化劑[12]。最近研究發現，多酚類化合物也是很有效的輻射防護劑。

研究發現，山楂果實提取物可以降低γ-射線輻射引起的骨髓細胞基因毒性。在輻射（2Gy）前1h，腹腔注射200mg/kg山楂提取物，可以降低小鼠骨髓細胞中微核的產生，與輻射空白和100mg/kg阿米斯汀相比，微核產生率分別可以降低5.7倍和0.9倍[13]。山楂果實提取物也可以顯著降低γ-射線輻射后人體的外周血中淋巴細胞的數量和微核的數量，是輻射環境中淋巴細胞的保護劑[10]。這與山楂提取物中含有的綠原酸、表兒茶素和金絲桃苷等多酚化合物有關。

通過動物模型實驗發現，蜂膠多酚類物質可以顯著降低γ-射線輻照后小鼠的致死率和白細胞中的DNA損傷，并能減輕放射性疾病的癥狀，而且提取物中的槲皮素具有顯著保護白細胞免受輻照損傷的作用，是無毒、有效的輻射防護劑，但是輻射防護機理需進一步研究[14-15]。

Londhe等[16]用小鼠的肝臟線粒體和pBR322質粒DNA作為體外的模擬系統，首次發現苦味葉下珠分離純化得到的鞣花單寧具有抗輻射活性。這些化合物不僅可以清除自由基，降低氧化應激，抑制輻射誘導引起的pBR322線粒體DNA單鏈的斷裂，還能抑制脂質過氧化和蛋白質氧化，是很有效的輻射防護劑。

研究還發現，芝麻酚、迷迭香多酚等都可以降低輻射引起的基因毒性，保護DNA免受輻射損傷[17-18]。

2.2 黃酮

黃酮類化合物具有兩個酚羥基的苯環（A與B環）通過中央三碳原子相互連結而成的一系列C6-C3-C6化合物，簡稱類黃酮，是酚類化合物中的一種[19]。

橙皮苷（HES），一種二氫黃酮糖苷，向小鼠腹腔膜內注射80mg/kg橙皮苷45min后輻照（2Gy），發現HES可以降低小鼠骨髓細胞中多染性紅細胞微核（MnPCEs）的出現頻率，與空白輻射相比，總的MnPCEs少2.85倍。研究表明，橙皮苷能夠抑制輻射誘導的小鼠骨髓細胞的DNA損傷和人體外周血淋巴細胞的損傷[20-21]，具有很強的輻射防護作用。

沙棘是一種安全有效的輻射防護劑，與黃酮含量少的組分相比，其提取物中富含黃酮的組分具有更強的清除自由基和保護相比膜的能力，這可能與其組分中含有槲皮素、鼠李黃素和山奈酚有關[22]。

牡丹中的主要活性物質芍藥甙對輻照的胸腺細胞的輻射具有防護功能，并已發現了防護機制。研究表明，用60Co-γ-射線輻射（4Gy）后，加入芍藥甙可以清除胸腺細胞內的活性氧自由基，保護胸腺細胞免受輻射引起的損傷，并能降低絲裂原活化蛋白激酶的活性[23]。

2.3 花青素

花青素是以黃酮核為基礎的能呈現顏色的一類糖苷，是花色素（配體）與糖相結合形成的配糖體，花色素作為包素的發色團，具有類黃酮的典型結構[24]。

蓮蓬丙酮-水提取物中的原花青素（LSPCs）對瑞士白化小鼠經γ-射線輻射后具有輻射防護功能。LSPCs可以減少輻射引起的死亡率，有效地維持脾臟指數接近正常，能防止輻射對小鼠的脾臟和皮膚的傷害，減少輻射誘發的骨髓細胞中多染性紅細胞中的微核數，顯著降低對骨髓細胞染色體的損傷。而且原花青素緩釋片也有類似的功能。此外，用LSPCs（200mg/kg）預處理后可以明顯地降低輻射后小鼠肝臟中脂質過氧化水平和提高內源性抗氧化物酶的水平。因此，LSPCs可能具有很強的保護全身的輻射防護功能，可以作為輻射防護劑[25-26]。

從葡萄籽中提取的原花青素也具有類似的功能，不僅可以清除活性氧自由基還可以抗誘變，降低骨髓細胞中多染性紅細胞中的微核數[27]。

酚類化合物主要通過清除自由基，降低自由基引起的各種疾病的機率，減少細胞中微核的產生，來保護染色體和造血細胞免受輻射損傷從而降低輻射傷害。

2.4 多糖類化合物

多糖又稱多聚糖，是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，不僅為生物提供了骨架結構和能量來源，還廣泛的參與了細胞各種生命現象及生理過程的調節。近年研究表明，多糖具有明顯的輻射防護作用[28]。

Kim等[28]發現人參酸性多糖（100mg/kg）對小鼠有輻射防護作用（5Gy），而且能明顯增加骨髓細胞的數量，提高骨髓細胞抵抗γ-射線輻照的能力，是一種很好的骨髓輻射防護劑。而且人參多糖還具有促進細胞有絲分裂的活性，增加小鼠的脾臟細胞，粒-巨噬細胞集落形成細胞（GM-CFC）和循環性中性白細胞，淋巴細胞和血小板的數量，是輻照后修復造血細胞所用時間減少的有效的物質[29]。

圣羅勒屬和青牛膽屬植物中的兩種多糖都具有抗氧化活性，可以抑制輻射誘導的質粒DNA的損傷，還可以清除大量的活性氧自由基（ROS），抑制黃嘌呤氧化酶，還可以阻止小鼠脾細胞經γ-射線輻照后造成的細胞死亡[30]。

Pillai等[31]通過外周血淋巴細胞彗星實驗證明，靈芝多糖具有增強修復功能，可以在短時間內修復輻射損傷的DNA。

目前研究表明，多糖的輻射防護作用主要是增加骨髓干細胞的再生和中性粒細胞與血小板的修復，保護造血系統，促進造血功能和機體免疫功能的恢復，降低輻射損傷。

2.5 激素類

褪黑激素廣泛存在于生物體內，是松果體分泌的吲哚胺，它通過提供一個電子，表現出較強的清除自由基能力，許多研究表明，褪黑激素具有輻射防護作用[32]。

在輻射前用褪黑激素（10mg/kg）處理小鼠，可以顯著降低骨髓細胞微核的發生率，有效地保護細胞免受輻射損傷。大鼠腹腔注射100mg/kg褪黑激素可以顯著降低大腦脂質過氧化程度和DNA損傷，保護大腦免受輻射誘導的氧化損傷。而50mg/kg褪黑激素，可以保護大鼠的肝臟免受輻射損傷[33-35]。

褪黑激素的輻射防護主要是對骨髓有核細胞、造血干細胞有防護作用，并促進他們的修復，也可能與其清除自由基的能力有關，但激素類對性器官有影響，長期多次使用，可能會引起女性月經失調、男性睪丸萎縮等現象，在臨床上的應用受到限制[36]。

2.6 其他

研究發現葉酸等一些營養物質、甜菜堿、錦紫蘇等也具有輻射防護作用[37-39]，有些并沒有確定具體的發揮輻射防護作用的物質，但是，在天然的植物中獲得輻射防護劑是現在研究的熱點。

3 輻射防護機制

輻射防護劑的防護機制并沒有十分的明確，推斷其主要的機制如下。

3.1 清除活性氧自由基

電離輻射誘導產生活性自由基，如羥基自由基、單線態氧等，同時也會產生毒性物質，過氧化氫等，產生的這些物質都會造成大分子物質（DNA、蛋白質和磷脂等）的損傷。特別是對DNA的損傷嚴重。DNA的斷裂是電離輻射中致命的損傷，是輻射損傷細胞的靶點。同時，活性氧自由基在鄰近的化合物中吸收氫原子引起連鎖反應，導致細胞毒性。超氧陰離子和羥基自由基可以介導基因穩定性導致DNA損傷，致使細胞死亡。生理學研究，超氧化物與內源性一氧化氮反應形成過氧亞硝基（ONOO-），而ONOO-形成DNA加合物，引起-SH-變性[30，40]。

體外研究表明，大多輻射防護劑都具有清除活性氧自由基的活性，通過清除活性氧自由基，降低輻射毒性。

3.2 抑制脂質過氧化

脂質過氧化是輻射誘導的自由基產生的，會導致各種疾病。體內脂質過氧化會損傷細胞膜的結構和功能，同時與蛋白質和核酸等大分子反應而影響細胞功能。輻射防護劑抑制脂質過氧化的同時，保護細胞膜免受輻射損傷并降低氧化應激[41-42]。但是并不是所以具有清除自由基的輻射防護劑都具有抑制脂質過氧化作用的功能，如酵母甘露聚糖具有抗脂質過氧化的活性卻沒有清除自由基的能力[43]。

3.3 增加抗氧化酶活性

研究表明，輻照后可能因為氧化應激增加，導致肝臟和紅細胞中的抗氧化酶（SOD、CAT和GST）活性降低。內源性抗氧化酶具有多種功能，如維持硫醇-二硫化物平衡，合成DNA前體和提供細胞內的ATP。SOD通過歧化作用使超氧陰離子形成H2O2，再被CAT分解成羥基自由基。輻射改變了內源性抗氧化物酶的結構，使體內的抗氧化物酶活性降低，因此，增加內源性抗氧化酶的活性可以減少活性氧自由基的產生，進而降低輻射損傷[18，40]。

3.4 DNA損傷修復

輻射誘導DNA損傷后可能會暫時停止DNA復制過程而進行DNA修復，這涉及到DNA修復酶的協作，如DNA修復聚合酶和DNA連接酶。完整的酶系統可以有效地修復損傷的DNA，并維持基因組的完整和穩定性。雖然輻射引起的DNA原發性損傷可以在幾分鐘到幾個小時內修復，但是損傷的DNA經常會不經過酶系進行修復[34]。

輻射防護劑可以通過調節DNA修復基因降低電離輻射造成的DNA斷裂。在進行DNA復制或有絲分裂前，抑制G1和G2期，可以修復損傷的DNA。p53蛋白與G1和G2期相關，p53相對穩定，可以通過轉錄傳遞其功能，激活多個目標基因，暫時將細胞抑制在G1-S期，進行DNA修復，抑制增殖，末端分化或凋亡。電離輻射后引起p53和p21蛋白水平升高，輻射激活p53基因導致編碼G1/S期細胞循環關鍵性激酶抑制因子的p21蛋白表達升高，抑制細胞循環。輻射防護劑可以抑制輻射引起的p53和p21水平升高，降低DNA損傷[44]。

3.5 其他

有些輻射防護劑是抑制DNA損傷，增加非蛋白的巰基基團，促進細胞的增殖和代謝循環達到輻射防護的作用[1，45]。不同的物質的輻射防護機制不同，有些物質的輻射防護機制是多種機制共同作用的結果。

4 結論與展望

輻射防護劑的研究和發展對放射治療的病人和暴露在輻射環境中的人員有很重要的作用。雖然已經研究了很多具有輻射防護作用的物質，但是還沒有一種藥物是批準和認可的用于治療輻射綜合癥。硫醇類化合物具有很強的輻射防護作用，研究人員還研究了與其相關的、更有效的物質。阿米斯汀是唯一一個FDA承認的可以治療輻射引起的口干燥癥[11]。在臨床中，輻射防護劑的細胞毒性和使用途徑限制了某些物質的應用。因此，需要研究其他適宜的使用方法來降低副作用。理想中的輻射防護劑具有多項特點，包括明顯的輻射防護作用，對大多數器官都具有保護作用，給藥途徑容易，低毒長效，與其他藥物相容，化學性質穩定等。雖然最開始是要尋找低毒和高效的輻射防護劑，但是也要考慮其使用的難易程度。最近研究的大多是單一成分的抗輻射藥物，研究者應該在已研究的基礎上，發揮各化合物的特點，篩選出低毒、有效的復合型輻射防護劑[46]。

輻射防護劑的防護機理并不是單一的，而是多種機制相互作用，共同降低輻射損傷。現在輻射防護劑主要是選擇一種安全的，可以結合細胞因子受體，刺激一種或多種細胞因子的釋放，直接作用于造血干細胞增殖、再生的物質和清除輻射引起的活性氧自由基的物質。在植物中提取具有很強的清除自由基和促進骨髓細胞再生的天然的活性物質可能是以后研究中理想的輻射防護劑。因此，在藥用植物和食品等天然物質中，尋找高效、低毒的新型抗輻射藥物具有重要的意義。

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Study on radioprotective effect of natural compounds against ionizing radiation

WANG Li1，WANG Zhen-yu1，2，*，ZHANG Hao1，ZUO Li-li1
（1.School of Food Science and Engineering，Herbin Institute of Technology，Harbin 150090，China；2.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150090，China）

TS201.2

A

1002-0306（2012）16-0372-05

2012－03－02 *通訊聯系人

王麗（1987-），女，碩士研究生，研究方向：天然產物分離及功能研究。