不同傳能線密度輻射的相對生物效應調查研究

福建省輻射環境監督站 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，經過物理、化學和生物學變化等階段，直至最終引起組織細胞損傷、恢復或機體死亡等一系列生物學效應的復雜過程。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是輻射生物學效應的基礎。電離輻射可通過能量沉積的直接作用和水的輻解反應大量產生自由基的間接作用來造成對生物分子的損傷。直接和間接作用既是電離輻射對生物分子損傷的原發作用，又是繼發成為機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制極為重要，有助于人們深入了解電離輻射與生命物質相互作用的物理化學機理。

質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，如能量沉積密集，劑量分布表現為：在入射坪區，吸收劑量相對保持穩定，而靠近射程末端，卻急劇升高，形成尖布喇格(Bragg)峰。質子和重離子的這些獨特物理性質，使得其在通過生物物質時的電離徑跡極為復雜，局部劑量較大，從而更易誘發非修復性及復雜的 DNA鏈斷裂的形成，繼而引起細胞的轉化和死亡以及癌的發生等較高的相對生物效應(RBE)。

因此，在分子水平上研究質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DNA鏈斷裂的物理化學機理，深入了解其輻射特點及危害程度，研究防護途徑是極為重要的課題，是對自由基生物學和醫學內容的擴充，并在國防建設、環境保護及人類健康等方面有重要的意義和極為廣泛的應用前景。

2 輻射損傷

2.1 電離輻射對自由基作用

電離輻射對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大量產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，經由直接作用和間接作用，通過物理、化學和生物學變化等階段，直到組織細胞損傷、恢復或機體死亡的系列復雜過程。闡明原初或早期的輻射效應并探討其防治的可能性一直是輻射生物學和放射醫學工作者努力的目標。由于DNA是電離輻射引致細胞殺傷或轉化的主要靶分子，而且 DNA的輻射損傷特別是DNA的雙鏈斷裂(DSB)被認為是最重要的原初損傷[1]，因此，建立適當的體外模式系統來研究輻射致DNA鏈斷裂損傷的變化規律及其內在機理是十分必要的。但是，近些年來的研究大部分集中在細胞DNA，碎片長度大于12kbp。測量DNA鏈斷裂的技術多半是凝膠電泳方法，雖然這些技術已對輻射誘發的 DNA鏈斷裂提供了大量信息，但是對單個 DNA碎片特別是短碎片的測量仍受到限制，而且測量數據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，在介質中所引起的能量沉積密集，局部劑量大，所產生的電離徑跡結構復雜，更容易誘發 DNA的非重接性鏈斷裂，從而引起細胞的轉化和死亡以及癌的發生等較高的相對生物效應[2-5]。已有的重離子致細胞DNA損傷的研究結果表明，DNA的短碎片的份額明顯增加，有評論認為對輻射效應的主要貢獻者是那些在 1～20bp范圍內的局部的、成團的損傷。這樣，凝膠電泳技術作為分析手段就更顯得不足。而原子力顯微鏡(AFM)技術具有納米級的高分辨能力，能夠在非常短的長度范圍(幾個 bp)測量 DNA斷裂碎片的空間分布，且數據分析不依賴于理論模型，所以 AFM 被認為是目前能夠最直接對單個 DNA分子碎片進行測量的工具[6]。Pang等利用AFM技術對電子和中子輻射誘發的DNA碎片進行了研究，表明LET=55keV/μm DNA造成的損傷要比低LET的電子嚴重得多。隋麗等應用AFM技術直接觀測了經重離子Li和C輻照pGEMT-1質粒DNA水溶液后DNA碎片的長度分布及DNA形態隨劑量的變化等； 在原子能科學研究院的HI-13串列加速器上，用加速的Li離子輻照幾種pUCI9質粒DNA樣品，然后利用高分辨的AFM技術， 進一步研究高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DNA分子的保護作用。

2.2 輻射對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、啟動細胞分裂及控制蛋白質(包括酶)生物合成等極為重要的生理功能。在輻射生物學和放射醫學中， DNA的輻射損傷常被認為是生物大分子損傷的首要問題，而且它還是電離輻射導致細胞殺傷或轉化的主要靶分子[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等多種損傷。其中雙鏈斷裂(DSB)是輻射所致生物效應中最重要的原初損傷。在液態環境下，輻射誘導產生的 OH-自由基的間接作用可能是引起DNA單鏈和雙鏈斷裂發生的主要原因。因此需要建立適當的體外模式系統來研究直接作用和自由基致 DNA鏈斷裂損傷發生的內在機理及其變化規律，它有助于加深人們對電離輻射物理化學效應的理解。近年來，超螺旋質粒 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之一。

圖1 電離輻射對DNA分子的作用及誘發的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，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效應及適應性反應， 降低促凋亡基因蛋白分子的表達。促進免疫細胞的成熟、分化和細胞內的信號傳遞，最終導致免疫細胞凋亡的降低。具有與高劑量輻射迥然不同的細胞分子機制，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驗研究所證實，被認為是染色體斷裂機制被激活而引起的，同時還發現有明顯的抗腫瘤作用，且與常規放、化療有協同作用。

從發現X射線至今，人們積累了關于輻射對人體危害的大量資料。大劑量和中等劑量電離輻射對機體顯然是有害的。低劑量輻射對機體影響如何，已成為人們關注的焦點。一般認為低劑量時，在0.02Gy以內； 高劑量時， 劑量在0.05 Gy以內，劑量率在0.05mGy／min以內[8-9]；實驗研究時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，人類流行病學研究表明，不管劑量率如何，小劑量應在200mGy以下。1982年Luckey引用一非常古老的藥物學反轉性原理提出低劑量輻射下的興奮效應。國內外學者，無論從實驗研究還是流行病學調查方面都作了大量工作。UNSCEAR(1994)報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與致癌效應并存的機制[10-11]。美國能源部(1991)報告， 大于5mSv終身工作劑量當量的工人，癌癥死亡率比非核工作工人低24%，證實低劑量下興奮效應的存在。在實驗研究方面， 1965—1985年間在法國、前蘇聯和美國三個互不聯系實驗室，證明了在不同生物體內存在有興奮效應。近年來，國內外學者還在低劑量輻射效應的臨床應用上作了大量研究。

造血系統對電離輻射非常敏感。多年來，人們對X射線、γ射線等低傳能線密度輻射對外周血的影響研究較多，而對高LET輻射，如裂變中子照射對動物的生物效應研究較少，低劑量率中子長期照射所引起的生物效應研究就更少。由于輻射的品質不同，中子對動物所產生的生物效應與變化規律可能與低LET輻射有所不同。

4 低傳能線密度輻射生物學效應

相對生物學效能(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。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)接受事實在細胞的體外實驗顯示出重大區別進入輻射質量之間。 例如：60Co伽瑪輻射和低能 X-射線，ICRP繼續推薦WR=1全部的低輻射。

實驗性細胞體外相對一貫地顯示了高能的“low- 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低能源“low-LET 輻射” (即低能源 x 輻射) 。Straume (1995)突出了生物依賴性的問題， 對不同能量低輻射風險評估，輻射防護的涵義使用具有雙著絲的淋巴細胞。 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個兆伏特電子、大約3250 kVp 之間的區別因素。Straume (1995)認為伽瑪輻射風險在日本原子彈幸存者當中獲得光子的整體范圍不是適當的，此有指‘low-LET’并且是被分配的全部WR的電子能量為 1。很多的研究結果表明，人的雜種細胞的造形術變革與關于具有雙著絲的細胞研究，那些在 RBE 也顯示出了一個低能源X-射線和高能X-射線的區別。 這大約是4–5因素，當29 kVp (早期胸部腫瘤Ⅹ射線測定法X-射線)與200–220 kVp X-射線比較，吸收劑量平均讓(L∞，D)被考慮。這也許是更多關連的適當參量和生物效能，從空間密度能量沿輻射軌道的證言知道與生物效能有關。

對于低 LET輻射的認識需要開展更多的流行病學和輻射生物學研究，尤其是關于暴露在氚β輻射和29 kVpX射線下的人群組的研究。

5 結論

本文總結了不同傳能線密度輻射產生的相對生物學效應，對輻射損傷的物理機制、分子生物學和細胞生物學原理進行了系統分析。在測量輻射損傷的方法方面，對 AFM 和凝膠電泳方法進行了調研。AFM技術研究輻射所致DNA結構變化。AFM技術與傳統的凝膠電泳方法相比，AFM技術具有納米級的高分辨能力，這樣凝膠電泳方法更顯的不足，利用AFM技術研究高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 DNA分子的保護作用。在劑量方面，大劑量和中等劑量電離輻射對機體顯然是有害的。低劑量在不同的生物體內被證明都存在興奮作用。由于輻射的品質不同，中子對動物所產生的生物效應與變化規律可能與低LET輻射有所不同。在DNA內調研低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，所產生的DNA鏈斷裂的產額G與DNA濃度和自由基清除劑的清除力有關，并受 DNA超螺旋度的影響。

對于低 LET輻射的認識需要開展更多的流行病學和輻射生物學研究，尤其是關于暴露在氚β輻射和29 kV/p X射線下的人群組的研究。本文調研希望能為研究人員以后的研究提供一些有價值的建議。

[1] E.Hoglund, E. Blomquls, J. Carlsson etal..DNA damage induced by radiation of different linear energy transfer : initial fragmentation[J]. Int.. J. Radlat. Biol,2000，76(4)：539-554.

[2] D. Pang, B. L. Berman, S. Chasovskikh et al..Investigation of neutron-induced Damage in DNA by atomic force microscopy: experiment evidence of clustered[J]. Radiat. Res., 1998(150): 612-618.

[3] D. Pang, G. Popescu, J. Rodgers etal.. Atomic force microscopy investigation of radiation-induced DNA double strand breaks[J]. Scanning Microscopy,1996, 10(4): 1105-1110.

[5] H. C. Newman, K. M. Prise, M. Folkard et al.. DNA double- strand break distribution in X-ray and α-particle irradiation V79 cells: evidence for non-random breakage[J]. Int. J. Radiat. Biol.,1997, 71(4): 347-363.

[6] K M Prise，M Pinto，H C Newmna, eta1．A review of studies of ionizing radiation-induced double-strand break clustering[J]. RadiatRes，2001(156)：572-576.

[7] B Rydberg. Clusters of DNA damage induced by ionizing radiation: formation of short DNA fragments. II. Experimental detection[J]. RadiatRes，1996(145)：200-209.

[8] Sui Li，Zhao Kui，Ni Meinan，et a1. Atomic Force Microscopy Measurement of DNA Fragment Induced by Heavy Ions[J]. Chin. Phys. Lett. (in China)，2005, 22(4): 1010-1013.

[9] 蔡明輝, 趙葵，展永，等．AFM的DNA樣品制備技術研究[J].電子顯微學報，2006，25(1)：76-79.

[10] 劉樹錚. 輻射危害域值問題——紀念倫琴發現X射線100周年[J]. 國外醫學放射醫學與核醫學分冊, 1995, 19(5): 204.

[11] 周永增. 輻射防護的生物學基礎——輻射生物效應[J]. 輻射防護，2003，23(2)：90-101.