低劑量/低劑量率電離輻射減輕放射性損傷的研究進展

趙文迪田 健周建煒

河南大學人民醫院/ 河南省人民醫院 腫瘤中心，鄭州450003

放射性損傷是指腫瘤患者接受放射治療時，靶組織附近的正常組織由于累積的放射劑量高于生物效應閾值而受到不同程度的損傷，包括早期的放射性急性損傷和后期的放射性纖維化[1-2]。盡管近年來離子射線設備和放射治療技術不斷優化和提高，但對正常組織的毒性并未發生根本性減輕，放射治療可誘導某些重要器官和組織(比如肺肝與肌肉等)發生纖維化，嚴重影響患者的后續治療效果和生存質量[3]。然而，愈來愈多的實驗表明：與高劑量輻射相比，細胞對低劑量輻射的反應有著本質上的差別，其中一種就是低劑量電離輻射誘導的適應性保護作用，這可能是預防或減輕放射性損傷的關鍵所在。本文就低劑量電離輻射(low-dose ionizing radiation，LDIR)/低劑量率電離輻射(low-dose-rate ionizing radiation，LDRIR)誘導組織產生適應性保護作用的相關研究進行總結和梳理，指出目前研究中所面臨的問題，提出未來研究的方向。

1 輻射適應性反應的定義

低劑量電離輻射的總輻射劑量≤100 mGy(或者低劑量率電離輻射≤6 mGy/h)，高劑量電離輻射(high-dose ionizing radiation，HDIR) 的 劑 量≥2 Gy[4]，足以引起確定性效應。20 世紀80 年代，既已發現，將人外周血淋巴細胞先經過3.70 kBq/mL 的預照射后，再利用高劑量X 射線進行照射，細胞染色體的畸變率比預期要小。很多學者們稱之為輻射適應性反應(radio adaptive response，RAR)，即組織預先暴露于LDIR/LDRIR 后獲得對隨后HDIR 的抵抗能力，并將低劑量輻射增強免疫功能的作用包括在適應性反應之內，又稱輻射耐受[5]。其具體表現為：相比較于單獨接受HDIR，受到輻射耐受的細胞對隨后的HDIR 所導致的染色體畸變、基因突變等損害效應明顯減輕[6-7]。RAR 的輻射誘導劑量范圍一般控制在5～200 mGy，若超出該范圍，則這一效應很難發生。另外，RAR 也存在著個體差異，在同一實驗環境下，不同個體的同種組織的細胞得到的試驗結果存在明顯差異，這與基因多態性以及細胞所處的微環境密切相關[8]。

2 RAR 的研究現狀：從動物實驗到人類臨床研究

相比較于HDIR，LDIR 不會殺死或損害正常細胞和組織的生物學功能，反而能選擇性地抑制癌前細胞，刺激免疫系統的各種抗腫瘤反應[9]。Ryan等[10]曾使用10 mGy 預輻照劑量連續照射實驗小鼠5～10 d，隨后使用2 Gy 的γ 射線進行放射誘導，結果顯示：與單純接受2 Gy 的γ 射線放射相比，小鼠胸腺淋巴瘤的發生率顯著降低。與此同時，另一批小鼠在每次接受1.8 Gy 輻射前6 h 使用75 mGy X射線進行預照射，胸腺淋巴瘤的發生率同樣顯著降低。除此之外，在高劑量照射前35 d，以1.2 mGy/h的γ 射線進行全身預照射，15 m 后(總劑量達到12.6 Gy)，在小鼠的脾臟中發現CD4＋T 細胞和B 細胞的數量顯著增多，進而有效地抑制胸腺淋巴瘤的發生[11]。Mitchel 等[12]研究發現，當給予Trp53 基因敲除小鼠10 mGy 電離輻射，205 d 后可降低其自發性脊髓骨肉瘤和淋巴瘤的發生風險。但有趣的是，當輻射劑量增加到100 mGy 時，脊髓骨肉瘤的發生率明顯升高，但淋巴瘤的發生率卻無明顯變化。除此之外，用30～50 mGy X 射線預先照射9～17 d大鼠，再接受高劑量輻射后，其造血干細胞的凋亡速率會明顯降低[13]。

臨床研究也證實了這一結果。伊朗拉姆薩爾高輻射區居民常年接受異常高輻射水平照射(大約為260 mGy/a，主要通過熱泉帶到地球表面上的鐳進行輻射)。Ghiassi-nejad 等[14]比較分析了伊朗拉姆薩爾高輻射區和正常輻射區居民所采集的淋巴細胞暴露于高劑量射線后染色體畸變情況，采集高輻射區居民和正常輻射區居民的淋巴細胞，暴露于1.5 Gy γ 射線，結果發現高輻射區居民人群染色體畸變頻率明顯降低，這表明正常人長期暴露于LDIR會獲得明顯的放射耐受性。與此同時，另一項研究顯示，用2 Gy X 射線照射常年接受28 mGy/a 電離輻射的醫院工作人員的淋巴細胞，引起染色體畸變率顯著低于未受到輻射的正常人群[15]。

此外，在一項針對5 名新型冠狀病毒肺炎老年患者的試驗中發現：使用低劑量全肺放射治療可迅速改善患者缺氧、乏力等臨床癥狀，且未發現急性毒性反應。該研究顯示低劑量全肺放射治療新型冠狀病毒肺炎是安全有效的，但具體分子機制仍需要進一步實驗研究[16]。

3 RAR 的分子機制

3.1 DNA 損傷修復系統

人們普遍認為RAR 發生的原因是DNA 雙鏈斷裂(DNA double-strand break，DSB)，實際上RAR 也可引發新蛋白質的合成，這些新產生的蛋白質導致效應因子的激活，從而在增強DNA 修復、分子伴侶的誘導、同步細胞周期和抗氧化等過程中起直接作用[17]。有研究表明，多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶(polyADP-ribose polymerase，PARP)是一類具有重要生理功能的蛋白酶，PARP 能催化二磷酸腺苷核糖多聚化反應，對DNA 損傷修復起重要作用[7]。Ojima 等[18]通過對接受X 射線照射的正常人原代成纖維細胞株(MRC-5)進行DSB 測定，結果顯示：當未分裂的融合細胞被3～5 mGy X 射線預照射時，每個細胞的平均DSB 數量比未進行低劑量預照射的數量有所降低。盡管尚未確定其機制，但可以提示DSB 的增強修復活性參與了保護性旁效應。Otsuka 等[19]也報道了連續4 次200 mGy(總共800 mGy)低劑量照射可抑制B6C3F1 小鼠的N-乙基-N-亞硝基脲誘發的胸腺淋巴瘤的產生，提示RAR 也可以抵抗化學致癌作用。

3.2 細胞周期調控系統

細胞周期檢查點是細胞周期中保證DNA 復制和染色體分配質量的檢查機制。當細胞周期進程中出現異常事件，如DNA 損傷或DNA 復制受阻時，這類調節機制就被激活，能夠及時中斷細胞周期的運行，待細胞修復或排除故障后，細胞周期才能恢復運轉[20]。在細胞周期G0、G1、S、G2 和M 五個時期中，G2 期和M 期的細胞對輻射最為敏感[21-22]。Brooks 等[15]研究表明HDIR 可誘導細胞周期中G2/M 期的停滯，而共濟失調毛細血管擴張突變基因(ataxia telangiectasia mutated，ATM)對于每個檢查點通路的啟動是至關重要的，他們還經過體外實驗發現：LDIR 可顯著增加ATM 的活性，進而對HDIR誘導細胞周期G2/M 停滯進行有效的檢測。這進一步證實了LDIR/ LDRIR 可誘導正常組織產生適應性保護作用。

3.3 細胞凋亡

細胞凋亡過程是受多種基因調控而實現的，根據作用機制的不同基因可分為誘導細胞凋亡基因和抑制細胞凋亡基因[23]。研究發現，在Bcl-2 家族中Bcl-2 為重要的抑制凋亡基因，而Bax 為促進凋亡基因，兩者的比值決定細胞凋亡的比例[24]。Yang等[25]研究發現，單純1.5 Gy X 射線照射小鼠后，其細胞凋亡相關基因蛋白Bcl-2 顯著降低，Bax 和p53顯著增加，而Bcl-2/Bax 比值顯著降低。然而，低劑量照射提高抑制凋亡基因蛋白分子的表達，而降低促進凋亡基因蛋白分子的表達，最終導致細胞凋亡降低。因此，p53 蛋白和bcl-2 家族中Bcl-2 和Bax蛋白表達在低劑量輻射誘導的適應性反應中起重要作用，也是其反應的機制中主要的調節因素[26]。

3.4 內分泌因子參與調節放射適應性反應

輻射適應性反應通過各種傳感、反饋和調控機制來維持其對內環境改變的適應作用。內分泌系統是維持人體內環境穩定的關鍵組成部分。LDIR/LDRIR 預照射誘導的RAR 可能是通過內分泌因子的調節來實現的。腎上腺皮質釋放糖皮質激素(包括人類、兔子和松鼠體內的皮質醇或小鼠和大鼠體內的皮質酮)是脊椎動物對受到應激刺激源而產生的典型反應，如受到內源性活性氧和外源性包括感染性病原體、有毒物質等的攻擊[27]。糖皮質激素的主要作用是保護個體免受免疫和炎癥反應的過度刺激。Souchkevitch 等[28]分析了從1986 年到1988 年期間負責對核反應堆泄漏事故進行清理工作的切爾諾貝利工人所采集的血液樣本(平均暴露時間為1～3 mon，平均接觸暴露劑量約為120 mGy)。結果顯示，與未接觸過核反應堆泄漏現場的人群相比，其皮質醇水平顯著增加。與此相似，Boonstra 等[29]報告了長期使用低劑量γ 射線照射草原田鼠(22.6 μGy/h，超過2.5 a 以上)，皮質醇水平高于對照組(未接受電離輻射)和更高劑量率(3 840 μGy/h，超過1.5 a 以上)輻照組。這些結果表明長期暴露于LDIR/ LDRIR 后，體內糖皮質激素升高可能是誘導RAR 的潛在因素。

3.5 抗氧化應激能力

有學者認為RAR 可以減少DNA 損傷程度，這可能與RAR 活化體內對抗自由基的酶系統密切相關?？寡趸烙到y是預防外源性應激產生氧化損傷的重要系統。其中，谷胱甘肽過氧化物酶(GSH)、NF-E2-related 2(Nrf2)和活性氧物質(reaction oxygen species，ROS)對低劑量輻射適應性反應的誘導非常重要。Otsuka 等[19]用將大鼠暴露于低劑量率(1.2 mGy/h)的γ 射線照射20 d 后，大鼠體內谷胱甘肽轉硫酶和過氧化氫酶水平與對照組相比顯著增高，而這些酶類用于清除機體內的血清自由基，從而減少DNA 的損傷?；钚匝醮?reactive oxygen species，ROS) 是在機體內主要由煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化還原酶系統產生，可活化體內的抗氧化應激的酶系統[30]。在生物學背景下，ROS 形成氧的代謝副產物，并且在細胞信號傳導和體內平衡中具有重要作用。然而，在環境壓力(如電離輻射或熱暴露)期間，ROS 水平會急劇增加[31]。Asaad等[32]將人成纖維細胞接種在三維構建的培養皿上，對細胞進行48 h 的低劑量(10～100 mGy)慢性照射后發現，與自發微核率相比細胞的微核率顯著下降，并且發現細胞內一系列抗氧化物酶(超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等)的表達均有不同程度的增加。因而推測，與ROS 和自由基清除有關的抗氧化物酶在LDR 產生的保護性機制中起著關鍵性作用。

3.6 熱休克蛋白

諸多研究表明：當細胞受到溫度刺激、重金屬、氧化應激和電離輻射時，熱休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)被誘導產生并對細胞產生保護作用[33-34]。因此，HSPs 對電離輻射損傷的保護效應成為學者們關注的熱點。HSPs 是高度保守的伴侶蛋白，存在于幾乎所有的亞細胞區室中，包括細胞膜和細胞外環境[35]。它們在增強細胞存活和維持細胞穩態的防御機制中起著關鍵作用，并能阻止輻射誘導的細胞死亡。據分子量從20 kμ 到100 kμ 不等，熱休克蛋白被分為不同的家族，新命名法稱之為HSPA(熱休克蛋白70)、HSPB(小熱休克蛋白)、HSPC (HSP90)、HSPD/E (HSP60 伴侶蛋白) 和HSPH(熱休克蛋白110)，廣泛參與各種保護機體和細胞的生理功能[36]。Lee 等[37]利用低劑量(10 mGy)γ 射線照射纖維肉瘤細胞后，HSP70在細胞中表達明顯增高，對細胞產生保護作用。此外，有研究表明，通過腺病毒載體傳遞到小鼠唾液腺中的HSP25 可顯著改善電離輻射所導致的唾液流失。并且在唾液腺中過度表達HSP25 可以顯著抑制輻射誘導的細胞死亡和水通道蛋白5(AQP5)的表達。HSP25 可能是放射保護的有用靶點，尤其是作為頭頸部腫瘤放療的輔助藥物[38]。HSPs 被證明參與電離輻射激活的過程，可能是因為活性氧的產生。誘導HSP70 可導致輻射適應性反應的發展，并可防止輻射誘導的細胞死亡。當暴露于γ 射線時，C3H 10T1/2 細胞對輻射敏感，用43 ℃的預處理后，HSP70 的過度表達保護C3H 10T1/2 細胞免受γ 射線誘導的DNA 損傷，從而提高細胞活力[39]。

4 小結與展望

綜上所述，現如今電離輻射的應用十分廣泛，其中接受放射治療的腫瘤患者、醫療放射工作人員和核電站放射工作人員無疑是主要受照群體。如何降低放射治療的不良反應是迫切需要解決的問題。低劑量/低劑量率電離輻射可誘導正常組織產生適應性保護作用，但由于低電離輻射的劑量不確定性以及人體器官特異性等因素的干擾，導致LDIR/LDRIR 的保護效應仍然存在一定的爭議。目前，我們對DNA 損傷反應、抗氧化反應等已經有了一定程度的認知，但對低劑量輻射適應性反應機制的認識只是一個起步。隨著分子生物學研究的不斷進步，特別是近年來蛋白質組學技術的成熟化，使得闡明RAR 的機制成為可能。因此，我們有必要深入探究LDIR/ LDRIR 所致生物學效應的具體分子機制，為LDIR/ LDRIR 預防正常組織損傷/纖維化提供更多的證據。