超聲微泡與輻射防護的相關研究進展

徐曉培 趙釹君 王 冬

電離輻射對機體產生的損傷可分為直接作用和間接作用，直接作用即造成DNA 斷裂，間接作用可大量產生羥自由基，進一步造成組織細胞的氧化損傷、脂質過氧化及蛋白質羰基化，終致細胞的凋亡及死亡［1］。醫療工作中，放射治療（以下簡稱放療）所產生的電離輻射在使機體獲益的同時，也會造成正常組織不同程度的損傷，加強電離輻射防護、研發理想的防輻射藥物或防護方式成為近年的研究熱點。目前已研發的防輻射藥物主要分為細胞因子類、氨巰基類、激素類、氮氧自由基類及天然藥物等，但因穩定性、副作用及生產成本等問題，并未廣泛使用［2］。近年來，生物納米粒作為一種具有可生物降解性、低毒性、良好生物兼容性及易于化學修飾等特性的新型材料，逐漸應用于輻射防護中，將具有防輻射效用的生物納米材料載入超聲微泡，協同增強輻射防護效應，研發一種可用于體內、安全有效、穩定低毒且平價的新型輻射防護劑具有較大的應用前景［3］。隨著醫用高分子材料的不斷創新發展，以高分子聚合物為外殼、氟碳氣體為核心的超聲微泡被廣泛開發應用，作為藥物、基因傳遞及實現控釋的載體，該類微泡直徑小、理化性質穩定、分布較均勻，在血液循環中持續較長時間，作為載體材料可在機體內自然降解且無任何毒、副作用。超聲微泡因其穩定的生物兼容性和較好的可生物降解性，能將藥物直接黏附在微泡外殼或包入內部，達到藥物遞送的目的，同時微泡的靶向性載藥，具有提高靶組織藥物濃度及基因轉染率等特點，在腫瘤、血管、炎癥等方面均具有診治作用［4］。本文就有望載入超聲微泡進行抗輻射作用的材料和藥物進行綜述，為研發理想的新型抗輻射藥物及方式提供參考。

一、黑色素納米顆粒（MNPs）

黑色素是普遍存在于自然界中的高分子量色素，MNPs 由多巴胺聚合而成，是一種內源性可降解的新型納米材料，具有預防自由基生成并將其清除的功能。Schweitzer等［5］發現MNPs在腫瘤放療中對骨髓有保護作用，將MNPs經靜脈注射傳遞到小鼠骨髓，在輻照后3 h和24 h，實驗組骨髓中MNPs的提取分別為每克注射劑量的0.3%和0.2%，而對照組中MNPs的提取分別增加到每克注射劑量的6%和3%（P＜0.05），結果認為全身MNPs給藥可降低體外放療小鼠的血液學毒性，同時MNPs對腫瘤無保護作用。Rageh等［6］在MNPs保護小鼠造血系統免受輻射損傷的實驗研究中，分別于輻照后1 d、4 d、8 d及12 d獲取小鼠存活率、體質量、血液學指標、脾臟組織等，結果顯示MNPs預處理可有效保護小鼠造血系統，認為MNPs是一種有效的輻射防護劑。基于黑色素復雜的化學結構、特殊的理化性質和多種生理功能，如何增效或定向發揮MNPs的抗輻射作用并避免受其他理化因素的干擾有待進一步研究，將MNPs與超聲微泡結合可提供新的研究思路，利用微泡定向載藥的特性，提高MNPs輻射防護效用的靶向性，同時可聯合其他輻射防護劑以增效抗輻射作用并降低毒副反應，有望研發出可供臨床使用的新型輻射防護材料。

二、納米氧化鈰（CNPs）

氧化鈰是稀土族的重要化合物，在工業及生物工程方面應用廣泛，CNPs兼具生物納米材料與稀土化合物的雙重特性，可與活細胞及蛋白相兼容，具有載藥量高、易穿透血管、毒性小和免受酶降解等特點。研究［7］報道CNPs具有過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等多樣生物酶模仿活性，可清除生物體內多種有害成分，減輕放療不良反應并增加放療敏感性。Qin等［8］在CNPs對小鼠睪丸間質細胞合成睪酮的輻照保護作用的實驗研究發現，CNPs預處理可顯著增強小鼠的抗氧化能力，減輕輻射損傷對睪酮合成的不利影響。王春燕等［9］使用CNPs懸濁液對小鼠進行灌胃，檢測經輻照后小鼠的胸腺系數、脾臟系數及骨髓嗜多染紅細胞微核率，結果顯示輻照后3 d CNPs 藥物組的胸腺系數較對照組提高，脾臟系數呈上升趨勢，骨髓嗜多染紅細胞微核率均降低（均P＜0.05）；輻照后8 d CNPs 藥物組的骨髓嗜多染紅細胞微核率與對照組比較降低（P＜0.05）。以上研究提示CNPs可在輻射損傷中保護造血系統及生殖系統，增強抗氧化效應，提高機體免疫力，發揮輻射防護作用，將CNPs 載入超聲微泡可協同其他抗輻射物質共同作用，有望在CNPs低毒性的基礎上增強其在部分器官中的蓄積，為其輻射防護作用的進一步研究提供參考。

三、氫氣

氫氣分子量小，易揮發，難以實時追蹤且不易定點可控釋放。目前氫氣的主要應用形式為富氫液，即在高壓下將氫氣在生理鹽水中溶解6 h，不但制備過程復雜，還需特殊設備且耗時長，因此探尋一種高效安全的給藥途徑是近年氫氣的研究熱點。Qiu 等［10］在氫氣減輕輻射引起腸道損傷的研究中發現，氫氣可抑制活性氧自由基（ROS）的生成并選擇性清除羥基自由基，阻止線粒體去極化，對輻射導致的氧化應激損傷和全身炎癥反應有明顯的保護作用。Li 等［11］研究發現富氫液可激活PI3K/AKT 信號通路，減輕大鼠心肌缺血再灌注損傷，抑制心肌細胞凋亡。近期研究［12］表明飲用富氫水可提高健康成年人的抗氧化能力，增加免疫調節的表達并降低炎癥反應。Hu 等［13］研究表明氫氣在皮膚、肝臟、骨髓、心血管等多器官、系統中均有良好的抗輻射效用，故作為選擇性抗氧化劑，氫氣是一種安全有效、穩定平價的輻射防護劑。趙釹君［14］將氫氣和CNPs 同時載入超聲微泡，制備了載氫-CNPs 微泡，并探討其對小鼠的抗輻射作用，結果顯示，微泡組、照射對照組的白細胞計數與正常對照組比較顯著下降，微泡組較照射對照組白細胞計數下降有所改善（均P＜0.05）；微泡組與正常對照組比較胸腺指數、脾臟指數均下降，與照射對照組比較胸腺指數明顯改善（均P＜0.05），提示載氫-CNPs 微泡通過改善造血功能和保護造血組織，具有防輻射作用。這種新型輻射防護劑不僅克服了富氫液制作困難及其自身的缺點，還聯合CNPs 協同抗輻射，為超聲微泡載入其他防輻射材料以研發理想的輻射防護劑提供借鑒。

四、巰基類化合物

巰基類化合物是常見的抗輻射藥物，主要包括N-乙酰半胱氨酸（NAC）、氨磷汀等。其代表藥物氨磷汀藥效高且輻射防護作用顯著，是美國食品藥品監督管理局（FDA）批準的第一種可于臨床應用的輻射保護劑，也是目前研究最多的抗輻射藥物。Zhang等［15］在治療放射性骨質疏松癥的研究中發現，氨磷汀可顯著抑制經輻照后破骨前體細胞的細胞增殖，通過清除ROS，減少輻射誘導的DNA損傷，抑制輻射條件刺激下破骨細胞的成熟及分化，從而減輕輻射對骨骼系統的損傷。有研究［16］認為氨磷汀通過改變機體內的血氧分布，提高抗氧化酶活性，通過缺氧來誘導發揮輻射防護作用，實驗研究［17］顯示氨磷汀有良好的抗輻射效用，但常出現低血壓、頭昏、嘔吐等嚴重不良反應，限制了其臨床應用。NAC 是臨床常見的祛痰藥，Barlaz 等［18］研究 NAC 在大鼠急性放射損傷中的防護作用，其可以通過減緩氧化應激、清除ROS 及抑制細胞凋亡等方式發揮輻射防護效用，還可預防輻射對心臟的損傷。Gao等［19］在NAC對小鼠卵巢輻照防護作用的研究中于輻照前對小鼠經NAC預處理，輻射后24 h檢測小鼠血清中的激素水平和卵泡發育情況，以及其細胞凋亡、細胞增殖及氧化應激水平，結果發現NAC可有效預防卵巢功能衰竭，并恢復卵巢的存儲功能。巰基類化合物因毒副作用明顯和復雜的臨床給藥要求，應用受限，若將氨磷汀、NAC這類藥物載入超聲微泡，利用微泡靶向載藥及定點控釋的特性，有望增效其防輻射作用并減少不良反應的發生，開發新的防輻射方式。

五、GANRA納米藥物

GANRA 藥物是早期人工合成的一類新型物質，其化學構成較獨特，可清除輻照所產生的有害自由基，從而表現出對放射損傷的保護作用。林素蘭［20］將難溶于水的GANRA藥物用親水性的納米分子材料包裹，制成GANRA 納米藥，明顯增加其水溶性；通過建立細胞模型并檢測淋巴母細胞的細胞增殖率、微核率及細胞內ROS 含量等指標，結果發現GANRA 納米藥物預處理可以將輻照產生的ROS有效清除，使受輻照細胞維持細胞活力，降低受輻照細胞的微核率，同時還發現GANRA 納米藥物無抑制細胞增殖的作用。實驗研究［21］也發現輻射對改變淋巴母細胞中 miR-150、miR-574、miR-223 及 miR-34a 的表達作用突出；GANRA 納米藥物單獨處理可使淋巴母細胞中miR-150、miR-574、miR-223 及 miR-34a 的表達水平有所提高；GANRA納米藥物預處理能夠使輻射引起的淋巴母細胞中miR-150、miR-574、miR-223 及 miR-34a 的表達降低；通過轉染 miR-574類似物緩解淋巴母細胞因輻射所致的細胞活性降低，推斷GANRA納米藥物可能通過誘導miRNA的差異性表達發揮輻射損傷的保護作用。雖然GANRA 納米藥物可作為防輻射藥物并有較大應用潛力［21］，但有關GANRA納米藥物的研究尚在基礎階段，其發揮抗輻射效用的用藥劑量及給藥途徑仍有待進一步探究，為可載入超聲微泡聯合研發新型輻射防護藥物提供思路。

六、免疫調節劑和細胞因子

早期使用免疫調節劑可有效緩解輻射誘導的氧化損傷，細菌內毒素（脂多糖）是最早被研究的免疫調節劑之一，研究［22］顯示脂多糖能保護小鼠的骨髓和腸道免受輻射損傷，并在暴露于電離輻射前后均有保護作用。細胞因子由機體細胞經刺激合成分泌，是一類具有促進創傷愈合、調節機體免疫等作用的小分子多肽，部分細胞因子有明顯的抗輻射效用，如粒-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）、白介素-11（IL-11）、促血小板生成素（TPO）等［23］。機體受輻射損傷影響最明顯屬造血系統，電離輻射可造成多種血細胞數量的減少，最終導致貧血及出血等，故輻射防護的關鍵是預防造血系統受損并積極恢復造血功能。近年研究［23］提示，部分細胞因子可促進骨髓重建，IL-3、IL-6、粒細胞集落刺激因子（G-CSF）等還可增加造血細胞的增殖分化，此外IL-1、干細胞生長因子（SCF）、IL-12 等也有抗輻射作用。其中關于G-CSF的輻射防護研究最突出，G-CSF是一種可調節產生中性粒細胞的糖蛋白，其抗輻射作用顯著，Madan等［24］在G-CSF 對髓母細胞瘤急性輻照所致血液學毒性的研究中發現，預防性使用G-CSF可有效防止大量輻射所致的血液毒性和治療中斷，在急性放射綜合征的應急治療中，G-CSF 已被FDA 批準使用；Kiang 等［25］在治療輻射暴露受害者急性放射綜合征的研究發現，G-CSF 有明顯刺激造血細胞增殖和促進傷口愈合的作用。研究［23］還發現細胞因子具有協同性和多效性等特點，細胞因子之間彼此刺激又相互約束，形成復雜有序的網絡，不同細胞因子的聯合應用可促進造血與免疫功能的恢復，如TPO 與GM-CSF 聯用相比于單用TPO，可以顯著促進紅細胞和血小板等血細胞的恢復，如低劑量IL-1、SCF、腫瘤壞死因子三者單獨應用時，其臨床觀察均無輻射防護作用，若將三者配伍聯用，可出現顯著的輻射防護效應。超聲微泡可作為多種細胞因子的理想載體，利用微泡對細胞因子進行定量靶向控釋，協同增效抗輻射，研發新的用藥方式。

七、褪黑素

褪黑素是獨特的抗氧化劑，并存在于多種生物體內，已有研究［26］證實褪黑素對電離輻射導致的氧化應激及染色體損傷具有防護效果。其通過抗氧化作用來減少放療期間的細胞凋亡和DNA 損傷，通過減少炎性細胞因子、控制轉錄因子的基因表達減輕免疫系統的損傷并改善放療產生的不良反應，此外，還可提高血清中抗氧化酶活性，對輻射誘導的外周血氧化損傷及肝、腎損傷具有防護作用，尤其對輻射高度敏感的免疫系統，其可通過多種途徑經不同層次達到免疫調節作用，故褪黑素有降低健康組織輻射毒性的特性。Elsabagh 等［27］在褪黑素預防放射性口腔黏膜炎并評估患者唾液中總抗氧化力的研究中證實，在傳統治療中增加使用褪黑素可減少嚴重口腔黏膜炎的發生，有減輕疼痛、保護唾液中總抗氧化力不受輻射影響的作用，即褪黑素有顯著的抗輻射作用。Mao等［28］研究發現褪黑素預處理可提高碳離子輻照后小鼠的胸腺系數和脾臟系數，減少胸腺和脾臟的細胞死亡，并減輕輻射所致的細胞因子紊亂。此外，還有研究［29］發現褪黑素可減輕輻射所致的造血系統毒性并提高小鼠的存活率，對骨髓具有保護作用且不會對機體造成傷害。褪黑素良好的生物安全性已在醫療和生活中得到認可，但因其作用劑量較大無法長期使用，超聲微泡可聯合褪黑素和細胞因子或其他輻射防護劑，利用協同效應，增加輻射防護作用并減少使用劑量，為研究理想的輻射防護劑提供更多選擇方式。

綜上所述，目前研究及臨床使用的抗輻射藥物或材料種類繁多，許多藥物因明顯的副作用而應用受限，因此開發高效低毒的輻射保護劑或防護方式具有極大的應用前景和社會效益。超聲微泡有望作為多種有防輻射效用的生物納米材料或藥物的理想載體和有效保護體，既能克服在單一抗輻射作用時此類材料或藥物的缺點，又能聯合協同增強輻射防護作用，有望為研發安全有效、穩定低毒的抗輻射藥開辟新的研究方向及領域。