不同传能线密度辐射的相对生物效应调查研究

福建省辐射环境监督站 胡 丹

1 概述

电离辐射致生物体的辐射损伤过程，是从生物体吸收辐射能量的物理变化阶段开始，经过物理、化学和生物学变化等阶段，直至最终引起组织细胞损伤、恢复或机体死亡等一系列生物学效应的复杂过程。在这一过程中，电离辐射作用于生物体引起生物活性分子的电离和激发是辐射生物学效应的基础。电离辐射可通过能量沉积的直接作用和水的辐解反应大量产生自由基的间接作用来造成对生物分子的损伤。直接和间接作用既是电离辐射对生物分子损伤的原发作用，又是继发成为机体辐射损伤的根本原因。因此，研究不同传能线密度辐射（LET辐射）致生物分子损伤的机制极为重要，有助于人们深入了解电离辐射与生命物质相互作用的物理化学机理。

质子和重离子是具有高LET的辐射，与低LET辐射(如X射线、γ射线和电子束等)相比，有着不同的物理性质，如能量沉积密集，剂量分布表现为：在入射坪区，吸收剂量相对保持稳定，而靠近射程末端，却急剧升高，形成尖布喇格(Bragg)峰。质子和重离子的这些独特物理性质，使得其在通过生物物质时的电离径迹极为复杂，局部剂量较大，从而更易诱发非修复性及复杂的 DNA链断裂的形成，继而引起细胞的转化和死亡以及癌的发生等较高的相对生物效应(RBE)。

因此，在分子水平上研究质子和重离子这两种具有高LET辐射的直接作用和自由基诱发DNA链断裂的物理化学机理，深入了解其辐射特点及危害程度，研究防护途径是极为重要的课题，是对自由基生物学和医学内容的扩充，并在国防建设、环境保护及人类健康等方面有重要的意义和极为广泛的应用前景。

2 辐射损伤

2.1 电离辐射对自由基作用

电离辐射对生物分子的损伤既有能量传递的直接作用，也有通过水的辐解反应大量产生自由基的间接作用。电离辐射所致的辐射损伤是从生物体吸收辐射能量的物理变化阶段开始，经由直接作用和间接作用，通过物理、化学和生物学变化等阶段，直到组织细胞损伤、恢复或机体死亡的系列复杂过程。阐明原初或早期的辐射效应并探讨其防治的可能性一直是辐射生物学和放射医学工作者努力的目标。由于DNA是电离辐射引致细胞杀伤或转化的主要靶分子，而且 DNA的辐射损伤特别是DNA的双链断裂(DSB)被认为是最重要的原初损伤[1]，因此，建立适当的体外模式系统来研究辐射致DNA链断裂损伤的变化规律及其内在机理是十分必要的。但是，近些年来的研究大部分集中在细胞DNA，碎片长度大于12kbp。测量DNA链断裂的技术多半是凝胶电泳方法，虽然这些技术已对辐射诱发的 DNA链断裂提供了大量信息，但是对单个 DNA碎片特别是短碎片的测量仍受到限制，而且测量数据的分析还要依赖于理论模型。重离子是一种具有高传能线密度(LET)的辐射，与低LET辐射(如X射线、γ射线和电子束等)相比，在介质中所引起的能量沉积密集，局部剂量大，所产生的电离径迹结构复杂，更容易诱发 DNA的非重接性链断裂，从而引起细胞的转化和死亡以及癌的发生等较高的相对生物效应[2-5]。已有的重离子致细胞DNA损伤的研究结果表明，DNA的短碎片的份额明显增加，有评论认为对辐射效应的主要贡献者是那些在 1～20bp范围内的局部的、成团的损伤。这样，凝胶电泳技术作为分析手段就更显得不足。而原子力显微镜(AFM)技术具有纳米级的高分辨能力，能够在非常短的长度范围(几个 bp)测量 DNA断裂碎片的空间分布，且数据分析不依赖于理论模型，所以 AFM 被认为是目前能够最直接对单个 DNA分子碎片进行测量的工具[6]。Pang等利用AFM技术对电子和中子辐射诱发的DNA碎片进行了研究，表明LET=55keV/μm DNA造成的损伤要比低LET的电子严重得多。隋丽等应用AFM技术直接观测了经重离子Li和C辐照pGEMT-1质粒DNA水溶液后DNA碎片的长度分布及DNA形态随剂量的变化等； 在原子能科学研究院的HI-13串列加速器上，用加速的Li离子辐照几种pUCI9质粒DNA样品，然后利用高分辨的AFM技术， 进一步研究高LET的Li致DNA损伤的直接作用和间接作用，以及自由基清除剂对DNA分子的保护作用。

2.2 辐射对DNA作用

在生物体的诸多生物活性分子中， 脱氧核糖核酸(DNA)是一类重要的大分子，它具有传递遗传信息、启动细胞分裂及控制蛋白质(包括酶)生物合成等极为重要的生理功能。在辐射生物学和放射医学中， DNA的辐射损伤常被认为是生物大分子损伤的首要问题，而且它还是电离辐射导致细胞杀伤或转化的主要靶分子[7]。电离辐射通过直接和间接作用可引起DNA分子的解聚、链断裂(包括单链和双链断裂)、碱基破坏、脱氧核糖变化和交联等多种损伤。其中双链断裂(DSB)是辐射所致生物效应中最重要的原初损伤。在液态环境下，辐射诱导产生的 OH-自由基的间接作用可能是引起DNA单链和双链断裂发生的主要原因。因此需要建立适当的体外模式系统来研究直接作用和自由基致 DNA链断裂损伤发生的内在机理及其变化规律，它有助于加深人们对电离辐射物理化学效应的理解。近年来，超螺旋质粒 DNA溶液是辐射致DNA损伤研究中较常使用和理想的体外模式系统之一。

图1 电离辐射对DNA分子的作用及诱发的DNA损伤类型

3 低剂量辐射致生物体和DNA的影响

低剂量辐射(LDR)系指剂量在0.2Gy传能线密度(LET)照射，或剂量在0.5Gy内，剂量率在0.05Gy／min的高LET照射。近年来，大量研究表明，0.1 Gy LDR可引起一系列的免疫增强效应及适应性反应， 降低促凋亡基因蛋白分子的表达。促进免疫细胞的成熟、分化和细胞内的信号传递，最终导致免疫细胞凋亡的降低。具有与高剂量辐射迥然不同的细胞分子机制，并通过染色体和染色体畸变、微核形成和姐妹染色单体互换实验研究所证实，被认为是染色体断裂机制被激活而引起的，同时还发现有明显的抗肿瘤作用，且与常规放、化疗有协同作用。

从发现X射线至今，人们积累了关于辐射对人体危害的大量资料。大剂量和中等剂量电离辐射对机体显然是有害的。低剂量辐射对机体影响如何，已成为人们关注的焦点。一般认为低剂量时，在0.02Gy以内； 高剂量时， 剂量在0.05 Gy以内，剂量率在0.05mGy／min以内[8-9]；实验研究时照射剂量符合上述条件，而剂量率高于0.05mGy／min称为低剂量辐射，人类流行病学研究表明，不管剂量率如何，小剂量应在200mGy以下。1982年Luckey引用一非常古老的药物学反转性原理提出低剂量辐射下的兴奋效应。国内外学者，无论从实验研究还是流行病学调查方面都作了大量工作。UNSCEAR(1994)报告原子弹爆炸幸存者由辐射引起的白血病有阈值， 并提出低剂量下兴奋效应与致癌效应并存的机制[10-11]。美国能源部(1991)报告， 大于5mSv终身工作剂量当量的工人，癌症死亡率比非核工作工人低24%，证实低剂量下兴奋效应的存在。在实验研究方面， 1965—1985年间在法国、前苏联和美国三个互不联系实验室，证明了在不同生物体内存在有兴奋效应。近年来，国内外学者还在低剂量辐射效应的临床应用上作了大量研究。

造血系统对电离辐射非常敏感。多年来，人们对X射线、γ射线等低传能线密度辐射对外周血的影响研究较多，而对高LET辐射，如裂变中子照射对动物的生物效应研究较少，低剂量率中子长期照射所引起的生物效应研究就更少。由于辐射的品质不同，中子对动物所产生的生物效应与变化规律可能与低LET辐射有所不同。

4 低传能线密度辐射生物学效应

相对生物学效能(RBE)不同的类型, 有被用于获得辐射量要素(WR)或用于辐射防护。1990年,ICRP (1990)劝告使用衡量要素 1为低辐射(X-射线，伽玛辐射和电子)。虽然推荐ICRP (2007)接受事实在细胞的体外实验显示出重大区别进入辐射质量之间。 例如：60Co伽玛辐射和低能 X-射线，ICRP继续推荐WR=1全部的低辐射。

实验性细胞体外相对一贯地显示了高能的“low- LET辐射” (即高能的伽玛辐射)每单位药量多次不同显示的相对低能源“low-LET 辐射” (即低能源 x 辐射) 。Straume (1995)突出了生物依赖性的问题， 对不同能量低辐射风险评估，辐射防护的涵义使用具有双着丝的淋巴细胞。 特别是建议有能力减少在超重氢(3H) β射线之间 (0.0057兆电子伏特)、15个兆伏特电子、大约3250 kVp 之间的区别因素。Straume (1995)认为伽玛辐射风险在日本原子弹幸存者当中获得光子的整体范围不是适当的，此有指‘low-LET’并且是被分配的全部WR的电子能量为 1。很多的研究结果表明，人的杂种细胞的造形术变革与关于具有双着丝的细胞研究，那些在 RBE 也显示出了一个低能源X-射线和高能X-射线的区别。 这大约是4–5因素，当29 kVp (早期胸部肿瘤Ⅹ射线测定法X-射线)与200–220 kVp X-射线比较，吸收剂量平均让(L∞，D)被考虑。这也许是更多关连的适当参量和生物效能，从空间密度能量沿辐射轨道的证言知道与生物效能有关。

对于低 LET辐射的认识需要开展更多的流行病学和辐射生物学研究，尤其是关于暴露在氚β辐射和29 kVpX射线下的人群组的研究。

5 结论

本文总结了不同传能线密度辐射产生的相对生物学效应，对辐射损伤的物理机制、分子生物学和细胞生物学原理进行了系统分析。在测量辐射损伤的方法方面，对 AFM 和凝胶电泳方法进行了调研。AFM技术研究辐射所致DNA结构变化。AFM技术与传统的凝胶电泳方法相比，AFM技术具有纳米级的高分辨能力，这样凝胶电泳方法更显的不足，利用AFM技术研究高LET的Li致DNA损伤的直接作用和间接作用以及自由基清除剂对 DNA分子的保护作用。在剂量方面，大剂量和中等剂量电离辐射对机体显然是有害的。低剂量在不同的生物体内被证明都存在兴奋作用。由于辐射的品质不同，中子对动物所产生的生物效应与变化规律可能与低LET辐射有所不同。在DNA内调研低LET辐射，低LET辐射(如X和γ射线等)致DNA链断裂主要由OH-自由基的间接作用引起，所产生的DNA链断裂的产额G与DNA浓度和自由基清除剂的清除力有关，并受 DNA超螺旋度的影响。

对于低 LET辐射的认识需要开展更多的流行病学和辐射生物学研究，尤其是关于暴露在氚β辐射和29 kV/p X射线下的人群组的研究。本文调研希望能为研究人员以后的研究提供一些有价值的建议。

[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] 蔡明辉, 赵葵，展永，等．AFM的DNA样品制备技术研究[J].电子显微学报，2006，25(1)：76-79.

[10] 刘树铮. 辐射危害域值问题——纪念伦琴发现X射线100周年[J]. 国外医学放射医学与核医学分册, 1995, 19(5): 204.

[11] 周永增. 辐射防护的生物学基础——辐射生物效应[J]. 辐射防护，2003，23(2)：90-101.