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重离子束辐照细胞研究的文献计量学分析

2016-09-12郭晓鹏张苗苗剡倩李文建陆中国科学院近代物理研究所兰州70000中国科学院大学北京00049甘肃省微生物资源开发利用重点实验室兰州70070

辐射研究与辐射工艺学报 2016年4期
关键词:发文生物学诱导

郭晓鹏张苗苗剡 倩李文建陆 栋(中国科学院近代物理研究所 兰州 70000)(中国科学院大学 北京 00049)(甘肃省微生物资源开发利用重点实验室 兰州 70070)

重离子束辐照细胞研究的文献计量学分析

郭晓鹏1,2张苗苗1,3剡 倩1,2李文建1,3陆 栋1,3
1(中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)
2(中国科学院大学 北京 100049)
3(甘肃省微生物资源开发利用重点实验室 兰州 730070)

应用文献计量学方法和相应的应用软件,借助Web of Science平台对重离子束辐照细胞这一研究主题的相关文献、作者、期刊、机构以及关键词进行定量和系统考察。结果显示,重离子束辐照细胞研究在1990年之后日益活跃并深入;不同品质的重离子束辐照诱导不同类型细胞会产生不同的生物学效应、旁观者效应及其机制、重离子束辐照细胞生物学效应评估模型、重离子束治疗癌症过程中辐照品质选择与控制模型以及相应的计算机程序是该研究主题的重要内容;引入特定指数推测所得该研究主题重要学术期刊与 Nature,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,Cancer Research等期刊之间有较高的共被引频次,表明更多科学前沿的突破性成果和思路应用于该主题研究中;此外,该研究主要集中于少数国家、少数机构、少数作者,并且合作相对较少。

重离子束辐照,细胞,文献计量学

CLC Q691, TL99

重离子束辐照细胞研究总体上可以归纳为 3类:辐照过程中重离子束研究、被辐照细胞生物学效应研究以及二者相互关系研究。同时,一系列研究成果逐渐改变着重离子束辐照在生命科学中的角色,即由被动辐射防护转变为辐射利用,如:重离子束治疗癌症和重离子束辐照育种等。对重离子束辐照细胞研究历程、现状及趋势进行分析,为该领域研究者提供一定信息,有助于他们及时把握该领域的前沿热点,从而促进重离子束辐照在生命科学领域的应用。许多科研工作者对重离子束辐照细胞研究在不同时期做了相应的综述报道,Blakely等[1]在1998年对重离子辐射细胞诱导DNA损伤修复、基因突变、染色体畸变以及致瘤性等方面的进展进行了综述,同时强调了重离子辐照细胞研究的几种重要细胞模型及研究技术,并讨论了重离子束辐照在癌症领域的应用;Sakashita等[2]在2010年结合自由基理论综述了重离子束辐照诱导细胞衰老及基因组不稳定性相关分子基础和分子途径;最近 Fujita等[3]强调了局部癌部位经重离子束放疗后存活癌细胞因细胞类型和辐照方式差异表现不同的侵袭能力,并对此进行了总结,同时讨论了这一过程可能的分子途径和基因变异。然而,随着重离子束辐照细胞研究在广度、深度以及时间上不断推进,大量新研究成果不断被报道,因此,科研工作者依据科研实践、学习及心得进行相应研究成果的综述在某种程度上具有一定局限性。本文采用文献计量学方法及相应的应用软件,借助Web of Science平台,以1962~2015年期间重离子束辐照细胞研究的相关文献为核心,对该主题进行纵向和系统的考察,挖掘其内在规律和特点。文献计量学作为一门应用数学和统计学方法定量分析知识载体的交叉学科,近年来广泛应用于各种学科与技术态势分析中,然而,在重离子束辐照细胞研究乃至辐射领域中类似工作鲜有报道。本文一方面关注重离子束辐照细胞研究历程、格局、内容以及前沿热点;另一方面,为相应研究成果分析提供一种定量手段。

1 数据来源与研究方法

1.1数据库选择

本研究的数据库选取Web of Science 平台提供使用的Web of ScienceTM核心合集,该数据库全面包含了各个领域的重要文献,同时提供丰富的参考文献信息与多种数据输出方式。

1.2数据检索与处理

数据检索策略见图 1,时间范围为 1900~2015年,利用运算符“and”和“or”、截词符“*”以及邻近度算符“near”构建检索式,通过Web of Science学科类别的精炼与排除增加检索的精确度,检索时间为2016年3月27日。

数据分析主要利用可视化引文分析软件HistCite和CiteSpaceⅡ,同时利用了数据处理软件Excel和作图软件Origin 8.0。其中HistCite是SCI 的创始人加菲尔德和他的同事们开发的更侧重于表格输出的引文分析软件;CiteSpace是由美国德雷塞尔大学教授陈超美博士开发的一款更侧重于可视化图输出的引文分析软件。

本研究首先分别保存制表符格式和纯文本格式的检索数据,记录内容为全记录与引用的参考文献,以便被引与共被引分析。然后,利用Excel打开制表符格式检索数据,获得通讯作者和第一作者发文量信息;利用HistCite分析纯文本格式检索数据输出作者(所有作者)、期刊、机构、国家的发文量与被引信息以及重要文献被引信息;通过将纯文本格式检索数据导入 CiteSpaceⅡ进行参考文献共被引分析、被引期刊共被引分析、国家间合作分析、关键词聚类分析,并输出相应可视化图。

2 结果与分析

2.1发文量年度分布

利用图1所示检索策略共获得1 649条记录,其中,重离子束辐照细胞这一研究主题的报道最早在1962年,Deering等[4]用重离子束辐照Hela细胞并测定细胞存活曲线。之后,重离子束辐照细胞研究主要经历了两个阶段(见图2):1962~1990年为该研究领域准备期,发文量相对平稳,期间,日本科研用调频直线重离子加速器于 1980年在日本理化所落成并启动了分离扇回旋加速器计划,中国第一个大型重离子加速器系统——兰州重离子研究装置(The Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL)于1988年12月12日建成出束,此外,德国和美国在重离子加速器建设和维护方面都投入大量经费[5-8]。进入20世纪90年代,重离子束辐照细胞的研究进入活跃期,发文量逐年线性增加,1990年发表两篇文章是Shainskaya等[9]报道的神经组织中离子转运系统的辐射损伤机制和Ritter等[10]报道的辐照品质对重离子束诱导V79细胞染色体畸变的影响,可以看出,重离子束辐照细胞的研究在细胞生物学效应和辐照离子束两方面都逐渐深入。1994年日本国家放射性科学研究所(National Institute of Radiological Sciences, NIRS)开始使用位于千叶的重离子医疗加速器(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba, HIMAC)为癌症治疗进行临床前试验,截止2006年,共有2 867名患者进行了临床一期或二期试验,初步表明,针对所考察各种类型的癌细胞碳离子束辐照都具有良好的效果[11]。近年来,重离子束辐照的临床应用日益扩大,必将对重离子束辐照细胞的研究不断提出新的要求。

2.2重要作者及其最新研究成果

如图3为本地文献集中作者发文情况,可以看出,发文总量位于前30的作者中Durante、Suzuki、Scholz、Zhang、Cucinotta和Li作为通讯作者和第一作者的发文数量相对较多,其中Suzuki和Scholz两位作者文章的本地平均被引频次(Average of local citation score, ALCS)仍然相对较高,可以认为Suzuki和Scholz是重离子束辐照细胞研究领域贡献较大的两位研究者,针对重离子束辐照细胞这一研究主题,Suzuki作为通讯作者最新发文是在 2013年先后报道了重离子束辐照品质(包括吸收剂量和传能线密度(Linear energy transfer, LET))对人成纤维细胞间隙连接、旁观者效应的影响与高LET和低LET辐照后细胞间隙连接参与的损伤修复[12-13];Scholz作为通讯作者最新发文是在 2013年报道了基于局部效应模型的DNA双链断裂动力学回归模型,该模型适用于更宽的辐照品质范围[14]。以通讯作者发文量来看,占通讯作者总体3.3%的作者发文量占本地文献集的14.86%,表明重离子束辐照细胞研究领域较多研究成果集中产生于较少数的作者团体中。

2.3重要文献及共被引分析

表 1列出了本地文献集中本地被引频次(Local citation score, LCS)最高的10条记录,根据其研究内容可以归为3类:A类主要进行不同品质重离子束辐照诱导不同类型细胞产生不同生物学效应的研究;B类主要进行重离子束辐照细胞生物学效应评估模型与重离子束治疗癌症过程中辐射品质选择与控制模型的建立;C类为重离子束治疗癌症的临床研究。

图4为本地文献集参考文献的共被引分析图。分析设置时间范围1962~2015年,5年为一个时间切片,每一切片内选择被引频次前10的文献,图中节点大小表示被引频次的高低,连线表示文献之间的共被引,连线强度不同,代表不同共被引频次,颜色表示被引及共被引事件发生的时间,紫色外圈代表文章中心度高低。由于 CiteSpace针对引用的参考文献进行分析,并以时间切片对文献集进行划分,所以图4中高被引参考文献与表1的高被引记录有一定差异,但表1中第1、2、3、4、5条高被引记录都出现在共被引分析图中,可以看出,其中Weyrather等[15]在1999年关于不同LET的碳离子束辐照诱导不同修复能力细胞株相对生物学效应(Relative biological effect, RBE)的报道和Furusawa等[16]在 2000年关于不同种类离子束辐照诱导好氧与缺氧细胞株失活的报道同时具有较高的中心度。值得注意的是表1中B类高被引记录仅有一篇出现在共被引分析图中且中心度较低,反映了重离子束辐照细胞数理理论模型和应用模型的研究较A类研究相对薄弱。

表1 本地被引频次排名前10的记录Table 1 The first 10 cited articles according to LCS

2.4重要期刊及共被引分析

图5反映了重离子束辐照细胞研究主题下发文量达 10篇以上的期刊及其发文数量(Records)、ALCS、相对重要指数(Relative importance index, RII)和5年影响因子(Impact factor, IF)。其中,RII是我们基于对期刊发文数量(Records)与发文质量(ALCS)的权衡(假设二者同等重要)而提出,具体计算过程为分别对期刊的Records和ALCS进行Min-max标准化处理,处理值乘以0.5并相加,所得结果值可映射到[0,1]之间,本文为适应坐标轴数值范围,将结果值扩大10倍,使其映射到[0,10]之间。由RII可推测重离子束辐照细胞研究领域的重要期刊依次为:Radiation Research,International Journal of Radiation Biology,International Journal of Radiation Oncology,Journal of Radiation Research,Radiation and Environmental Biophysics等。此外,在特定细分研究主题下对期刊的重要性进行分析时 IF有其局限性,但仍值得注意并借鉴。

图6为被引期刊近5年的共被引分析图,分析过程中设置1年为一个时间切片,每一切片内选择被引频次前15的期刊,图中节点大小表示被引频次高低,连线表示期刊之间的共被引,连线强度不同,代表不同共被引频次,颜色表示被引及共被引事件发生的时间,紫色外圈代表期刊中心度高低。可以看出,除图5中的重要期刊外,Nature,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,Cancer Research等期刊在本地文献集中同样具有较高的被引频次与中心度,这反映了重离子束辐照细胞研究借鉴科学前沿的研究成果和思路,并指向重离子治癌的趋势。

2.5国家、机构发文及合作关系

图7为发文国家合作分析图,分析过程中设置时间范围为1990~2015年,时间切片为2年,选择每个切片内发文量前10的机构,图中节点大小表示发文数量,连线表示两个国家在某一文献记录中共同出现,连线强度表示共现次数多少,颜色代表发文和共现事件发生的时间。可以看出,日本、美国、德国、中国、意大利、法国是该研究领域发文量最多的6个国家;同时,6个主要国家间只有3条合作关系,即中国与日本、中国与美国、美国与意大利,彼此合作次数较少。表 2列出了发文量前 10的机构,可以看出,位于日本、中国、美国、德国、意大利的机构发文量最多。其中,位于日本、美国、德国的机构其文章平均被引频次相对高于中国、意大利,表明其文章质量相对较高。

2.6基于关键词聚类分析的研究热点挖掘

CiteSpace根据关键词及其共现网络对关键词进行聚类,利用关键词聚类可以分析某一研究主题在特定时间段内研究热点,图8,9为本地文献集中近5年内出现的关键词聚类分析图,分析参数设置时间范围2010~2015年,时间切片为1年, 由于时间切片内选取关键词时设置的频次阈值不同,关键词聚类结果会受到影响,因此,在高频次阈值和低频次阈值分别输出聚类图。综合两种聚类结果可以推断出重离子束辐照细胞研究主题下的3个研究热点:(1)重离子束辐照诱导细胞生物学效应的数学物理模型建立,相应的聚类词为“Local effect model”和“Spatial dynamic”,由于重离子束辐照应用于放射诊疗和诱变育种等实践,其精确定量至关重要,同时,这一模型建立需要辐照离子物理特性和被辐照样品生物学特性的结合,因此,一直是重离子束辐照细胞研究的一大挑战,在本地高被引文献中,Katz等[17]在1971年综合考虑了重离子束辐照诱导细胞失活过程中离子致细胞失活和伽马射线致细胞失活两种方式,用实验数据拟合参数建立了重离子束辐照过程中细胞的失活模型;Scholz等[18]在 1997年建立的重离子束辐照细胞生物学效应评估模型,提供了不同离子种类和不同能量对应系数表,简化和加快了重离子束辐照细胞生物学效应评估;Krämer等[19]在2000年开发了将临床数据转化为离子束参数的计算机程序,该程序提供253种离子束能量、7种束径以及15种强度任意组合的列表可供选择,这一成果也预示着当前重离子束辐照细胞数理模型的建立逐渐要求结合计算机建立高通量以及界面人性化的实用程序。(2)重离子束治疗癌症的离子选择,相应的聚类词为“Ion selection”,目前进行癌症治疗的离子束基本为C离子束,然而,由于比12C离子轻的离子在其辐射坪区对正常组织的损伤减小,在放疗中的应用潜力近年来被广泛关注[20];(3)重离子束辐照诱导旁观者效应及其机制,代表这一研究主题的聚类词有“Abscopal signal”、“Radiation-induced bystander effect”,重离子束辐照诱导的旁观者效应涉及复杂的细胞内和细胞间信号调节网络,同时具有细胞类型依赖性、辐照品质依赖性和时空效应依赖性,这一问题的研究对于减轻病灶周围健康组织在重离子放疗中的损伤具有重要意义[21-23]。此外,两种细胞名称“Endothelial cell”和“Fibroblast”的出现,表明近年来成纤维细胞和内皮细胞是重离子束辐照细胞研究中使用较多的细胞模型。

3 结论

本文对 Web of ScienceTM核心合集中收录的1962~2015年间关于重离子束辐照细胞研究的文献进行了计量学分析,基于相应应用软件数理算法运算的客观结果及有针对性的文献考察,重离子束辐照细胞研究的历程、格局、重要研究成果及前沿热点主要体现为:(1)重离子束辐照细胞研究以 1990年为转折点,可以划分为两个阶段。1990年之前为该领域研究准备期,1990年之后,该领域研究开始活跃,研究成果成线性增加,在细胞辐射效应方面逐渐深入到亚细胞和分子水平,并且开始关注于辐照品质与细胞效应的关系,以促进重离子治疗癌症临床应用;(2)重离子束辐照细胞研究领域贡献较大的两位研究者Suzuki和Scholz,近期研究分别致力于重离子束局部辐照诱导旁观者效应及其机制的揭示和重离子束辐照诱导细胞损伤的动力学模型建立;(3)重离子束辐照细胞研究领域比较受关注的研究主要为:不同品质重离子束辐照诱导不同类型细胞产生不同生物学效应的揭示;重离子束辐照细胞生物学效应评估模型与重离子束治疗癌症过程中辐照品质选择与控制模型的建立;(4)本文提出的 RII在对期刊进行评价时可以兼顾其发文数量和发文质量,据此得出 Radiation Research,International Journal of Radiation Biology,International Journal of Radiation Oncology,Journal of Radiation Research,Radiation and Environmental Biophysics是重离子束辐照细胞领域的重要期刊,同时近5 年该研究更多关注Nature,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,Cancer Research期刊的研究成果和思路,瞄准科学前沿;(5)日本为重离子束辐照细胞研究比较活跃的国家,中国、美国、德国、意大利以及法国次之,该主题研究主要集中在少数国家的少数研究团体中,并且国际合作相对较少;(6)数理模型和相应计算机应用程序的建立、旁观者效应及其机制、癌症放疗中离子的选择是重离子束辐照细胞研究的热点问题;(7)作者、文献、期刊及关键词与分析结果相符,从侧面反映了本文所利用分析手段的合理性。此外,重离子束局部辐照诱导旁观者效应及其机制揭示、离子束辐照品质选择与控制模型建立以及细胞、组织辐射生物学效应定量评估等方面的研究成果都将促进重离子束在生命科学中应用的靶向性和精确度。

1Blakely E A, Kronenberg A. Heavy-ion radiobiology: new approaches to delineate mechanisms underlying enhanced biological effectiveness[J]. Radiation Research, 1998,150(5s): S126-S145. DOI: 10.2307/3579815.

2Sakashita T, Takanami T, Yanase S, et al. Radiation biology of caenorhabditis elegans: germ cell response,aging and behavior[J]. Journal of Radiation Research,2010, 51(2): 107-121. DOI: 10.1269/jrr.09100.

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5Kubo T, Ishihara M, Inabe N, et al. The RIKEN radioactive beam facility[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1992, 70(1): 309-319. DOI: 10.1016/0168-583X(92)95947-P.

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14 Tommasino F, Friedrich T, Scholz U, et al. A DNA double-strand break kinetic rejoining model based on the local effect model[J]. Radiation Research, 2013, 180(5): 524-538. DOI: 10.1667/RR13389.1.

15 Weyrather S, Ritter M, Scholz G, et al. RBE for carbon track-segment irradiation in cell lines of differing repair capacity[J]. International Journal of Radiation Biology,1999, 75(11): 1357-1364. DOI: 10.1080/ 095530099139232.

16 Furusawa Y, Fukutsu K, Aoki M, et al. Inactivation of aerobic and hypoxic cells from three different cell lines by accelerated3He-,12C- and20Ne-ion beams[J]. Radiation Research, 2000, 154(5): 485-496. DOI: 10.1667/ RRXX41.1.

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18 Scholz M, Kellerer A M, Kraft-Weyrather W, et al. Computation of cell survival in heavy ion beams for therapy[J]. Radiation and Environmental Biophysics,1997, 36(1): 59-66. DOI: 10.1007/s004110050055.

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A bibliometric analysis on the research focused on cell irradiated by heavy ion beam

GUO Xiaopeng1, 2ZHANG Miaomiao1,3YAN Qian1,2Li Wenjian1,3LU Dong1,3
1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Key Laboratory of Microbial Resources Exploitation and Application, Lanzhou 730070, China)

Based on the platform of Web of Science, we made a quantitative and systemic study on the articles,the authors, the journals, the institutes and the key words which were focused on cell irradiated by heavy ion beam. Meanwhile, the methods of bibliometrics and the relative application softwares were employed. The results suggested that the research on cell irradiated by heavy ion beam was gradually active and deep-going after 1900s; the different biological effects between different types of cells induced by heavy ion beam irradiation with different qualities, the bystander effects and its mechanism, the evaluation model of biological effects induced by heavy ion beam irradiation,and the selection and control model of irradiation qualities and the relative computer programs were the importantresearch content of this topic; the high co-citied frequency among the important journals which were confirmed by the particular index, Nature, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Cancer Research and so on suggests the more application of breakthroughs of science frontier in the research on cell irradiated by heavy ion beam; the research on cell irradiated by heavy ion beam is dominated by a minority of countries, institutes and authors and the collaboration among them is less.

GUO Xiaopeng (male) was born in December 1992 and graduated with a bachelor degree from Lanzhou University of Technology in 2015. Now he is a master candidate at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, majoring in radia

28 March 2016; accepted 9 May 2016

Heavy ion beam irradiation, Cell, Bibliometrics

Ph.D. LU Dong, associate professor, E-mail: ld@impcas.ac.cn

Q691,TL99

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.040702

中国科学院西部之光人才培养计划项目(Y306010XB0)资助

郭晓鹏,男,1992年12月出生,2015年于兰州理工大学获学士学位,现为中国科学院近代物理研究所辐射生物学硕士研究生,E-mail: guoxplanzhou@126.com

陆栋,博士,副研究员,E-mail: ld@impcas.ac.cn

初稿 2016-03-28;修回 2016-05-09

Supported by the CAS "Light of West China" Program (No. Y306010XB0)

tion biology. E-mail: guoxplanzhou@126.com

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