生物标志物在电离辐射中的应用与研究进展

刘紫薇,任伯绪，江献旺 (长江大学医学院，湖北 荆州 434023)

作为一种公认的致癌物，高剂量或低剂量/剂量率的电离辐射(ionizing radiation，IR)暴露增加了各种疾病发生的风险。电离辐射对人体生理的影响从上个世纪开始就已被陆续报道，主要是来自环境、医疗或职业方面的辐射暴露。譬如，近年来核事故及核污染仍有发生，给人类生活造成了严重的后果[1～3]。除了来自环境的辐射暴露，在医疗设备中也逐渐体现出辐射暴露的负面危害，例如直接数字平板X线成像系统(digital radiography，DR)、电子计算机断层扫描设备(computed tomography，CT)以及正电子发射型计算机断层显像设备(positron emission computed tomography，PET)等。目前，来源于放射诊断和治疗的辐射暴露构成了医疗工作者大部分的暴露风险。相对地，接受放射相关诊疗的患者也遭遇了不可避免的辐射暴露，甚至引起了严重的损伤和病变[4, 5]。另外,日常生活中也存在易被忽视的风险因素，例如长时间地使用移动电话也将对人体造成一定的危害[6, 7]。

随着人们越来越多地关注辐射所造成的损伤效应，有必要不断更新与改进现有的理论依据和实验技术，估量高剂量或低剂量/剂量率带来的辐射风险。在这篇论述里，主要从分子和细胞水平上列举多种与IR相关的潜在生物标志物，旨在为评估高剂量或低剂量/剂量率的辐射暴露提供新思路，并加强对生物标记物与电离辐射之间相关性的理解。

1 生物标志物的功能与特性

生物标志物是指一类可以用来反映生物系统和环境介质之间相互作用的物质，可以是化学、物理或生物来源等等[8]。在过去的几十年里，尽管不同类型生物标志物的定义和分类存在细微的变化[9～12], 我们仍然可以根据时效性对其功能进行总结：在辐射暴露后的某一时刻可用于检测吸收剂量；在辐射暴露之前、期间或之后可用于预测辐射效应增加的风险；在临床发现辐射诱发疾病或死亡之前，评估辐射暴露后对健康的影响；评估暴露很长一段时间后长期的辐射效应等。因而生物标志物的深入研究具有重要的临床意义，除了评估辐射暴露-效应之间的关系以及这些联系如何随个体的敏感性而变化，还能有助于探知疾病机制或潜在的病理途径。

生物标志物的定义、特性以及应用虽然复杂且繁多，考虑到不同的检测样品以及其他干扰因素，对于一种生物标志物是否良好的判定存在一定的困难性，但理想型生物标志物的共同特征可以被逐一总结和列举，例如敏感性、特异性、再现性等等[13]。评定标准可大致归纳为：能够有效地分析检测，确保尽量避免系统误差和随机误差；生物标志物自身具有良好的特性，例如敏感性、特异性、重复性以及生物学可信性；在分析研究中标记物与检测方法的适用性；在生物样品、采集方法等方面的可行性。

而关于生物样品的采集，并不仅仅限于常规的血液收集。例如，唾液可作为一种生物样本被采集，应用于辐射暴露的标志物研究中[14]。当大量的样本被需求时，这将给采集带来一定的便捷。手指或脚趾的指甲作为生物样本，也将极大简化提取样本的过程，相比于其他生物来源，从这些组织中提取的DNA可更长时间地保存[15]。此外，人体呼出的气体也可以用来估量辐射暴露[16]。

2 生物标志物的分类

确切地说，许多生物标志物都可以分到多个交叉类别，例如γH2AX是磷酸化H2A组蛋白家族成员之一，同时也与DNA损伤存在密切联系。鉴于分类的复杂性，我们将重点关注于以下类别：与细胞遗传学相关的生物标志物、与核苷酸或DNA损伤有关的生物标记物。

2.1 细胞遗传学相关的生物标志物

关于细胞遗传学的研究主要是指染色体水平，尤其是染色体异常。其中，一部分具有高敏感性和特异性的细胞遗传学端点可以作为辐射暴露的生物标记物，而另外一部分作为生物标志物，则可用来检测辐射暴露的延迟效应。

1)双着丝粒染色体 双着丝粒染色体(dicentric)是染色体异常类型之一，指具有两个着丝粒的结构异常的染色体。这种变异除少数例外，几乎完全由IR诱导引起畸变。由于双着丝粒畸变对辐射的特异性以及几乎不存在干扰因素，已作为生物标志物的选择之一，应用于辐射暴露中。通过对淋巴细胞中双着丝粒畸变的计数，可对高剂量的辐射暴露进行生物剂量学评估[17]。对于意外暴露于电离辐射的全身或局部的急性病例，自动检测双着丝粒仍是一种可靠的选择[18]。因此，双着丝粒分析作为一种研究工具，已被应用于大规模的辐射事故中来进行生物剂量测定[19, 20]。值得注意的是，为了更加准确地估计辐射剂量，校准曲线在任何时候都是十分必要的[21]。通过对检测技术的改善与融合，目前已实现对检测过程的自动化以及剂量-效应曲线的描绘，更加直观地反映了辐射剂量与生物效应之间的联系[22]。

2)染色体易位 相比于双着丝粒畸变，染色体易位(translocations)同样属于一种染色体变异类型，甚至可以划分为复杂染色体重组(complex chromosomal rearrangements，CCRs)的一部分。染色体易位是一个公认的生物标志物，用于测定来自环境、职业以及医疗的辐射暴露。采用荧光原位杂交分析(fluorescent in situ hybridization analysis，FISH)技术，对于长期慢性暴露于放射性同位素锶的居民进行染色体易位测定，可有效地评估辐射剂量并分析剂量与生物效应之间的线性关系[23]。此外，染色体易位还可以应用于测定急性辐射暴露之后各个不同时间段的延迟效应[24]，从而应对不能及时检测的辐射事件。在放射医疗检查所产生的低剂量辐射暴露中，染色体易位在一定程度上也反映了生物损伤与辐射剂量之间的关系[25]。同时，易位分析也可作为一种对职业暴露人群(如核电站工作者、放射工业工人)的回顾性生物剂量测定的有效方法[26, 27]。而染色体易位作为一种生物标志物，仍然存在一些检测时的干扰因素，其中年龄和抽烟可能是较为主要的混杂因素[28, 29]。

3)复杂染色体重组 复杂染色体重组(complex chromosomal rearrangements，CCRs)涉及到两条或更多染色体至少三处或以上的畸变，可以被认为是若干个简单变异如易位、双着丝粒的组合等等[30]。有研究显示，CCRs可作为高传能线密度(linear energy transfer，LET)和重离子暴露的标志，主要用来评估急性照射产生的生物效应[31, 32]。在放射治疗诱导的并发症中，高度复杂的染色体畸变也可被观察到[33]。由于暴露于低剂量辐射和高强度辐射后，分别诱导产生了不同的复杂的变异[34]，因此，这一潜在生物标志物在低剂量暴露以及未来的研究仍存在挑战性。

4)染色体超前凝聚 在成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF)的作用下，间期细胞的染色体提前凝聚成分裂期可见的凝聚染色体的这一过程，即为染色体超前凝聚(premature chromosome condensation，PCC)。正如多数研究所阐明，PCC在评估高剂量急性照射时最为有效[35, 36]，主要用于测量辐射引起的染色体损伤。相比于双着丝粒测定，在高剂量范围的大规模伤亡事故中，PCC对暴露剂量的评估也是可行的[37]。而PCC试验技术也在不断地改进与优化[38]，其中，细胞周期进展指数(cell-cycle progression index，CPI)已被证实为一种新的有效的评估参数，在辐射事件发生后的早期，用于检测剂量从0到10Gy范围的辐射暴露[39]。

5)端粒长度 端粒(telomeres)是指真核细胞染色体末端的一小段由简单重复的DNA序列和特殊蛋白质组成的复合体。端粒重复的长度以及结合蛋白的完整性，在保护染色体的末端不退化、避免与相邻的染色体融合等作用中都是十分重要的，端粒结构的破坏将导致疾病风险的增加[40]。多项研究表明，端粒的缩短对受辐照后的细胞基因组不稳定性、细胞凋亡和辐射敏感性增强有促进作用[41, 42]。Lustig等对核事故后幸存者的白细胞端粒长度进行了分析，发现端粒长度与IR的剂量呈负相关，结果显示电离辐射的长期效应与端粒长度密切相关[43]。端粒长度的测定也被应用于长期暴露于低剂量电离辐射而诱导的疾病中，并可对病程进行早期评估[44]。此外，对肿瘤患者端粒长度的量化，也可作为生物标志物来预示潜在的二次恶性肿瘤及晚期并发症风险[45]。同样，在端粒长度分析时也应该考虑到可能的混杂因子包括年龄、性别等[46]。

6)微核 微核(micronuclei，MN)是指在有丝分裂期间，由整条染色体或染色体片段畸变所产生的小的核外体，通常是基因毒性事件或染色体不稳定性的标志。利用微核分析可对暴露于LET的小鼠固体肿瘤细胞进行生物学效应的测定[47]。核事故暴露或空间辐射环境实际上多数是由复合射线辐射组成，当暴露于这种复合辐射场或高辐射情况下，含有微核的细胞所占的比例也可作为辐射诱导损伤的一种生物标志物[48]。Ahmadi等利用昆虫进行实验，发现微核现象与辐射剂量的大小和强度有关[49]，从一定程度上可间接反映辐射所造成的生物学效应。此外，有研究数据表明，MN也可作为职业暴露预防医学筛查的重要标志[50]。微核测定的混杂因素同样也包括年龄和性别等方面。

2.2 DNA损伤相关的生物标志物

DNA损伤主要有两种形式：一种是内源性损伤，由正常代谢产物产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)等诱发；另一种是外源性损伤，主要来源于一系列的外部因素，例如紫外线、电离辐射、生物毒素以及病毒等。IR可以直接或间接地诱导DNA损伤，这使DNA损伤相关的多种表现形式，如DNA链断裂、γH2AX等为辐射暴露的潜在生物标志物。

1)DNA SSB/DSB DNA单链断裂(single strand breaks，SSB)或双链断裂(double strand breaks，DSB)是暴露于IR后的DNA损伤的高度表现特征，检测它们的形成可作为辐射暴露或个人辐射敏感性的生物标记物。过去有研究者采用正常的人外周胸腺细胞和幼鼠胸腺细胞接受伽马射线辐照，检测到了辐射先后诱导的SSB和DSB[51]。而放射诊疗环境产生的低剂量辐射暴露也可诱发DSB形成或者DSB修复的延迟[52]。随后也有实验数据证明，DNA DSBs及其后的凋亡DNA片段测定，有可能作为评估人体暴露在辐射生物剂量学中的生物标记物[53]。

2)γH2AX γH2AX是磷酸化的H2A组蛋白家族成员之一(phosphorylated H2A histone family member X，γH2AX)，和DNA双链断裂的早期细胞效应密切相关。在DNA损伤后的短时间内，细胞核内的γH2AX 焦点(γH2AX foci)将形成并逐渐积累。γH2AX作为电离辐射诱导DSB形成的一个特定的损伤标志，可以预测并评估多种癌症发病的风险[54, 55]。在放射医疗检查中， 即使是低剂量的X射线仍可致儿科患者的DNA损伤，γH2AX foci作为一种在体的效应标志物，量化了患者接受的射线剂量，为优化检查方案可提供一定的指征[56]。 在检测低剂量辐射暴露的应用中,γH2AX也显示了相对较高的敏感性[57]。而且，在对比并优化了检测技术以及参数之后，可对意外发生的大规模辐射暴露事故进行快速的γH2AX 检测[58～60]。

3)细胞外8-oxo-dG 8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-Oxo-2’-deoxyguanosine，8-oxo-dG)是DNA氧化的主要产物之一，组织中聚集增加的8-oxo-dG可以作为氧化应激的生物标志物[61]。当活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成超过细胞抗氧化能力时，氧化应激就会发生，而8-oxo-dG可在DNA和核苷酸池中通过ROS形成诱变损伤[62]。在早期的研究中，通过检测肿瘤患者尿液中的8-oxo-dG含量，可对个体的放射敏感性进行预测，从而将8-oxo-dG 纳入了检测急性放射敏感性的潜在标志物[63]。尿液中8-oxo-dG也可用于诊断心导管插入术中辐射诱导细胞的DNA损伤[64]，同时在放射治疗中作为患者生存的预测因子[65]。另外，8-oxo-dG 在生态环境以及动物实验模拟的移动电话的辐射暴露中也可进行相应的评估[66, 67]。目前，对于8-oxo-dG的分析及检测技术得到了一定程度的优化[68]。

3 结语

生物标志物是否合适，必须考虑到标志物自身的敏感性、特异性、再现性、生物学合理性以及采样可行性等等。此外，生物样品的收集、加工和储存，生物测定方法的选择以及潜在的混杂因素也至关重要。目前，并不存在最为理想的生物标志物来评估辐射暴露，特别是低剂量或低剂量率的电离辐射。就特异性而言，急性辐射暴存在若干合适的生物标志物，例如双着丝粒变异，但在低剂量辐射方面却较为缺乏。正如诸多文献中所提及，大多数潜在的生物标志物仍停留在探索阶段。可以肯定的是，新颖的想法与思考以及逐步增加对高剂量/低剂量辐射生物效应机制的理解，将有助于生物标志物的深入研究和开发。

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