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电离辐射非靶效应及ICRP的相关评议

军事医学科学院二所 周平坤

靶理论是辐射生物学效应的理论核心,其基本内涵是假定细胞至少含有一个遗传关键位点或靶,细胞必须是这个靶被辐射击中后才会死亡或产生某种效应。认为靶区以外受到辐射攻击不会引起细胞死亡,而且普遍认同的观点是细胞核DNA就是辐射诱发细胞死亡的这个靶。早期的实验研究显示,损伤核DNA产生的细胞死亡效应比细胞膜损伤后发生的效应要大300倍以上。非靶效应概念,是在放射生物学家对低剂量辐射效应的长期关注和执著研究、以及应用新的技术装置如微束照射等,发现的一系列新的辐射效应现象,特别是旁效应和基因组不稳定性的基础上提出。非靶效应突破了辐射作用的传统时空定义,使效应靶超出了细胞核的范围、效应发生时间可持续于受照射后许多代。非靶效应现象意味着由剂量估算危险的模式的可靠性也受到一定的挑战,将对职业、医学和环境照射的癌症危险评价,特别是对线性无阈模型(Linear-No-Threshold,LNT)辐射危险数据外推到低剂量水平产生影响。同时,这些效应也将为辐射的非癌症疾病的发生、发展提供了新的机制解释。
1. 辐射旁效应的表现形式、基本特征
由于微束照射技术的应用,可以将甚至单个 粒子精确地定点注入到某个细胞的特定部位,由此而观察到周围临近的未受照细胞也产生类似的辐射效应,从而导致总体辐射效应高于经典理论模型预期的辐射损伤效应,这就是旁效应。更具体的是指在未被辐射径迹直接穿过的细胞中表现出的细胞死亡/凋亡、基因突变、染色体畸变、微核、基因组不稳定性、基因表达或蛋白表达丰度谱改变等。近年来,大量的文献报道提供了旁效应的证据,这些很多是通过单粒子微束照射实验所获得的信息,也有采用受照细胞的条件培养液所观察到的实验结果。更重要的是如将粒子辐射作用于细胞质也能诱发出作用于细胞核DNA损伤的同样辐射效应,这是辐射非靶效应的一个最直接的证据。近年来,随着空间辐射对宇航员健康影响越来越受到关注,以及重离子治疗癌症的兴起,重离子辐射旁效应的研究报道也逐渐增多。绝大多数研究表明,旁效应是不同能谱、不同LET电离辐射的一个普遍存在的生物学效应。但也有个别的研究报道,显示低LET X射线和1 GeV/n 高LET铁离子照射人原代成纤维细胞和一株结肠细胞的条件培养液未能诱发旁效应,而平行实验中的粒子产生了旁效应。
旁效应是否有剂量效应关系、旁效应和直接效应在辐射总效应中的贡献大小,是一个值得关注的问题。Seymour和Mothersill用 射线照射人上皮细胞和转移条件培养方法,对此进行了辐射致死效应(细胞克隆形成率)研究,结果在0.03 ~ 0.5 Gy低剂量区域只存在一个较大的旁效应份额,效应的幅度相对恒定,而且是一个饱和值。当剂量大于0.5Gy后的效应就是剂量依赖性的非旁效应的细胞死亡和一个非依赖剂量的旁效应死亡的复合。此外,旁效应可能具有细胞类型和增殖活性依赖性。
旁效应的生物学机制是多方面的,目前更多的研究是集中在细胞胁迫机制和活性氧分子的作用,如线立体中细胞色素C、NO信号体系等在辐射旁效应中的分子调节作用,也有细胞因子如白介素IL6和IL8的作用等。组织微环境、细胞能量和氧化还原代谢状态等也可能会影响旁效应的表达。 由于细胞间缝隙连接是旁效应的一个重要的结构基础,人们普遍关注由此通道执行细胞间通讯的物质基础或者信使分子是什么。另外,值得一提的是三维人体组织培养技术及应用,使旁效应研究向整体水平又迈进了一步。
2. 旁效应对辐射致癌危险影响以及ICRP的相关评议
旁效应的实际意义还在于为辐射致癌特别是低剂量水平的辐射致癌危险评估、以及未来辐射防护发展和最优化提出了新的理论和观点指导。关于辐射旁效应在辐射致癌危险中的贡献和未来辐射防护优化考虑,复旦大学放射医学研究所邵春林教授最近发表的文章中对此进行了比较全面和客观的分析讨论。一些实验研究的确观察到通过旁效应能诱发细胞转化,如Lewis等报道,来源于5或7 Gy X射线照射人CGL1杂交细胞的条件培养液能将细胞转化率提高4倍。Sawant等的实验表明, 粒子照射C3H 10T1/2 细胞,通过旁效应的作用增加了细胞转化率。然而,就辐射致癌危险而言,旁效应在实际考虑中就比较复杂,一方面从其有害效应的观点来评判,似乎当前采用的线性无阈模型LNT可能低估了低剂量辐射致癌的危险性;另一方面,通过细胞凋亡的旁效应机制,会将受到损伤和处于损伤环境周边的遗传或基因组不稳定性细胞从组织中剔除掉,但又不至于影响到组织器官的生理功能。因此,从某种意义上是剔除了潜在的可能发生恶性转化的突变细胞,会降低癌症的危险性。另外,有报道通过适应性旁效应机制还能降低细胞突变率。因此,从这些旁效应现象来考虑,LNT模型似乎是高估了低剂量辐射致癌危险。Schollnberger等将有害旁效应和凋亡介导的保护性旁效应这两种低剂量细胞学反应整合为一染色体畸变和体外成瘤转化的多阶段模型(State-Vector Model),用此模型对已有的代表性数据集所推导出来的是超线性或U型剂量反应曲线。此前还有实验研究指出低剂量低LET辐射作用细胞的体外成瘤转化率甚至要低于自发转化率水平,而且这种效应还可以通过凋亡旁效应来解释。
ICRP有关辐射旁效应的观点和评述,在2007年出版的新建议书即ICRP 103号出版物中有所表述,认为微束照射实验研究奠定了辐射旁效应的基础,效应的形式和发生机理是多样化,发生机制还需要更精确的探究。相信这些旁细胞能通过细胞间通讯对来自相邻的受照射细胞的信号发生反应,这种细胞间通讯是由穿过相邻细胞膜间缝隙连接的分子介导的,或信号分子通过细胞培养液向更大范围扩散传播。有些研究提出氧化应激诱导或DNA损伤反应通路调节机制。通过转移培养液的研究,提出了一些证据显示照射细胞释放出某些染色体损伤因子(致畸变的),以及在受照细胞中内钙动员和活性氧物质增加。关于旁效应信号对细胞效应的相对贡献或剂量依赖程度的数据相对较少,且有争论。尽管有一些染色体损伤因子这样的阳性结果报道,在体(整体水平)旁效应研究还很不成熟。
3. 辐射诱发基因组不稳定性与ICRP的相关评议
经典的靶理论还认为辐照诱发DNA损伤反应是发生在受照的当代或二代,也就是说照射后的1~2个细胞周期内。实际上,研究发现辐照细胞的存活后代,表现出持久性出现新发生的基因组损伤和其细胞学后果,人们将此定义为基因组不稳定性,与旁效应共同构成了非靶效应论述的两大效应基础。这种不稳定性,在培养细胞中可表现为染色体畸变、基因突变、细胞凋亡/死亡,以及其它表现形式。许多有关诱发的基因组不稳定性的离体细胞学研究,是以染色体为观察终点。尽管在建立的细胞系上的大规模培养实验体系中,再现了持续性染色体不稳定性,但很少有在克隆细胞群和正常二倍体细胞的研究报道。关于这方面,最近有一个采用大规模培养和克隆技术研究人二倍体成纤维细胞的实验,特别指出没有发现不稳定现象的证据。这个阴性结果提示,辐射诱发的基因组不稳定性有可能选择性发生在非正常的或有遗传改变的细胞,此结果与很难在整体水平上显示的现象相一致。人类或小鼠受高和低LET体内照射后,细胞遗传结果是阴性,或显示出与造血细胞持续不稳定性的不一致证据。尽管在一定的小鼠系和正常细胞中有阳性结果,但还需要更进一步的研究。此外,也有研究指出随着遗传背景的不同,小鼠中诱发的基因组不稳定性的表现存在差异,在某些情况下可能与DNA损伤反应缺陷有关。各种不同形式的基因组不稳定性的生物学基础尚不清楚,一些生化数据提示细胞胁迫和氧化应激反应过程可能参与其中,其它细胞遗传学研究提示了潜在不稳定的编码DNA重复序列的DNA片段。
综合文献资料,ICRP的103号出版物将上述的旁效应和基因组不稳定性又更加明确地定义为辐射的表观遗传效应。广义的说,这种效应是在照射后细胞学反应过程所导致的基因组改变和/或细胞学效应,并没有明显地依存于直接诱导的DNA损伤,这些细胞学效应与已充分证明的电离辐射径迹通过的直接DNA靶的放射生物学概念截然不同。有关旁效应与基因组不稳定的关系,有研究报道给小鼠移植受到照射和未受照射的混合骨髓细胞,结果未照射细胞(旁细胞)的后代也发生基因组不稳定性。总之,这方面可供参考的资料尚不多,两者的关系严格说来目前还不是十分肯定,但明确其关系的意义非常重要。
ICRP有关基因组不稳定的评议,基本判断是确信这方面的研究正在以很快的速度发展,但是现有的数据并没有提供在癌症危险和辐射诱发的基因组不稳定性现象之间存在坚实因果关系的充分证据。与旁效应一样,多种多样的胁迫反应和应激相关的细胞过程可能也是发生基因组不稳定的机制,至于在剂量响应特征、体内表达程度以及是如何影响癌症危险方面尚有许多不确定性。据此,ICRP委员会建议,目前尚不可能将有关这些过程的数据整合到放射防护必需涉及的低剂量情况下的判断。
4. 结语
辐射诱发基因突变和染色体畸变对癌症过程的直接意义是不言而喻的,而且大部分来自细胞研究的实验数据与剂量和效应之间的简单关系相一致。非靶效应对癌症危险的影响度,目前仍然是不确定的。实际上,高于约100 mGy的低LET辐射剂量下的直接人类流行病学数据,为估计标称癌症危险系数提供了主要方法。那么在这些剂量下的癌症危险估计将把所有相关的生物学过程包括在内,当然也就包括了本文所讨论的旁效应和基因组不稳定性这两个辐射非靶效应的核心。因此不确定性的主要问题所在,不单单是这种非靶效应是否影响癌症危险本身,而是体内的剂量响应特征对比如说在200 mSv与10 mSv的剂量下的危险的贡献是否有差异。
总之,无论非靶效应对癌症危险的贡献度如何,目前ICRP判断,由于低剂量情况下癌症危险估计有相当大的不确定性,现有的新的数据和理论并不能证明应用基于线性无阈(LNT)模型的当前癌症危险模型会导致癌症危险的严重低估或高估。出于公众政策,LNT是一个审慎的判断,旨在避免不必要的照射危险。还需要更深入的生物学研究,扩展对非靶效应特征、机理的认识。