王 麗，王振宇，2，*，張 浩，左麗麗

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

天然化合物的電離輻射防護作用研究

王 麗1，王振宇1，2，*，張 浩1，左麗麗1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090；2.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

電離輻射傷害生物體，而且越來越多的人暴露在輻射環(huán)境中，如太空探索、放療和核醫(yī)學(xué)。所以，輻射防護劑的研究成為現(xiàn)在的熱點。但是由于合成化合物的毒性限制了其在臨床中的應(yīng)用，迄今為止，并沒有找到理想的輻射防護劑。天然化合物廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中，研究發(fā)現(xiàn)，它們也是較好的輻射防護劑。本文主要針對天然化合物包括多酚、黃酮、花青素、多糖、褪黑激素等的輻射防護作用，以及可能的防護機制進行綜述。研究發(fā)現(xiàn)天然化合物可能是通過清除自由基、抑制脂質(zhì)過氧化、增加內(nèi)源性抗氧化酶和抑制DNA損傷等活性達(dá)到輻射防護的作用。

電離輻射，輻射防護劑，天然化合物

Abstract：Ionizing radiations produce deleterious effect in the living organisms and the population of human becoming exposed to radiation environment（e.g.space exploration，radiotherapy and nuclear medicine） is rapidly increasing.The development of radioprotective agents has been the subject of intense research.However，to date，no ideal radioprotectors are available as most synthetic compounds are toxic and have limited use in clinical practice.Natural compounds are widely used in traditional systems of medicine，and which have been evaluated as significant radioprotectors.This article reviewed some of the most promising natural compounds，such as polyphenols，flavonoids，anthocyanins，polysaccharides，and melatonin and they seemed to exert their effect through antioxidant activity，lipid peroxidation inhibition，increase of antioxidant enzymes，inhibition of DNA damage and so on.

Key words：ionizing radiations；radioprotective agents；natural compounds

生物技術(shù)的迅速發(fā)展增加了人體暴露在電離輻射中的機會，如空間探測、放射醫(yī)療、核戰(zhàn)爭等，給人們帶來潛在的危害。早在1949年就有人已經(jīng)開始研究防止電離輻射損傷的藥物。目前，國內(nèi)外已研究了許多化學(xué)和生物制劑防止電離輻射傷害，但是，這些制劑均具有毒副作用，不能長期食用，因此，研究天然物質(zhì)中對人體無害的輻射防護劑成為熱門課題。

1 電離輻射及其傷害

眾所周知，電離輻射具有細(xì)胞毒性，也是一種誘變劑，能夠引起多種疾病，如癌癥、敗血病等。電離輻射包括幾種不同的電磁射線，如X-射線、γ-射線；不同的粒子，如α粒子、β粒子與中子，這些都是高能輻射，對人體的傷害很大。暴露于電離輻射中的方式有兩種，即內(nèi)部輻射和外部輻射。放射醫(yī)療，如利用γ-射線治療癌癥患者，屬于外部輻射。內(nèi)部輻射可能是由于放射性核素進入體內(nèi)，定位于特定的器官而產(chǎn)生。一旦寄存于器官中，放射性元素就會進行衰變而產(chǎn)生γ和β射線，輻射組織[1-2]。

電離輻射對人體產(chǎn)生直接和間接損傷。電離輻射可以直接電離DNA，使DNA雙鍵斷裂，造成直接損傷，這種損傷可能引起染色體異常、細(xì)胞死亡，目前認(rèn)為DNA斷裂是可以修復(fù)的，但是，如果DNA錯誤修復(fù)或無法修復(fù)會造成基因突變和二次腫瘤的產(chǎn)生。輻射通過作用于細(xì)胞內(nèi)的水分子產(chǎn)生的活性氧自由基（羥基自由基、單線態(tài)氧等）造成的損傷為間接損傷。電離輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生活性自由基的同時也會產(chǎn)生毒性物質(zhì)，如過氧化氫等，產(chǎn)生的這些自由基都會造成大分子物質(zhì)（DNA、蛋白質(zhì)和磷脂等）的損傷。特別是對DNA的損傷嚴(yán)重，包括單鏈和雙鏈DNA的斷裂、結(jié)構(gòu)損傷和DNA-DNA，DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)，這些損傷都會限制損傷位點的復(fù)制。同時，輻射會造成旁觀效應(yīng)，受到輻射的細(xì)胞會將輻射信號傳到鄰近未受到輻射的細(xì)胞，或很多受輻射細(xì)胞將信號到給較遠(yuǎn)的未受輻射的細(xì)胞。這種旁觀效應(yīng)會增加或減少細(xì)胞中與應(yīng)激相關(guān)的蛋白酶含量、活性氧自由基含量，細(xì)胞死亡或細(xì)胞增殖，細(xì)胞分化，誘導(dǎo)突變，染色體畸變和染色體的不穩(wěn)定性[3-7]。因此，現(xiàn)在需要研究保護人體免受電離輻射損傷的輻射防護劑。

2 輻射防護劑的研究

早在1949年就已經(jīng)有關(guān)于防止電離輻射傷害的藥物的研究報道，現(xiàn)在研究還在繼續(xù)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多天然的化合物和合成/半合成的化學(xué)試劑，它們能有效的降低電離輻射產(chǎn)生的不良反應(yīng)[8]。但是，許多合成化學(xué)試劑如阿米斯汀，它是藥物前體，與膜結(jié)合的堿性磷酸鹽將硫酯鍵分開，產(chǎn)生自由的具有活性的硫氫基，生成具有活性的代謝產(chǎn)物是WR-1065；阿米斯汀已經(jīng)在臨床上得到應(yīng)用，可以保護正常的組織免受急性和長期的放射和化療治療引起的輻射損傷。與癌細(xì)胞相比，阿米斯汀對正常組織的輻射防護作用更有效。但是，因為它具有毒性和副作用，使得其在臨床上的應(yīng)用是有限的。而且這類輻射防護劑不能進行輻射后的損傷修復(fù)[9-11]。因此，尋找低毒有效的天然輻射防護劑成為近年來研究的熱點。

2.1 多酚

多酚廣泛存在于各種水果、蔬菜中，植物多酚以苯酚為基本骨架，以苯環(huán)的多羥基取代為特征，酚類化合物中的多元酚羥基可與自由基反應(yīng)，阻斷自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，具有很好的清除自由基的作用，是公認(rèn)的抗氧化劑[12]。最近研究發(fā)現(xiàn)，多酚類化合物也是很有效的輻射防護劑。

研究發(fā)現(xiàn)，山楂果實提取物可以降低γ-射線輻射引起的骨髓細(xì)胞基因毒性。在輻射（2Gy）前1h，腹腔注射200mg/kg山楂提取物，可以降低小鼠骨髓細(xì)胞中微核的產(chǎn)生，與輻射空白和100mg/kg阿米斯汀相比，微核產(chǎn)生率分別可以降低5.7倍和0.9倍[13]。山楂果實提取物也可以顯著降低γ-射線輻射后人體的外周血中淋巴細(xì)胞的數(shù)量和微核的數(shù)量，是輻射環(huán)境中淋巴細(xì)胞的保護劑[10]。這與山楂提取物中含有的綠原酸、表兒茶素和金絲桃苷等多酚化合物有關(guān)。

通過動物模型實驗發(fā)現(xiàn)，蜂膠多酚類物質(zhì)可以顯著降低γ-射線輻照后小鼠的致死率和白細(xì)胞中的DNA損傷，并能減輕放射性疾病的癥狀，而且提取物中的槲皮素具有顯著保護白細(xì)胞免受輻照損傷的作用，是無毒、有效的輻射防護劑，但是輻射防護機理需進一步研究[14-15]。

Londhe等[16]用小鼠的肝臟線粒體和pBR322質(zhì)粒DNA作為體外的模擬系統(tǒng)，首次發(fā)現(xiàn)苦味葉下珠分離純化得到的鞣花單寧具有抗輻射活性。這些化合物不僅可以清除自由基，降低氧化應(yīng)激，抑制輻射誘導(dǎo)引起的pBR322線粒體DNA單鏈的斷裂，還能抑制脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)氧化，是很有效的輻射防護劑。

研究還發(fā)現(xiàn)，芝麻酚、迷迭香多酚等都可以降低輻射引起的基因毒性，保護DNA免受輻射損傷[17-18]。

2.2 黃酮

黃酮類化合物具有兩個酚羥基的苯環(huán)（A與B環(huán)）通過中央三碳原子相互連結(jié)而成的一系列C6-C3-C6化合物，簡稱類黃酮，是酚類化合物中的一種[19]。

橙皮苷（HES），一種二氫黃酮糖苷，向小鼠腹腔膜內(nèi)注射80mg/kg橙皮苷45min后輻照（2Gy），發(fā)現(xiàn)HES可以降低小鼠骨髓細(xì)胞中多染性紅細(xì)胞微核（MnPCEs）的出現(xiàn)頻率，與空白輻射相比，總的MnPCEs少2.85倍。研究表明，橙皮苷能夠抑制輻射誘導(dǎo)的小鼠骨髓細(xì)胞的DNA損傷和人體外周血淋巴細(xì)胞的損傷[20-21]，具有很強的輻射防護作用。

沙棘是一種安全有效的輻射防護劑，與黃酮含量少的組分相比，其提取物中富含黃酮的組分具有更強的清除自由基和保護相比膜的能力，這可能與其組分中含有槲皮素、鼠李黃素和山奈酚有關(guān)[22]。

牡丹中的主要活性物質(zhì)芍藥甙對輻照的胸腺細(xì)胞的輻射具有防護功能，并已發(fā)現(xiàn)了防護機制。研究表明，用60Co-γ-射線輻射（4Gy）后，加入芍藥甙可以清除胸腺細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基，保護胸腺細(xì)胞免受輻射引起的損傷，并能降低絲裂原活化蛋白激酶的活性[23]。

2.3 花青素

花青素是以黃酮核為基礎(chǔ)的能呈現(xiàn)顏色的一類糖苷，是花色素（配體）與糖相結(jié)合形成的配糖體，花色素作為包素的發(fā)色團，具有類黃酮的典型結(jié)構(gòu)[24]。

蓮蓬丙酮-水提取物中的原花青素（LSPCs）對瑞士白化小鼠經(jīng)γ-射線輻射后具有輻射防護功能。LSPCs可以減少輻射引起的死亡率，有效地維持脾臟指數(shù)接近正常，能防止輻射對小鼠的脾臟和皮膚的傷害，減少輻射誘發(fā)的骨髓細(xì)胞中多染性紅細(xì)胞中的微核數(shù)，顯著降低對骨髓細(xì)胞染色體的損傷。而且原花青素緩釋片也有類似的功能。此外，用LSPCs（200mg/kg）預(yù)處理后可以明顯地降低輻射后小鼠肝臟中脂質(zhì)過氧化水平和提高內(nèi)源性抗氧化物酶的水平。因此，LSPCs可能具有很強的保護全身的輻射防護功能，可以作為輻射防護劑[25-26]。

從葡萄籽中提取的原花青素也具有類似的功能，不僅可以清除活性氧自由基還可以抗誘變，降低骨髓細(xì)胞中多染性紅細(xì)胞中的微核數(shù)[27]。

酚類化合物主要通過清除自由基，降低自由基引起的各種疾病的機率，減少細(xì)胞中微核的產(chǎn)生，來保護染色體和造血細(xì)胞免受輻射損傷從而降低輻射傷害。

2.4 多糖類化合物

多糖又稱多聚糖，是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，不僅為生物提供了骨架結(jié)構(gòu)和能量來源，還廣泛的參與了細(xì)胞各種生命現(xiàn)象及生理過程的調(diào)節(jié)。近年研究表明，多糖具有明顯的輻射防護作用[28]。

Kim等[28]發(fā)現(xiàn)人參酸性多糖（100mg/kg）對小鼠有輻射防護作用（5Gy），而且能明顯增加骨髓細(xì)胞的數(shù)量，提高骨髓細(xì)胞抵抗γ-射線輻照的能力，是一種很好的骨髓輻射防護劑。而且人參多糖還具有促進細(xì)胞有絲分裂的活性，增加小鼠的脾臟細(xì)胞，粒-巨噬細(xì)胞集落形成細(xì)胞（GM-CFC）和循環(huán)性中性白細(xì)胞，淋巴細(xì)胞和血小板的數(shù)量，是輻照后修復(fù)造血細(xì)胞所用時間減少的有效的物質(zhì)[29]。

圣羅勒屬和青牛膽屬植物中的兩種多糖都具有抗氧化活性，可以抑制輻射誘導(dǎo)的質(zhì)粒DNA的損傷，還可以清除大量的活性氧自由基（ROS），抑制黃嘌呤氧化酶，還可以阻止小鼠脾細(xì)胞經(jīng)γ-射線輻照后造成的細(xì)胞死亡[30]。

Pillai等[31]通過外周血淋巴細(xì)胞彗星實驗證明，靈芝多糖具有增強修復(fù)功能，可以在短時間內(nèi)修復(fù)輻射損傷的DNA。

目前研究表明，多糖的輻射防護作用主要是增加骨髓干細(xì)胞的再生和中性粒細(xì)胞與血小板的修復(fù)，保護造血系統(tǒng)，促進造血功能和機體免疫功能的恢復(fù)，降低輻射損傷。

2.5 激素類

褪黑激素廣泛存在于生物體內(nèi)，是松果體分泌的吲哚胺，它通過提供一個電子，表現(xiàn)出較強的清除自由基能力，許多研究表明，褪黑激素具有輻射防護作用[32]。

在輻射前用褪黑激素（10mg/kg）處理小鼠，可以顯著降低骨髓細(xì)胞微核的發(fā)生率，有效地保護細(xì)胞免受輻射損傷。大鼠腹腔注射100mg/kg褪黑激素可以顯著降低大腦脂質(zhì)過氧化程度和DNA損傷，保護大腦免受輻射誘導(dǎo)的氧化損傷。而50mg/kg褪黑激素，可以保護大鼠的肝臟免受輻射損傷[33-35]。

褪黑激素的輻射防護主要是對骨髓有核細(xì)胞、造血干細(xì)胞有防護作用，并促進他們的修復(fù)，也可能與其清除自由基的能力有關(guān)，但激素類對性器官有影響，長期多次使用，可能會引起女性月經(jīng)失調(diào)、男性睪丸萎縮等現(xiàn)象，在臨床上的應(yīng)用受到限制[36]。

2.6 其他

研究發(fā)現(xiàn)葉酸等一些營養(yǎng)物質(zhì)、甜菜堿、錦紫蘇等也具有輻射防護作用[37-39]，有些并沒有確定具體的發(fā)揮輻射防護作用的物質(zhì)，但是，在天然的植物中獲得輻射防護劑是現(xiàn)在研究的熱點。

3 輻射防護機制

輻射防護劑的防護機制并沒有十分的明確，推斷其主要的機制如下。

3.1 清除活性氧自由基

電離輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生活性自由基，如羥基自由基、單線態(tài)氧等，同時也會產(chǎn)生毒性物質(zhì)，過氧化氫等，產(chǎn)生的這些物質(zhì)都會造成大分子物質(zhì)（DNA、蛋白質(zhì)和磷脂等）的損傷。特別是對DNA的損傷嚴(yán)重。DNA的斷裂是電離輻射中致命的損傷，是輻射損傷細(xì)胞的靶點。同時，活性氧自由基在鄰近的化合物中吸收氫原子引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞毒性。超氧陰離子和羥基自由基可以介導(dǎo)基因穩(wěn)定性導(dǎo)致DNA損傷，致使細(xì)胞死亡。生理學(xué)研究，超氧化物與內(nèi)源性一氧化氮反應(yīng)形成過氧亞硝基（ONOO-），而ONOO-形成DNA加合物，引起-SH-變性[30，40]。

體外研究表明，大多輻射防護劑都具有清除活性氧自由基的活性，通過清除活性氧自由基，降低輻射毒性。

3.2 抑制脂質(zhì)過氧化

脂質(zhì)過氧化是輻射誘導(dǎo)的自由基產(chǎn)生的，會導(dǎo)致各種疾病。體內(nèi)脂質(zhì)過氧化會損傷細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，同時與蛋白質(zhì)和核酸等大分子反應(yīng)而影響細(xì)胞功能。輻射防護劑抑制脂質(zhì)過氧化的同時，保護細(xì)胞膜免受輻射損傷并降低氧化應(yīng)激[41-42]。但是并不是所以具有清除自由基的輻射防護劑都具有抑制脂質(zhì)過氧化作用的功能，如酵母甘露聚糖具有抗脂質(zhì)過氧化的活性卻沒有清除自由基的能力[43]。

3.3 增加抗氧化酶活性

研究表明，輻照后可能因為氧化應(yīng)激增加，導(dǎo)致肝臟和紅細(xì)胞中的抗氧化酶（SOD、CAT和GST）活性降低。內(nèi)源性抗氧化酶具有多種功能，如維持硫醇-二硫化物平衡，合成DNA前體和提供細(xì)胞內(nèi)的ATP。SOD通過歧化作用使超氧陰離子形成H2O2，再被CAT分解成羥基自由基。輻射改變了內(nèi)源性抗氧化物酶的結(jié)構(gòu)，使體內(nèi)的抗氧化物酶活性降低，因此，增加內(nèi)源性抗氧化酶的活性可以減少活性氧自由基的產(chǎn)生，進而降低輻射損傷[18，40]。

3.4 DNA損傷修復(fù)

輻射誘導(dǎo)DNA損傷后可能會暫時停止DNA復(fù)制過程而進行DNA修復(fù)，這涉及到DNA修復(fù)酶的協(xié)作，如DNA修復(fù)聚合酶和DNA連接酶。完整的酶系統(tǒng)可以有效地修復(fù)損傷的DNA，并維持基因組的完整和穩(wěn)定性。雖然輻射引起的DNA原發(fā)性損傷可以在幾分鐘到幾個小時內(nèi)修復(fù)，但是損傷的DNA經(jīng)常會不經(jīng)過酶系進行修復(fù)[34]。

輻射防護劑可以通過調(diào)節(jié)DNA修復(fù)基因降低電離輻射造成的DNA斷裂。在進行DNA復(fù)制或有絲分裂前，抑制G1和G2期，可以修復(fù)損傷的DNA。p53蛋白與G1和G2期相關(guān)，p53相對穩(wěn)定，可以通過轉(zhuǎn)錄傳遞其功能，激活多個目標(biāo)基因，暫時將細(xì)胞抑制在G1-S期，進行DNA修復(fù)，抑制增殖，末端分化或凋亡。電離輻射后引起p53和p21蛋白水平升高，輻射激活p53基因?qū)е戮幋aG1/S期細(xì)胞循環(huán)關(guān)鍵性激酶抑制因子的p21蛋白表達(dá)升高，抑制細(xì)胞循環(huán)。輻射防護劑可以抑制輻射引起的p53和p21水平升高，降低DNA損傷[44]。

3.5 其他

有些輻射防護劑是抑制DNA損傷，增加非蛋白的巰基基團，促進細(xì)胞的增殖和代謝循環(huán)達(dá)到輻射防護的作用[1，45]。不同的物質(zhì)的輻射防護機制不同，有些物質(zhì)的輻射防護機制是多種機制共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論與展望

輻射防護劑的研究和發(fā)展對放射治療的病人和暴露在輻射環(huán)境中的人員有很重要的作用。雖然已經(jīng)研究了很多具有輻射防護作用的物質(zhì)，但是還沒有一種藥物是批準(zhǔn)和認(rèn)可的用于治療輻射綜合癥。硫醇類化合物具有很強的輻射防護作用，研究人員還研究了與其相關(guān)的、更有效的物質(zhì)。阿米斯汀是唯一一個FDA承認(rèn)的可以治療輻射引起的口干燥癥[11]。在臨床中，輻射防護劑的細(xì)胞毒性和使用途徑限制了某些物質(zhì)的應(yīng)用。因此，需要研究其他適宜的使用方法來降低副作用。理想中的輻射防護劑具有多項特點，包括明顯的輻射防護作用，對大多數(shù)器官都具有保護作用，給藥途徑容易，低毒長效，與其他藥物相容，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。雖然最開始是要尋找低毒和高效的輻射防護劑，但是也要考慮其使用的難易程度。最近研究的大多是單一成分的抗輻射藥物，研究者應(yīng)該在已研究的基礎(chǔ)上，發(fā)揮各化合物的特點，篩選出低毒、有效的復(fù)合型輻射防護劑[46]。

輻射防護劑的防護機理并不是單一的，而是多種機制相互作用，共同降低輻射損傷?，F(xiàn)在輻射防護劑主要是選擇一種安全的，可以結(jié)合細(xì)胞因子受體，刺激一種或多種細(xì)胞因子的釋放，直接作用于造血干細(xì)胞增殖、再生的物質(zhì)和清除輻射引起的活性氧自由基的物質(zhì)。在植物中提取具有很強的清除自由基和促進骨髓細(xì)胞再生的天然的活性物質(zhì)可能是以后研究中理想的輻射防護劑。因此，在藥用植物和食品等天然物質(zhì)中，尋找高效、低毒的新型抗輻射藥物具有重要的意義。

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Study on radioprotective effect of natural compounds against ionizing radiation

WANG Li1，WANG Zhen-yu1，2，*，ZHANG Hao1，ZUO Li-li1
（1.School of Food Science and Engineering，Herbin Institute of Technology，Harbin 150090，China；2.School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150090，China）

TS201.2

A

1002-0306（2012）16-0372-05

2012－03－02 *通訊聯(lián)系人

王麗（1987-），女，碩士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物分離及功能研究。