全 旖,鄧 冰,周才潔,譚昭怡

(1.中國工程物理研究院核物理與化學研究所，四川 綿陽，621999；2. 江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心，放射醫(yī)學研究中心，江蘇 蘇州，215123)

0 引言

隨著輻射生物效應研究的不斷積累和對效應發(fā)生機制認識的不斷加深，(聯(lián)合國原子輻射影響科學委員會)UNSCEAR對低劑量、低劑量率照射的含義也在不斷更新。在UNSCEAR 2000年報告的附件G中，對低劑量和低劑量率的定義分別從微劑量學、離體實驗研究以及人類流行病學統(tǒng)計研究等方面進行了專項討論。報告中建議0.2 mGy作為微劑量學研究的低劑量，低于20 mGy的急性劑量定義為離體細胞實驗中的低劑量。根據(jù)流行病學研究結果認為，不管劑量率如何，把200 mGy以下的劑量作為低劑量[1]。

與中、高劑量導致的確定性效應相比，低劑量輻照誘導發(fā)生的生物效應是否增加不確定效應的發(fā)生幾率仍尚未有明確的答案，因而低劑量生物效應也成為輻射防護以及放射醫(yī)學一直關注的熱點?；谝延械暮吮掖嬲邤?shù)據(jù)建立的線性無閾值模型(LNT)表明在低劑量區(qū)域癌癥發(fā)生的幾率與劑量成線性相關趨勢。但已發(fā)現(xiàn)的低劑量生物效應，如低劑量興奮效應、適應性效應、超敏感性以及旁觀者效應，使得評估低劑量輻射危害的LNT模型受到挑戰(zhàn)[2-3]。

氚誘發(fā)的生物損傷主要是由其衰變產生的β射線所致，與生物分子結合形成的有機結合氚誘發(fā)生物體遠期效應。目前，建立低劑量氚內照射導致的生物危害性的評價體系仍需要大量、深入以及系統(tǒng)化的研究工作，從分子、細胞、組織以及器官等層面全面認識、了解氚在體內產生損傷后所導致的生物體生理機制變化，自下而上建立具有生物學基礎的危害評估模型。由于氚生物效應涉及的范圍廣泛，本文僅聚焦于近年來氚在細胞水平產生的生物效應及損傷機制研究進展。

1 低劑量氚照射細胞損傷效應

1.1 低劑量氚照射對離體細胞的損傷效應

氚的生物效應研究主要集中在有關氚的劑量估算、內照射致癌、遺傳效應、生殖效應等方面。由于近幾十年來分子生物學的興起，高速測序技術的發(fā)展，為進一步研究氚的輻射生物學效應的分子基礎提供了有效手段和途徑。

Tauchi等[4]利用基因剪切等手段將人體X染色體負責編碼的Hprt1基因轉染到Hprt1缺陷的倉鼠細胞中，由于人源的Hprt1基因在倉鼠細胞中具有不穩(wěn)定性，從而構建出易于發(fā)生突變的敏感性實驗體系(敏感性提升50倍左右)。在該實驗體系上開展的研究結果表明，HTO輻照劑量率在0.05～2.0 cGy/h范圍內，突變率并未發(fā)生重離子輻照所產生的反劑量率效應；而HTO輻照產生的突變類型與隨機突變相似。

Saintigny等[5]研究發(fā)現(xiàn)，XRCC4缺陷細胞對14C與3H標記的胸腺嘧啶都具有輻射敏感性，HR缺陷細胞卻只對3H標記的胸腺嘧啶輻射敏感。說明HR修復信號通路在低劑量氚照射后細胞損傷響應中起著重要作用。

邱俊等[6]研究了0～3.7×106Bq/mL氚水輻照24 h對原代培養(yǎng)的神經細胞遷移能力的影響。結果表明，隨著活度增加，神經細胞遷移距離減小，胞內游離鈣離子增加，并伴隨β-tubulin和NCAM表達水平下調。

利用理論模擬的方法分析低劑量氚內照射的微劑量分布，幫助更深入的認識、了解損傷發(fā)生后所導致的生物體功能性的變化。Chen等[7]利用微劑量模型計算比較了氚均勻與非均勻分布在細胞中所導致的受照劑量差異。與HTO在細胞中均勻分布的吸收劑量相比，OBT非均勻分布在輻射敏感生物靶的劑量是其均勻分布的1.7倍。Alloni等[8]也利用徑跡模型PARTRAC計算了氚分布在細胞不同區(qū)域內所致的受照劑量及其相應的DNA損傷，結果表明，當氚選擇性分布在細胞質，而未進入細胞核時，細胞核所受劑量是細胞平均受照劑量的15%，DNA雙鏈斷裂數(shù)目也隨劑量增加而成比例增加。結果進一步驗證DNA是電離輻射敏感靶，而在氚內照射中如何量化和評估與DNA結合生成的OBT所導致的受照劑量或是損傷程度可能是影響低劑量長期照射所致劑量以及健康危害評估的重要因素之一。

1.2 低劑量氚照射對活體動物細胞的損傷效應

1.2.1短期效應

王明明等[9]研究了大鼠受0～3.7×106Bq/mL氚水作用24 h后神經元細胞的凋亡、增殖抑制、超氧陰離子釋放、p53基因表達以及DNA斷裂損傷效應。結果發(fā)現(xiàn)，氚水活度高于3.7×104Bq/mL，凋亡顯著發(fā)生；隨著放射性活度的增加，凋亡率、增殖抑制率與p53的mRNA表達量均增加，DNA斷裂也隨之加重。

Yamamoto等[10]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在連續(xù)飲入0.15 TBq/L HTO所導致的劑量達到11 Gy時，造血細胞會有顯著的致死效應。

崔鳳梅等[11]研究了氚水處理后小鼠外周血白細胞總數(shù)和骨髓嗜多染紅細胞微核率的改變，結果發(fā)現(xiàn)，氚水初始注入量高于16.65×106Bq/g時，白細胞總數(shù)和髓嗜多染紅細胞微核率才有統(tǒng)計學意義的上升；微核率隨注入后時間延長而持續(xù)增加，伴有白細胞總數(shù)的持續(xù)下降，指標變化在第10天后恢復。說明外周血白細胞總數(shù)和髓嗜多染紅細胞微核率可作為氚水內照射的早期輻射損傷指標。

對于免疫系統(tǒng)的影響，Umata等[12]研究發(fā)現(xiàn)，給C57BL/6N小鼠單次注射HTO劑量達到3 Gy時，照后12 h觀察到的脾細胞凋亡率可達5.0%。

Smirnov等[13]分析了不同劑量率HTO內照射(劑量范圍為0.2～1 Gy)對小鼠淋巴系統(tǒng)的影響。結果顯示，T和B淋巴細胞前體的克隆形成率的降低與劑量率存在直接關聯(lián)，且免疫反應對于氚β射線照射十分敏感。

在對生殖系統(tǒng)的研究中，Satow等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當HTO活度超過0.34 MBq/g(相應劑量為77 mGy)時，便能有效殺傷未成熟的卵母細胞。Balonov等[15]研究表明，吸收劑量達8 Gy時，可見DNA雙鏈改變和單鏈DNA分子質量改變。當該損傷發(fā)生在哺乳動物生殖細胞中，往往導致其失去結成合子的能力，不能形成受精卵或使受精卵在著床前死亡，或使著床后的受精卵不能成活而導致胚胎早期死亡[16-17]。Zhou等[18]用D-M1中的多價體探討氚水誘發(fā)精原細胞染色體易位，結果發(fā)現(xiàn)，精原細胞易位的產物主要為D-M1中的鏈狀四價體。

在IAEA出版物里，將氚分在氣態(tài)低毒性核素組里，但應用H3-TdR(氚標胸腺嘧啶核苷酸)時，體內細胞的氚危害效應很容易觀察到。這些效應包括細胞死亡、變異、生長延緩和致癌作用[19-20],一般說來，當一次性注入大于1.0 μCi/g時，就能觀察到這些效應。對輻射敏感的精原細胞中很容易測出體內H3-TdR殺死細胞的作用。H3-TdR一次性注入引起的細胞死亡與60Co γ射線照射比較結果表明，給小鼠注入l μCi/g的H3-TdR產生的效應與大約5倍的60Coγ射線照射后的效應相似。氚對精原細胞的照射也誘發(fā)后代的顯性致死性突變，效率約為1%。即使H3-TdR的劑量對某一組織不產生可測的組織學變化，但是這樣的劑量仍能擾亂細胞的增生，延緩細胞的生長和改變組織的細胞組成。將2～10 μCi/g的H3-TdR一次性注入新生大鼠以后，二倍體的肝細胞的生長和分化出現(xiàn)明顯的紊亂，結果會造成肝細胞周期時間和倍體分類的持久改變。

王冰等[21-22]分析了不同活度氚標記的各類生物大分子(胸腺嘧啶、尿嘧啶、精氨酸以及谷氨酸)與小鼠胚胎共培養(yǎng)20 h后對其中樞神經系統(tǒng)的影響，結果發(fā)現(xiàn)，由于胸腺嘧啶與尿嘧啶是DNA合成原料，因此其生物學毒性顯著高于氚標記的精氨酸與谷氨酸。并估算了這幾種氚標記的生物分子導致50%細胞增殖受抑制的活度(ID50)，其中氚標記的胸腺嘧啶ID50值最低，僅為29 kBq/mL。Müller等[23]也發(fā)現(xiàn)用活度接近的氚標記精氨酸與氚標記胸腺嘧啶共培養(yǎng)小鼠胚胎，氚標記胸腺嘧啶導致的微核發(fā)生率等損傷指標高于精氨酸；且其導致的損傷效應是相同活度氚水的1 000～5 000倍。

1.2.2長期效應和致癌風險

低劑量輻照對人體健康的影響主要是其誘導發(fā)生的隨機性效應。癌癥發(fā)生率一直是關注熱點。

Seyama等[24]給雌鼠腹腔急性注射HTO(全身照射劑量約2.0～10.5 Gy)，以及相同劑量γ射線與中子輻照，結果發(fā)現(xiàn)輻照500天后觀察到的腫瘤發(fā)生率與輻照射線種類無關。而相較于HTO單次注射導致的7.9或是10.5 Gy照射，分次注射(每周一次，四次注射達到等同劑量)誘導發(fā)生的胸腺淋巴癌的潛伏期更短，終身淋巴瘤發(fā)病率顯著提升。

Yamamoto等[25]研究給雌鼠連續(xù)口服HTO(所致軟組織劑量約為0.01～0.24 Gy/d)后的致瘤效應，結果發(fā)現(xiàn)，0.01 Gy/d劑量率誘發(fā)終身腫瘤發(fā)生率可高達83%。高劑量率會加速大多數(shù)腫瘤的生長從而導致小鼠壽命的縮短。其中高劑量率(0.096～0.24 Gy/d)導致小鼠死亡的主要原因是誘導產生的胸腺淋巴癌。該作者后續(xù)開展了更低劑量率的相關實驗，結果發(fā)現(xiàn)劑量率高于0.0036 Gy/d時腫瘤發(fā)生的潛伏期縮短，從而降低了小鼠的壽命[26]，而更低劑量率照射下未見腫瘤發(fā)生率有顯著性的變化。

Yin等[27]分別給每只小鼠腹腔注射0.23、0.92、3.70 MBq HTO，觀察14月后的腫瘤發(fā)病率。結果表明，雄鼠組中肝癌發(fā)病率顯著增加，而雌鼠組中只有卵巢癌發(fā)病率輕微上調，無統(tǒng)計學意義。

Johnson等[28]利用小鼠實驗分析了氚水誘發(fā)骨髓白血病發(fā)生的劑量規(guī)律，結果顯示，劑量增加至3 Gy時，發(fā)病率從0.13%增至6%～8%。Daher[29]將N5雄鼠長期(>30 d)暴露于HTO，發(fā)現(xiàn)劑量大于1.5 Gy時其后代的白血病發(fā)病率顯著升高。Irushima等[30]研究結果發(fā)現(xiàn)，HTO照射導致急、慢性髓細胞白血病染色體數(shù)量和結構的改變。

2 氚的非電離生物效應

氚衰變過程中3He原子伴隨β射線產生，其化學性質與氫原子存在差異，因此若衰變發(fā)生在OBT中，伴生的氦原子獲得一定的反沖動能，對生物分子的功能存在影響。

Kacena等[31]研究發(fā)現(xiàn)，衰變過程中氦原子獲得的反沖動能約為3 eV，該能量不足以使DNA分子發(fā)生電離，但氦原子有可能從生物分子上脫離。Myers和Johnson指出氦原子對氚生物效應的影響依賴于發(fā)生衰變的氚在DNA核苷酸的位置[32-33]。Seyama等[24]發(fā)現(xiàn)在果蠅以及酵母體系中最顯著的遺傳突變效應是由胞嘧啶-5位置的氚衰變導致。氚衰變產氦的效應導致的遺傳突變率是β射線的3～400倍[34]，但Myers和Johnson在其綜述評論文章中認為，由于該效應在哺乳動物中產生的突變率較低(< 5%)，因此不易被檢測到。

由于生物大分子一般具有多級結構，如蛋白質分子折疊形成的三級結構會導致部分結合產生的OBT被包裹在結構內部，將這部分結合的OBT稱為“buried tritium”[35]不易被交換。另一方面,分子與水之間的氫鍵作用強于氚與有機分子之間的作用，從而導致生物膜表面結合大量的氚。在大部分生物分子中，該效應導致的氚富集程度約為1.4倍。但是在DNA分子中，每個脫氧核苷酸外的水分子層包含11個分子且不易被離子穿透，與水分子間的氫鍵作用導致的氚富集程度大約為2倍。因此，與包裹在DNA分子外的水分子層結合的氚產生的β射線是DNA損傷發(fā)生的主要原因。可能是低活度氚水作用后，雖然細胞吸收劑量很低但仍具有較高的相對生物效應值(如微核發(fā)生率與染色體畸變率)的原因。

3 結語

隨著核技術的廣泛應用，尤其以核聚變技術為代表的核能發(fā)展，使得氚安全與危害的評估越來越重要。雖然已有的研究在氚致畸、遺傳等生物效應中取得了很大成果，對氚的物理特性以及化學特性產生的毒理有了深入了解，但是仍有很多問題尚未解決，如氚水生物學毒性對生物體生理機制的改變，如DNA損傷修復、細胞周期、凋亡以及增殖信號通路變化等，以及職業(yè)照射中OBT在長期低劑量效應中所起的作用等。目前，由于基于人體數(shù)據(jù)的流行病學數(shù)據(jù)相對匱乏，所以利用動物實驗以及離體細胞實驗進一步探討氚水長期生物學效應機制的研究具有一定的必要性，也具有重要的意義。