馮亞輝,涂文玲,余道江,張舒羽

(1.成都醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院 核工業(yè)四一六醫(yī)院,成都 610051;2.國家衛(wèi)健委核技術醫(yī)學轉化重點實驗室,綿陽 621000)

核技術在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通訊、交通、環(huán)保和資源開發(fā)等各個領域都有著廣泛的應用,而在核醫(yī)學診斷、治療和生命科學研究等多個方面也都發(fā)揮著重要作用[1-4]。當用于治療,尤其是在治療癌癥時,利用電離輻射的主要目標是盡可能精準地照射腫瘤細胞,同時確保健康組織吸收劑量盡可能低。為了實現(xiàn)這一目標,準確判定電離輻射與生物物質(zhì)相互作用的效應至關重要,了解與總結放射生物學效應對高效、安全利用核技術具有重要的指導作用。

放射治療(radiotherapy,以下簡稱為放療)廣泛地應用于臨床惡性腫瘤的治療中。放射治療始于19世紀末,到現(xiàn)在已有一百多年的歷史。1896年,在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線6個月后,Despeignes在里昂首次利用X射線對癌癥患者進行了實驗治療,1898年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳后,也很快被許多學者用于腫瘤的內(nèi)照射治療[5]。如今,放療已經(jīng)是惡性腫瘤臨床治療的三大手段(手術、放療、化療)之一,它是利用各種不同種類射線的電離輻射作用殺死癌細胞而治療腫瘤的無創(chuàng)、局部治療方式[6]。用于放療的射線由放射性同位素或放療設備產(chǎn)生,各種不同種類的放療設備可產(chǎn)生包括γ射線、X射線、電子束、質(zhì)子束、中子束、π-介子束、重粒子束等不同種類的射線[7-8]。隨著放療經(jīng)驗的積累和放療設備的不斷改進,目前放療能夠用于治療絕大部分類型的腫瘤,超過50%的腫瘤患者在治療過程中需要接受至少一次放療,腫瘤的放療使得超過50%的腫瘤患者癥狀得到緩解或治愈[9-10]。因此,深入了解放療的基本原理對有效利用各種射線的電離輻射具有重要意義。

1 臨床放療的發(fā)展

腫瘤臨床放療的發(fā)展與放射物理學和放射生物學的發(fā)展密切相關,放射生物學的研究通過揭示放療中各種射線與機體發(fā)生物理反應和生物效應的關系來推動放療技術的不斷進步。傳能線密度(linear energy transfer, LET)與相對生物學效應(relative biological effectiveness, RBE)是放射物理學和放射生物學中決定腫瘤放療效果的重要因素。LET是指電離輻射粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量,X射線、γ射線和中子雖不是直接電離輻射粒子,但它們在與物質(zhì)發(fā)生相互作用后會產(chǎn)生次級帶電粒子,因此LET的概念同樣適用[11]。RBE是一個相對的概念,最開始以最先被發(fā)現(xiàn)的X射線的生物效應為基準,后來建議采用γ射線為標準,因此RBE通常被定義為X射線或γ射線引起某一生物效應所需吸收劑量與所觀察的電離輻射引起相同生物效應所需吸收劑量的比值,即為該種電離輻射的相對生物效應[12]。RBE與LET通常呈現(xiàn)正相關關系,在吸收劑量相等的情況下,不同種類的電離輻射所產(chǎn)生的生物效應不同,通常高LET射線的生物效應大于低LET的生物效應。腫瘤放療中常用的X射線、γ射線和電子束等都為低LET射線,而質(zhì)子、重離子、中子、α粒子等射線的LET相對較高,因此相同條件下高LET粒子所造成的放射生物學效應比較強。對腫瘤臨床放療來說,放射物理學和生物學研究結果最終應服務于臨床放療,提高腫瘤放療的療效。

在過去的一個世紀里,放療技術的不斷進步為臨床的放療實踐提供了強大的動力,而且逐漸改變著腫瘤臨床治療的指南。上世紀五六十年代廣泛使用的放療設備60Co治療機現(xiàn)已逐步退役并被直線加速器取代[13]。加速器能夠通過電磁場將帶電粒子加速直接得到電子束、質(zhì)子束或重離子束,由被加速的粒子轟擊不同的靶材又會產(chǎn)生X射線、中子束、γ射線、π介子等多種類型的粒子束。多種基于高LET粒子的新療法正在用于癌癥治療[14-17]。比如具有高LET特性的質(zhì)子和重離子,其射線的能量沉積在射程末端急劇升高,形成尖銳的布拉格(Bragg)峰,這些獨特的物理性質(zhì)使其能量能夠在射程末端的腫瘤部位大量沉積,引發(fā)較高的RBE,已經(jīng)逐漸被用于腫瘤的臨床放療中[18-19]。在放療的過程中,不可避免地會對正常的組織進行照射,這會對正常的組織產(chǎn)生各種不良反應。近年來,三維適形放療(three-dimensional conformal radiation therapy, 3D-CRT)技術和調(diào)強適形放療(intensity modulated radiationtherapy, IMRT)技術的快速發(fā)展為有效降低放療對正常組織的輻射損傷做出了重要的貢獻[20]。立體定向放射治療技術(stereotactic body radiation therapy, SBRT)則利用每次高劑量的放療,通過少數(shù)幾次分割照射即能達到根治性劑量,消滅腫瘤,SBRT在多種早期腫瘤的治療中取得很好的療效[21]。這些不同種類放療技術的快速發(fā)展為滿足復雜的腫瘤治療需求提供了無限可能。

總之,腫瘤臨床放療的發(fā)展離不開放射物理學和放射生物學的研究與發(fā)展。鑒于高LET粒子具有的高RBE放射生物學特性,它們的廣泛應用可能將臨床放療從常規(guī)輻射帶入到粒子輻射的時代。隨著放療技術和計算機技術的不斷發(fā)展,臨床放療必將向精細化和個體化發(fā)展,腫瘤放療的控制效率和并發(fā)癥的發(fā)生問題都將大大改善。

2 電離輻射與DNA損傷反應

腫瘤臨床放療的發(fā)展離不開腫瘤放射生物學的深入研究,準確判斷電離輻射與生物物質(zhì)相互作用的效應,明確電離輻射所產(chǎn)生的生物學效應對提高腫瘤放療療效至關重要。腫瘤放療的目的是阻止腫瘤細胞增殖并誘導腫瘤細胞死亡,但是放療通常不會立即殺死細胞,腫瘤細胞死亡可能在放療后持續(xù)幾天甚至幾個月[22-23]。當電離輻射入射到人體組織或器官時,它可以直接作用于人體組織或器官的細胞分子,損傷DNA,它還能電離細胞內(nèi)的水產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species, ROS)造成間接的DNA損傷[24-25]。由于腫瘤細胞的高復制率和DNA損傷反應(DNA damage response, DDR)途徑的缺陷,腫瘤細胞比正常細胞更容易受到電離輻射的影響[26-27]。電離輻射誘導的DNA損傷示意圖示于圖1。DNA是電離輻射作用最主要的靶分子,暴露于電離輻射中的細胞,其基因組DNA能被射線直接或間接破壞而產(chǎn)生損傷,產(chǎn)生單鏈斷裂(single strand breaks, SSBs)、雙鏈斷裂(double strand breaks, DSBs)和DNA簇損傷(clustered DNA Lesions, CLs)[28-30]。細胞可以通過DDR對基因組DNA中的損傷做出反應,特別是DSBs,這種反應是在DNA損傷的幾分鐘內(nèi)通過復雜的DDR網(wǎng)絡對受損DNA進行反應而啟動[31]。DNA受到輻射損傷后,能夠通過非同源末端連接(non-homologous End Joining, NHEJ)或同源重組(Homologous Recombination, HR)等途徑進行自我修復,而錯誤的修復會造成雙著絲粒、無著絲粒、染色體易位、著絲粒環(huán)、染色體斷片等染色體畸變[32]。DNA損傷是電離輻射造成一系列細胞和組織反應的最主要和內(nèi)在的因素,DDR信號通路是輻射暴露后影響細胞周期和細胞命運(死亡或存活)最關鍵的操縱因素[25,31-33]。

圖1 電離輻射誘導的DNA損傷示意圖[28-30]Fig.1 Schematic diagram of DNA damage induced by ionizing radiation[28-30]

放療通常不可避免會讓癌細胞對輻射暴露產(chǎn)生抗性,放療抵抗(radiotherapy resistance, RR)是腫瘤放療過程中面臨的最大挑戰(zhàn),會直接導致抗腫瘤治療效果明顯降低[34-35]。在腫瘤發(fā)生放療抵抗的過程中,腫瘤組織中一定比例的細胞不僅獲得更高的放療抵抗性,而且還會變得更具侵襲性,極容易發(fā)生淋巴結和遠處轉移[36]。放療抵抗的發(fā)生與許多因素有關,包括腫瘤微環(huán)境、免疫系統(tǒng)、腸道菌群、營養(yǎng)狀況和心理狀況等[31,37-39]。然而,DNA損傷和修復還是最主要和內(nèi)在的因素,是調(diào)控癌細胞周期停滯和細胞命運(死亡或存活)最關鍵的因素[25,31]。由此可見,電離輻射對癌細胞的殺傷能力主要取決于輻射誘導的DNA損傷的程度,腫瘤細胞的DNA損傷反應和腫瘤細胞修復DNA損傷的能力是決定癌細胞結局的關鍵。

在過去幾十年中,通過DNA損傷途徑增強腫瘤對電離輻射的反應一直是放射生物學研究中的焦點問題。不同LET的射線沉積于腫瘤細胞DNA分子中能量的差異是導致其不同生物學效應最主要的因素。低LET射線如X射線和γ射線輻照后腫瘤細胞可能只會發(fā)生少量的DNA損傷,如堿基和核糖損傷、交聯(lián)、單鏈斷裂和雙鏈斷裂等,這些損傷可能會被短時間內(nèi)快速修復[40-41]。一些高LET射線如質(zhì)子、重離子等可能會更多地誘導腫瘤細胞DNA發(fā)生大量的成簇損傷,大量的成簇DNA損傷的發(fā)生在隨后可能將產(chǎn)生更高的染色體重排和致死風險,這也是高LET射線具有更高相對生物效應的主要原因[42-44]。一旦形成復雜的DNA損傷,修復就會進行的非常緩慢,損傷的積累會造成染色體異常,染色體的異常會導致細胞死亡或有絲分裂延遲。

3 電離輻射導致的細胞結局

電離輻射作用于機體后,除了會導致DNA的損傷以外,在分子水平上,輻射產(chǎn)生的自由基也會損害脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等其他生物大分子,這些分子學上的改變可能會進一步導致細胞器的損傷,這些分子和細胞器的損傷會激活細胞穩(wěn)態(tài)的應激反應,比如DNA損傷反應、未折疊蛋白反應和自噬等[45-46]。當電離輻射誘導的這些損傷有限時,這些過程可能能夠確保受輻射細胞的存活,使它們重新進入細胞周期,但是當損傷不能通過修復機制解決時,細胞應激的分子機制從細胞保護模式轉變?yōu)榧毎种苹蚣毎拘阅Ｊ?。因?不同劑量、不同種類的電離輻射作用于不同細胞可能會造成細胞發(fā)生調(diào)節(jié)性細胞死亡(凋亡、壞死、焦亡、鐵死亡等)或細胞應激反應(有絲分裂災難、自噬、衰老等),圖2顯示了放射治療在腫瘤細胞中誘導的不同的細胞命運[26,47-49]。

圖2 放射治療在腫瘤細胞中誘導不同的細胞命運[26,47-49]Fig.2 Radiation therapy induces different cell fates in tumor cells[26,47-49]

3.1 細胞凋亡

細胞凋亡(apoptosis)是由Kerr等[50]在1972年首次提出。凋亡是一種基因調(diào)控的、能量依賴的、主動的、程序性的細胞死亡過程,伴隨著細胞體積收縮、固縮和凋亡小體的形成,最終以吞噬周圍細胞而結束[51]。由于凋亡的存在,質(zhì)膜的代謝活性和完整性在一定程度上得以保持,而不會引起細胞周圍的炎癥。凋亡的啟動主要由內(nèi)源性和外源性兩種不同的途徑激活,兩者最終都通過激活執(zhí)行途徑完成凋亡。內(nèi)源性凋亡是一種由細胞內(nèi)或細胞外微環(huán)境的擾動引發(fā)的細胞死亡,以線粒體外膜透化為特征,最終由胱天蛋白酶(Caspases,主要是Caspases-3)執(zhí)行,外源性凋亡通過質(zhì)膜受體檢測細胞外微環(huán)境的擾動而啟動,并通過胱天蛋白酶-8(Caspases-8)介導的機制激活最終的執(zhí)行途徑[52]。

在電離輻射后,細胞凋亡的啟動涉及這兩種激活途徑。電離輻射可以激活細胞內(nèi)促凋亡和抗凋亡的B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)家族成員如BCL2相關凋亡調(diào)節(jié)因子X(BCL2 associated X, Bax)和BCL2拮抗因子(BCL2 antagonist/killer, Bak)改變線粒體膜的通透性,增加并釋放促凋亡因子到細胞質(zhì)中,從而觸發(fā)一系列凋亡級聯(lián)反應[53]。外源性途徑由死亡配體-受體特異性結合介導形成構建體,死亡配體-受體結合形成死亡誘導信號復合物(death-inducing signaling complex, DISC),激活Caspases-8并進一步激活Caspases-3、Caspases-6和Caspases-7[54]。盡管不同的細胞類型具有不同的輻射敏感性,但輻射后細胞死亡的模式通常是劑量依賴性,低劑量傾向于誘導細胞凋亡,高劑量更傾向于誘導細胞壞死[26]。

3.2 細胞壞死

細胞壞死(necroptosis)的發(fā)生與細胞膜上死亡受體的激活有關,激活的死亡受體可以激活細胞中的受體相互作用蛋白激酶-1(eceptor-interacting protein kinase-1, RIPK1),進一步招募細胞內(nèi)受體相互作用蛋白激酶-3(receptor-interacting protein kinase-3, RIPK3)形成壞死復合物,隨后激活RIPK3,活化的RIPK3可以磷酸化混合譜系激酶結構域樣假激酶(mixed lineage kinase domain-like pseudokinase, MLKL),其與緊密連接蛋白共運輸至細胞外周,并穩(wěn)定地結合在質(zhì)膜上以觸發(fā)細胞壞死[55]。壞死細胞膜通透性的增加會引起細胞腫脹、細胞器變形,并最終破裂,從而釋放促炎物質(zhì),壞死細胞中的ATP水平降低,以至于細胞的生理活性無法維持,染色質(zhì)在壞死過程中隨機降解為不同大小的DNA片段[55]。

眾多的研究表明,放射治療可以通過誘導腫瘤細胞壞死來抑制腫瘤的發(fā)展。在放療后死亡的腫瘤細胞中,各種壞死相關蛋白,尤其是MLKL的水平顯著上調(diào)[56-57]。同樣,在放射治療前用壞死性凋亡抑制劑對腫瘤細胞進行預處理,與未經(jīng)預處理的直接放射治療相比,導致明顯更少的死亡細胞,這證實了放射治療可以誘導腫瘤細胞壞死性凋亡[56]。然而,放療誘導的細胞壞死機制仍有待探討。近期研究表明,放療誘導的腫瘤細胞壞死與細胞內(nèi)左手螺旋DNA(Z-DNA)結合蛋白1(Z-DNA binding protein 1, ZBP1)表達的上調(diào)有關[58]。ZBP1是一種核酸傳感器,介導宿主對某些病毒的防御,細胞內(nèi)ZBP1檢測到病毒產(chǎn)生的RNA,激活RIPK1和MLKL,引發(fā)壞死性凋亡[59]。Yang等[58]的報道表明,放射治療能夠上調(diào)腫瘤細胞中ZBP1的表達,激活RIPK1/RIPK3/MLKL信號通路,從而誘導腫瘤細胞凋亡。此外,放療誘導的腫瘤細胞壞死可能與細胞內(nèi)線粒體ROS水平上調(diào)有關,有研究表明,增加腫瘤細胞中線粒體ROS水平可以通過RIPK1/RIPK3信號誘導壞死性凋亡[60]。然而,有關輻射誘導的壞死和細胞內(nèi)線粒體活性氧水平增加之間的聯(lián)系尚不完全清楚,有待進一步的研究探索。

3.3 細胞自噬

自噬(autophagy)是溶酶體介導的細胞降解的一種途徑,是一種分解代謝過程,可回收細胞內(nèi)成分以維持新陳代謝和存活[61]。磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B, AKT)-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1, mTORC1)通路在調(diào)節(jié)自噬中發(fā)揮著重要作用[61]。自噬的機制是細胞在應激狀態(tài)下對有害外界刺激的適應,當細胞面臨特定的病理生理或強刺激(如高劑量輻射暴露)時,有利于細胞的存活,然而,過度的自噬會引發(fā)細胞死亡。自噬對癌癥發(fā)展的影響復雜且矛盾,癌癥中的自噬已既有可能是腫瘤抑制因子也有可能是腫瘤促進因子[61]。

放療可誘導腫瘤細胞發(fā)生保護性自噬和自噬性細胞死亡,p53、p73等基因在這一過程中起著重要作用[62]。放療可以通過直接和間接的方式造成DNA損傷,同時會產(chǎn)生大量的ROS,ROS可以誘導細胞發(fā)生保護性自噬,活化的保護性自噬可以清除受損的線粒體,降低細胞氧化應激,提高腫瘤細胞對輻射的抵抗力[24]。Mo等[63]的研究發(fā)現(xiàn),Rad51表達降低可抑制鼻咽癌細胞自噬,增加放射敏感性,Wang等[64]發(fā)現(xiàn)SMAD4基因突變可通過促進自噬增加胰腺癌的放療抵抗。另一方面,電離輻射后腫瘤細胞的自我更新能力被破壞,細胞有絲分裂受阻,這可能會刺激細胞發(fā)生過度自噬,導致自噬細胞死亡[24]。Djuzenova等[64]發(fā)現(xiàn)抑制PI3K-AKT-mTORC1通路并誘導自噬后,膠質(zhì)母細胞瘤的放射敏感性增加。Palumbo等[65]的研究發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)母細胞瘤細胞系T98G在用電離輻射與替莫唑胺組合治療后表現(xiàn)出高放射敏感性,這與自噬的激活有關,在抑制自噬后,T98G細胞的放射敏感性下降,表明放療可以通過自噬性細胞死亡發(fā)揮抗癌作用,用雷帕霉素誘導自噬后,T98G的放射敏感性也增強。放療后腫瘤細胞會發(fā)生不同形式的自噬,自噬激活的強度和自噬的靶點是影響放療后腫瘤細胞命運的關鍵因素,深入了解不同形式的自噬可能是未來腫瘤個性化治療的重要依據(jù)。

3.4 細胞焦亡

細胞焦亡(pyroposis)是一種嚴重依賴焦孔素(gasdermin, GSDM)蛋白家族成員的程序性細胞死亡形式[66]。GSDM家族成員具有兩個特征保守結構域:N-末端成孔結構域(N-terminal pore-forming domain, N-PFD)和C-末端抑制結構域(C-terminal repression domain, C-RD),在生理條件下,C-RD與N-PFD相互作用并抑制N-PFD活性,當細胞受到刺激時,該結構可以被Caspase依賴性或非依賴性途徑切割,并釋放細胞毒性N-PFD,N-PFD在膜中寡聚并形成膜孔,會導致炎癥介質(zhì)人白細胞介素1β(Interleukin-1β, IL-1β)和人白細胞介素18(Interleukin-18, IL-18)的釋放和焦亡的發(fā)生[66]。

放射治療可以誘導腫瘤細胞發(fā)生焦亡。Liu等[67]的研究發(fā)現(xiàn),在10 Gy和20 Gy照射下,骨髓源性巨噬細胞中Caspase-1的活性和焦亡比例增加。Zhang等[68]的研究發(fā)現(xiàn),肺腺癌的放療可誘導腫瘤細胞焦亡而發(fā)揮抗腫瘤作用,放療破壞了腫瘤細胞DNA,激活了黑素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2, AIM2),并隨后誘導了Caspase-1/焦孔素D(gasdermin D, GSDMD)途徑介導的焦亡,并明顯抑制了腫瘤的生長。GSDMs可被多種細胞凋亡相關的半胱天冬酶切割,并在從細胞凋亡到焦亡的轉變中發(fā)揮作用[66]。Tan等[69]的研究發(fā)現(xiàn),結直腸癌對放療的耐藥性與GSDME的低表達有關,放療在GSDME上調(diào)后可通過Caspase-3/GSDME途徑誘導細胞死亡。這些研究表明,焦亡也是電離輻射誘導細胞死亡的一種重要形式,但是哪種細胞更容易被誘導尚不清楚,需要進一步的研究與探索。

3.5 鐵死亡

鐵死亡(ferroptosis)是一種新型細胞死亡模式,其發(fā)生依賴于鐵,表現(xiàn)為脂質(zhì)過氧化積累并最終導致細胞的死亡,鐵死亡的發(fā)生主要由谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)調(diào)控,由氧化應激觸發(fā),并可被鐵螯合劑和親脂性抗氧化劑所抑制[70]。最近它被認為是腫瘤抑制的重要機制,鐵死亡的過程獨立于傳統(tǒng)的凋亡、壞死等細胞死亡機制,形態(tài)學上主要表現(xiàn)為線粒體的改變,包括皺縮、高電子密度的超微結構、嵴減少或消失等[70]。鐵死亡的發(fā)生與活性氧積累和鐵依賴性脂質(zhì)過氧化密切相關,在細胞內(nèi),不穩(wěn)定的游離鐵可以通過芬頓反應產(chǎn)生羥基自由基(hydroxyl radical, ·OH),促進脂質(zhì)過氧化,鐵也作為促進脂質(zhì)氧化的酶中的輔因子促進鐵死亡[70]。

自Lang等[71]首次報道放射治療可誘導腫瘤細胞鐵死亡后,越來越多的研究證實電離輻射誘導的細胞死亡中有著鐵死亡的存在[26,72-73]。放療殺死的腫瘤細胞中觀察到多種與鐵死亡相關的形態(tài)學特征,包括肺、乳腺、食管、卵巢、腎細胞癌、纖維肉瘤和黑色素瘤的細胞[49]。此外,通過放射療法殺死的腫瘤細胞表現(xiàn)出與鐵死亡相關的分子特征,例如腫瘤細胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化標記物水平,如丙二醛和4-羥基壬烯醛(4-hydroxynonenal, 4-HNE)和鐵死亡標記物基因,如前列腺素內(nèi)過氧化物合酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2, PTGS2)和酰基輔酶a合成酶長鏈家族成員4(acyl-CoA synthetase long-chain 4, ACSL4)的上調(diào)[72-73]。同樣,鐵死亡抑制劑或鐵螯合劑去鐵胺(deferoxamine, DFO)可以減輕輻射誘導的腫瘤細胞的損傷并恢復細胞存活,進一步證實了放療誘導的腫瘤細胞死亡中有鐵死亡的發(fā)生[72]。也有研究表明,電離輻射能夠通過抑制溶質(zhì)載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)對胱氨酸的攝取來促進鐵死亡,導致癌細胞中脂質(zhì)過氧化的發(fā)生,而這種脂質(zhì)過氧化可被干擾素γ((interferon γ, IFN-γ)進一步加劇[71]。放療過程中ROS的增加可誘導激活核因子-紅細胞2相關因子2(nuclear factor erythroid-2 related factor 2, Nrf2)-血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1, HO-1)途徑[74]。Nrf2-HO-1通路在鐵死亡中可能發(fā)揮著相反的作用。Feng等[75]的研究發(fā)現(xiàn)Nrf2可激活SLC7A11抑制缺鐵性貧血,并降低食管鱗狀細胞癌的放射敏感性,有研究卻發(fā)現(xiàn),激活的Nrf2-HO-1通路可以提高Fe2+水平并誘導結直腸癌癌癥細胞的鐵死亡[76]。可見,鐵死亡也是輻射誘導細胞死亡的一種重要方式。

3.6 有絲分裂災難

有絲分裂災難(mitotic catastrophe, MC)通常是指由于物理或化學因素導致過早或不適當進入分裂階段的一系列事件,這些因素在輻射誘導的細胞死亡中起著特定作用[77]。導致這種有絲分裂災難的因素包括廣泛的DNA損傷、有絲分裂機制的功能障礙、微管的異常穩(wěn)定性和周期檢查點缺陷等。誘導致命有絲分裂災難的主要途徑有兩種:第一種是p53基因的下調(diào)導致G2或M期檢查點的抑制,使DNA損傷無法修復;第二種是中心體超擴增,過度膨脹的中心體會導致多極分裂、異常染色體分離和細胞核異常(巨核、雙核或多核等)[77]。當有絲分裂災難發(fā)生時,細胞在短暫的G2停滯后繼續(xù)有絲分裂,然后多個有絲分裂檢查點蛋白的表達增加,并促進有絲分裂延遲或停滯,在此期間,延遲凋亡可能在中期被激活[77]。有研究表明,Caspase-2在有絲分裂災難后的延遲凋亡中起著關鍵作用[78]。然而,一般來說,細胞不會在分裂中期死亡,因為它們可以適應有絲分裂檢查點,細胞繼續(xù)經(jīng)歷一個或多個細胞周期,并獲得越來越多的染色體畸變,成為非整倍體或多倍體,最終,這些細胞由于延遲凋亡、壞死或進入細胞衰老而死亡[79]。

在放射治療后,可以觀察到由于有絲分裂災難引起的細胞死亡[26,47]。腫瘤細胞在放療誘導的DNA損傷后很容易經(jīng)歷有絲分裂災難,Fragkos等[80]發(fā)現(xiàn)p53基因失活后,放療既不激活p21基因也不抑制細胞周期蛋白依賴性激酶1(cyclin-dependent kinase 1, CDK 1)-細胞周期蛋白A(cyclin A)復合物,導致G2或M檢查點失活和過早進入有絲分裂。p53基因對DNA修復也很重要,過早進入有絲分裂的細胞將攜帶未修復的DNA損傷,促進有絲分裂災難的發(fā)生[47]。有報道表明,放療誘導的有絲分裂災難后的延遲死亡通常發(fā)生在放療后2～6 d[81]。Cheng等[82]的研究發(fā)現(xiàn)B12536聯(lián)合2 Gy放療在體外和體內(nèi)均可誘導口腔癌細胞有絲分裂災難性死亡而增加放療敏感性。而Gordon等[83]也發(fā)現(xiàn)LB100聯(lián)合放療能夠通過抑制蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)增強膠質(zhì)母細胞瘤中輻射誘導的有絲分裂災難而增加其放射敏感性。

3.7 細胞衰老

Hayflick和Moorhead在20世紀60年代早期首次報道了細胞衰老(senescence),細胞衰老表現(xiàn)為永久的增殖停滯,并伴隨著多種表型的變化[84]。細胞衰老涉及細胞周期停滯和具有自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌活性的炎性細胞因子釋放,衰老細胞也表現(xiàn)出形態(tài)學改變,包括扁平的細胞體,細胞質(zhì)中的空泡化和粒度以及異常細胞器,已經(jīng)鑒定出幾種細胞衰老的生物標志物,包括衰老相關β半乳糖苷酶(senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal)、p16基因和p21基因等,但這些標志物都缺乏敏感性和組織特異性[85]。衰老相關表型的激活會進一步放大細胞增殖停滯的影響,并導致受損的組織再生、慢性年齡相關疾病(如癌癥、動脈粥樣硬化、骨關節(jié)炎和神經(jīng)退行性疾病)和機體衰老[86-87]。細胞衰老可能發(fā)生在受調(diào)控的不同生物過程中,如胚胎發(fā)育,也可由細胞損傷誘導,如DNA損傷、端?？s短或功能障礙、癌基因激活或腫瘤抑制功能喪失、表觀遺傳變化和細胞器損傷等[88]。衰老應激的主要原因是DNA損傷,它激活DDR和典型的p53-p21通路[89]。

細胞衰老也是放療過程中電離輻射誘導的一種常見的非致死性細胞結局。有研究表明,電離輻射損傷腫瘤細胞DNA后,活化的p53基因上調(diào)p21基因的表達,進而抑制CDK-cyclin復合物的表達,抑制CDK 1-cyclin A復合物會將細胞阻滯在G2或M期,抑制CDK 2-cyclin E/A復合物和CDK 4-cyclin D復合物可促進磷酸化視網(wǎng)膜母細胞瘤(phosphorylation retinoblastoma, pRB)的去磷酸化,并將細胞阻滯在G1或S期[90-91]。此外,電離輻射誘導的細胞內(nèi)ROS和蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)的升高也能增加p16的表達,抑制CDK-cyclin復合物并促進pRB去磷酸化,導致腫瘤細胞衰老[92]。細胞衰老在癌癥放療中起著雙重作用。一方面,由電離輻射誘導的細胞衰老可以抑制腫瘤細胞的增殖并激活癌癥免疫監(jiān)視[93-94]。另一方面,尤其是在放療的后期,衰老細胞的積聚可能對預后產(chǎn)生不利影響,因為衰老細胞分泌的細胞因子所形成的免疫微環(huán)境可能促進腫瘤復發(fā),一些癌癥在放療后的高復發(fā)率可能與衰老細胞的積累有關[90]。

4 總結與展望

核技術在醫(yī)學領域有著廣泛的應用,明確電離輻射所產(chǎn)生的生物學效應對安全高效利用核技術至關重要。電離輻射的直接或間接作用導致的DNA等分子的損失可能會進一步誘導細胞發(fā)生凋亡、壞死、焦亡、鐵死亡、有絲分裂災難、自噬、衰老等不同的生物學效應。在電離輻射的放療應用中,關于放射生物學效應的研究仍有很多問題值得探討,例如:(1) 隨著核技術的不斷發(fā)展與進步,新型醫(yī)療設備和放射性藥物作用于機體是否存在新的生物效應,不同類型的放射性核素誘導的細胞死亡方式是否相同;(2) 關于放射性藥物內(nèi)照射相關的生物學研究較少,在臨床放射性藥物的使用過程中,核素的化學毒性是否可以忽略,化學毒性與輻射毒性的疊加是否會產(chǎn)生新型的生物學效應亟待研究;(3) 電離輻射誘導的細胞死亡是否存在其他死亡方式如銅死亡、巨泡死亡、堿死亡、氧化死亡、網(wǎng)狀細胞死亡等尚待研究,此外,單純?nèi)ジ深A某一種死亡方式是否就能改變其輻射敏感性,或者干預其中一種死亡方式會不會影響其他類型的死亡,不同死亡方式之間是否存在著轉換的關系,這都需要進一步的研究和總結。