張睿鳳 張忠新 黨旭紅 段志凱
030006太原,中國(guó)輻射防護(hù)研究院放射醫(yī)學(xué)室
重離子生物效應(yīng)的研究進(jìn)展
張睿鳳 張忠新 黨旭紅 段志凱
030006太原,中國(guó)輻射防護(hù)研究院放射醫(yī)學(xué)室
重離子是一種具有特殊物理性質(zhì)的帶電離子,在射程末端可形成Bragg峰。與X射線、γ射線等低傳能線密度(LET)射線相比具有較高的相對(duì)生物效應(yīng)。筆者從細(xì)胞水平和分子水平簡(jiǎn)要介紹了重離子的輻射生物效應(yīng),以及與低LET射線的主要區(qū)別。
重離子;輻射生物效應(yīng);低傳能線密度射線
自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái),放射線就逐步被應(yīng)用到人體透視、攝影以及后期的腫瘤治療中。重離子由于具有能量沉積不均勻、射程末端存在Bragg峰、峰區(qū)可以導(dǎo)致較高相對(duì)生物效應(yīng)(relative biological effectiveness,RBE)等物理和生物學(xué)特性,使其在腫瘤放療方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-2]。與常規(guī)電離輻射及質(zhì)子束相比,重離子束Bragg峰的位置可以通過(guò)改變初始能量來(lái)實(shí)現(xiàn),從而使能量集中的Bragg峰區(qū)位于需治療的腫瘤組織內(nèi),而正常組織的劑量與能量達(dá)到盡可能低的水平。目前,采用PET還可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)照射束流的動(dòng)態(tài)[3],使放療更加精準(zhǔn)。因此,重離子被公認(rèn)為21世紀(jì)最理想的放療射線。
癌癥已經(jīng)成為威脅人類身體健康的三大殺手之一,世界各國(guó)都在致力于研究攻克癌癥的有效方法。針對(duì)癌癥患者,早期通常采用手術(shù)治療,但對(duì)于一些不能手術(shù)或已失去手術(shù)治療機(jī)會(huì)的患者,化療及放療則成為主要的治療手段,而傳統(tǒng)的化療及放療卻存在很大的不良反應(yīng)。重離子由于其特殊的理化性質(zhì),使其在腫瘤治療方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Miyamoto等[4]對(duì)50例非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行碳離子放療,結(jié)果發(fā)現(xiàn),腫瘤的控制率接近95%,5年生存率高達(dá)50%,腫瘤周圍的正常組織未見(jiàn)明顯的不良反應(yīng)。上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院對(duì)35例臨床試驗(yàn)病例進(jìn)行試驗(yàn)治療,截至目前,所有病例未發(fā)生3級(jí)及以上與放療相關(guān)的不良反應(yīng);并且于2015年5月進(jìn)行正式治療,共收治200多例患者,其中包括肝癌、肺癌、軟骨肉瘤等多種臨床病例,接受治療的患者腫瘤控制情況均好[5]。劉銳鋒等[6]使用碳離子對(duì)7例肝癌患者進(jìn)行治療,治療后3個(gè)月評(píng)價(jià)患者的近期療效,結(jié)果顯示,客觀緩解率為57.1%,疾病控制率達(dá)100%,均無(wú)肝功能異常和放射性肝炎等不良反應(yīng)發(fā)生。可見(jiàn),碳離子在殺滅肝癌細(xì)胞的同時(shí)又能保證周圍正常肝細(xì)胞的功能,進(jìn)一步證實(shí)了碳離子治療的優(yōu)勢(shì)。重離子生物效應(yīng)的研究是重離子腫瘤放療研究的基礎(chǔ),已經(jīng)成為輻射生物效應(yīng)研究的重點(diǎn)。
重離子不同于其他類型的電離輻射,在對(duì)機(jī)體的損傷作用中,直接作用占主導(dǎo)地位,約占80%以上[7];另重離子還具有在Bragg峰區(qū)RBE較高、氧增強(qiáng)比低、輻射損傷截面大以及輻射損傷效果受細(xì)胞周期影響小等特點(diǎn)[8]。其中,RBE是反映電離輻射生物效應(yīng)強(qiáng)弱的重要性質(zhì),是以γ射線或標(biāo)準(zhǔn)X射線為參考來(lái)衡量被研究的電離輻射引起相同效應(yīng)所需的劑量比值[9]。RBE值是一個(gè)相對(duì)量,可受多種因素影響,如觀察生物效應(yīng)的終點(diǎn)、傳能線密度(linear energy transfer,LET)、同一射線不同劑量、以及受照細(xì)胞所處條件不同等。目前,有重離子加速器的國(guó)家都在研究其輻射生物效應(yīng),并且已經(jīng)深入至細(xì)胞及分子水平。
3.1 細(xì)胞水平
3.1.1 重離子輻射對(duì)細(xì)胞周期及凋亡的影響
電離輻射引起DNA損傷后,可以激活周期調(diào)控點(diǎn)G1/S期或G2/M期,使細(xì)胞增殖發(fā)生停滯,不能進(jìn)行有絲分裂,直到損傷得以修復(fù)或細(xì)胞發(fā)生凋亡[10]。從細(xì)胞DNA的損傷到細(xì)胞周期發(fā)生阻滯需經(jīng)歷識(shí)別DNA損傷、傳遞損傷信息、效應(yīng)分子最終引起周期阻滯的3個(gè)階段[11]。周期阻滯既是輻射損傷的效應(yīng)反應(yīng),又是一種自我保護(hù)性反應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞損傷難以修復(fù)時(shí),周期阻滯就無(wú)法恢復(fù),就可能激活細(xì)胞的凋亡程序,清除突變以及具有潛在癌變潛能的細(xì)胞。細(xì)胞凋亡在正常生理狀態(tài)下是機(jī)體維持細(xì)胞增殖和死亡穩(wěn)態(tài)的重要途徑。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激引起DNA損傷時(shí),同樣也會(huì)啟動(dòng)凋亡機(jī)制來(lái)清除損傷嚴(yán)重的細(xì)胞。從某種程度上說(shuō),只要細(xì)胞凋亡量不影響正常生理功能,就可以降低人體患癌風(fēng)險(xiǎn),對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有益的影響[11-12]。
經(jīng)重離子束照射后的細(xì)胞多阻滯在G2/M期,并且誘導(dǎo)的G2期阻滯較低LET射線更嚴(yán)重,時(shí)間更長(zhǎng)。Ghorai等[13]研究比較了0~4.0 Gy12C重離子和γ射線對(duì)人宮頸癌細(xì)胞Hela的DNA損傷、周期阻滯、存活率和Caspase-3活性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),12C離子照射誘導(dǎo)的G2/M期阻滯明顯高于γ射線。劉斌等[14]比較研究重離子束和低LET的X射線對(duì)人舌鱗癌細(xì)胞周期的影響,結(jié)果顯示,人舌鱗癌Tb細(xì)胞經(jīng)X射線照射后,2 Gy組激活G1期檢測(cè)點(diǎn),而4、6、8 Gy組激活G2期檢測(cè)點(diǎn);重離子照射后Tb細(xì)胞的G2/M期阻滯明顯增加,阻滯程度具有時(shí)間和劑量依賴性。經(jīng)2 Gy重離子束與6 Gy X射線照射后,G2期細(xì)胞阻滯率相近,均達(dá)到70%左右。此研究提示,重離子束對(duì)人舌鱗癌細(xì)胞的周期阻滯比X射線明顯,具有較高的生物學(xué)效應(yīng)。
3.1.2 重離子輻射對(duì)細(xì)胞存活和轉(zhuǎn)化的影響
細(xì)胞是復(fù)雜機(jī)體的功能單元,在受到外界刺激后,細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與外環(huán)境之間發(fā)生相互作用,從而影響細(xì)胞的存活、遷移、增殖與分化等。
有研究表明,X射線或γ射線的存活曲線通常存在肩區(qū),而重離子一般表現(xiàn)為無(wú)肩區(qū)或趨于直線的存活曲線[15]。細(xì)胞的失活效應(yīng)會(huì)隨LET的增加而增加,當(dāng)LET約為125 keV/μm時(shí),細(xì)胞的失活效應(yīng)達(dá)到最大,之后會(huì)隨著LET的進(jìn)一步增大而降低,這主要是由電離事件的飽和機(jī)制引起的。當(dāng)LET高到一定程度時(shí),對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生了致死損傷,多余的電離輻射已經(jīng)不能殺死更多細(xì)胞,造成能量過(guò)剩,最終導(dǎo)致失活效應(yīng)的降低,即超殺效應(yīng)。
電離輻射可以對(duì)DNA分子造成損傷,使細(xì)胞向惡性程度轉(zhuǎn)化,其中起決定性作用的是癌基因與抑癌基因等關(guān)鍵基因的改變。由于重離子束輻射可以誘導(dǎo)DNA分子發(fā)生集簇性損傷,加上間接作用中次級(jí)粒子和自由基的作用,對(duì)DNA分子產(chǎn)生繼發(fā)性損傷,使錯(cuò)誤修復(fù)增多、修復(fù)難度增大,產(chǎn)生的遠(yuǎn)期生物學(xué)效應(yīng)嚴(yán)重[16]。Zhou等[17]同時(shí)對(duì)γ射線、C離子和Fe離子束誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),3種射線均能導(dǎo)致細(xì)胞存活率下降,并且劑量越大,下降越明顯;劑量為2 Gy時(shí)3種輻射均導(dǎo)致存活細(xì)胞轉(zhuǎn)化率顯著增加,但C離子和Fe離子所致存活細(xì)胞轉(zhuǎn)化率分別是γ射線的3.5倍和7.3倍,可見(jiàn)重離子輻射誘發(fā)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于γ射線。
3.2 分子水平
3.2.1 重離子引起的DNA損傷和修復(fù)
DNA作為電離輻射的重要靶分子,在受到電離輻射后,其結(jié)構(gòu)及分解產(chǎn)物復(fù)雜多樣,一般包括DNA交聯(lián)、單鏈斷裂(single-strand break,SSB)、DNA雙鏈斷裂(double-strand break,DSB)及高級(jí)結(jié)構(gòu)的改變,進(jìn)而導(dǎo)致生物學(xué)功能發(fā)生改變。其中DSB難以修復(fù),是最重要的細(xì)胞殺傷效應(yīng),細(xì)胞的基因突變、染色體畸變以及惡性轉(zhuǎn)化等效應(yīng)均可由DSB發(fā)展而來(lái)[18]。
重離子屬致密型高LET射線,與稀疏型電離輻射相比,高LET射線可在1~2個(gè)DNA雙螺旋內(nèi)至少產(chǎn)生2個(gè)以上的損傷位點(diǎn),并且是高度多樣化,稱之為集簇性損傷[19]。集簇性損傷的特點(diǎn)是產(chǎn)生大量不可修復(fù)的、復(fù)雜的、成串的、小的DSB片段,細(xì)胞死亡率高[20-21]。Sekine等[22]研究照射后細(xì)胞在修復(fù)過(guò)程中斷裂染色體再連接情況,發(fā)現(xiàn)不同LET的重離子輻射誘導(dǎo)正常細(xì)胞在修復(fù)過(guò)程中發(fā)生了斷裂染色體再連接,當(dāng)細(xì)胞修復(fù)結(jié)束時(shí),多數(shù)重離子照射樣品中未連接的斷裂染色體數(shù)量多,即高LET輻射損傷的修復(fù)率低。一般而言,當(dāng)LET高達(dá)200 keV/μm時(shí),DSB的修復(fù)是受到抑制的,而且隨射線能量的增加,修復(fù)所需的時(shí)間延長(zhǎng)[23]。輻射誘導(dǎo)的不可修復(fù)的DSB與細(xì)胞死亡、錯(cuò)誤修復(fù)與基因組的不穩(wěn)定性是密切相關(guān)的[24]。如果重接無(wú)效,照射后大數(shù)量的DSB持續(xù)存在,導(dǎo)致更低水平的細(xì)胞生存。郭傳玲等[25]研究高LET輻射引起的人肝癌SMMC-7721細(xì)胞DSB及其修復(fù)的特點(diǎn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著輻射劑量的增加,初始DSB的數(shù)量呈線性增加,氬離子輻射所致的DSB增長(zhǎng)速度高于碳離子束;而且兩種LET的射線均發(fā)生了快修復(fù)與慢修復(fù),氬離子輻射所致DSB快修復(fù)和慢修復(fù)的修復(fù)量均高于碳離子輻射;照后4 h兩種輻射所致DSB的殘余量基本一致。
3.2.2 重離子輻射誘導(dǎo)的染色體畸變
染色體畸變與輻射早期效應(yīng)(如細(xì)胞死亡)和后期效應(yīng)(如細(xì)胞轉(zhuǎn)化)均密切相關(guān),其代表了單個(gè)細(xì)胞DNA損傷后修復(fù)的結(jié)果主要有斷裂和互換兩種結(jié)構(gòu)的改變。研究表明,高LET比低LET輻射誘導(dǎo)的染色體損傷嚴(yán)重,重離子誘導(dǎo)的染色體畸變類型較低LET輻射復(fù)雜[26]。
有研究觀察到G0/G1期細(xì)胞接受重離子照射后出現(xiàn)染色單體型畸變,對(duì)稀疏電離輻射,只有照射S期或G2期細(xì)胞才能誘導(dǎo)染色單體型交換,這種獨(dú)特畸變是更好地研究重離子的輻射“標(biāo)志”。另外,與質(zhì)子等輻射相比,重離子誘導(dǎo)的間期染色體畸變頻率明顯高于中期染色體畸變頻率[27],這可能是由于重離子輻射導(dǎo)致嚴(yán)重細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞間期死亡。
重離子引起的染色體畸變?cè)谡丈浼?xì)胞后代中是降低的,可能主要是由于重離子輻射誘導(dǎo)的染色體斷裂畸變屬于過(guò)離散分布,不符合泊松分布。低劑量時(shí),過(guò)離散分布意味著許多細(xì)胞根本沒(méi)有畸變,而其他細(xì)胞有嚴(yán)重的細(xì)胞遺傳學(xué)損傷,可能致死;高劑量時(shí),過(guò)離散分布意味著許多細(xì)胞有嚴(yán)重的細(xì)胞遺傳學(xué)損傷,可能致死,而其他細(xì)胞沒(méi)有畸變。后期效應(yīng)依賴于輻照后的存活細(xì)胞,因此過(guò)離散分布將可能降低重離子輻射后期效應(yīng)的危險(xiǎn)[28]。重離子輻射誘導(dǎo)的復(fù)雜畸變多數(shù)是不可傳遞的,而稀疏電離輻射誘導(dǎo)的復(fù)雜重排多數(shù)是可以傳遞給后代的,因此重離子的RBE在輻照細(xì)胞后代中降低,趨近于1,這對(duì)空間旅行和粒子治療的后期效應(yīng)具有重要意義[29]。
3.2.3 重離子對(duì)端粒及端粒酶的影響
端粒位于真核細(xì)胞染色體的末端,主要由重復(fù)的TTAGGG串聯(lián)DNA序列和端粒結(jié)合蛋白1、端粒結(jié)合蛋白2、人端粒保護(hù)蛋白1等構(gòu)成[30]。端粒的作用主要是保持染色體的穩(wěn)定性與完整性,避免染色體融合。端粒延長(zhǎng)主要通過(guò)端粒酶的活性來(lái)完成。端粒酶是一種反轉(zhuǎn)錄酶,以自身RNA為轉(zhuǎn)錄模板,逆轉(zhuǎn)錄合成端粒的核糖核酸酶,主要由端粒酶RNA、人端粒酶催化亞單位(human telomerase reverse transcriptase,hTERT)和端粒酶相關(guān)蛋白1組成,其主要功能是在染色體末端添加端粒序列,使端粒維持一定長(zhǎng)度,從而使細(xì)胞獲得無(wú)限分裂的能力,約85%腫瘤細(xì)胞端粒酶活性檢測(cè)呈陽(yáng)性[31-32]。
染色體末端的端粒是電離輻射損傷的敏感位點(diǎn),在受到電離輻射的作用時(shí),端粒的重復(fù)序列經(jīng)常首先發(fā)生斷裂,并且端粒蛋白常常存在于斷裂位點(diǎn),使端粒酶發(fā)生聚集,故端粒酶在DNA損傷修復(fù)中可能主要參與端粒斷裂的修復(fù)[33]。近年的許多實(shí)驗(yàn)證明,電離輻射可以影響端粒酶的活性,而且射線引起端粒酶活性的改變[34-35],可能與受照細(xì)胞的類型、射線的特性、照射劑量和時(shí)間等有關(guān)。細(xì)胞在接受射線照射后,端粒酶活性的變化趨勢(shì)可能與SSB和DSB的比例有關(guān)。SSB表現(xiàn)為亞致死性損傷,輻射誘導(dǎo)端粒酶的活性增加;而DSB可激活c.Abl酪氨酸激酶,活化的c.Abl使人端粒酶磷酸化,抑制其活性,因hTERT是端粒酶的催化亞單位,與端粒酶活性密切相關(guān),故端粒酶活性下降[36]。研究表明,在劑量為1~3 Gy時(shí),低LET與高LET射線均可使細(xì)胞的端粒酶活性增加,但活性增加的程度卻不完全相同[37]。γ射線等低LET射線照射可使細(xì)胞的端粒酶活性提高3~7倍,而經(jīng)高LET重離子輻照后的端粒酶活性一般僅提高1倍左右。研究結(jié)果表明,高LET射線能明顯抑制端粒酶活性的異常增高,可有效地使DNA雙鏈發(fā)生斷裂。胡凱騫等[38]研究表明:肝癌細(xì)胞SMMC-7721經(jīng)3 Gy以內(nèi)重離子照射,劑量越大,端粒酶活性越高;4 Gy時(shí)開(kāi)始下降,而且在1~3 Gy處端粒酶活性隨時(shí)間推移而加強(qiáng),可見(jiàn)端粒酶的激活受劑量與時(shí)間的影響??傊?,輻射誘導(dǎo)的染色體SSB的修復(fù)與端粒酶活性密切相關(guān),而DSB可以減弱端粒酶活性。
3.2.4 重離子輻射對(duì)基因及蛋白表達(dá)的影響
DNA經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯可以影響蛋白質(zhì)的生物合成,其攜帶著豐富的遺傳信息,同時(shí)也是電離輻射的重要靶分子之一。輻射對(duì)DNA的損傷和影響,可以通過(guò)基因組學(xué)的手段獲得分析,但是由于蛋白質(zhì)在合成之后,還存在蛋白修飾與運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜過(guò)程,而且蛋白量的表達(dá)和mRNA的表達(dá)量并不完全一致[39-40],所以電離輻射對(duì)細(xì)胞在蛋白質(zhì)水平上的影響,不能完全通過(guò)基因水平上的信息反映出來(lái),還需要在蛋白水平對(duì)蛋白質(zhì)的表達(dá)變化進(jìn)行分析。為深入研究重離子的輻射損傷機(jī)制,近期許多研究在基因、蛋白水平找到了一些輻射相關(guān)的重要基因與蛋白以及這些基因蛋白在微觀水平的調(diào)控對(duì)輻射的影響。Lima等[41]研究發(fā)現(xiàn),DNA甲基化能夠改變某些基因表達(dá)水平,并可受到輻射等環(huán)境因素的影響。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),56Fe離子照射小鼠后,DAPK1、p16、MGMT和IGFBP3等基因在致癌和輻射反應(yīng)(細(xì)胞凋亡、轉(zhuǎn)移、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和DNA修復(fù))中起重要作用,并可被甲基化調(diào)節(jié)表達(dá)水平。王洪彬等[42]用碳離子束(2 Gy)照射大鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻瘤分化細(xì)胞株P(guān)C12,利用比較蛋白質(zhì)組學(xué)方法分析重離子輻射引起的蛋白表達(dá)變化,發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)蛋白在生物途徑上多數(shù)和細(xì)胞凋亡有關(guān)。
此外,由于重離子束輻射損傷的特點(diǎn)有別于常規(guī)的低LET射線,使特定基因和蛋白的變化在受到重離子束照射后呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。Di等[43]研究碳離子束和X射線對(duì)HeLa細(xì)胞ΔNp73基因表達(dá)的影響,結(jié)果顯示,ΔNp73的表達(dá)均隨照射劑量的增加而下調(diào),不同的是當(dāng)重離子束照射劑量達(dá)到4 Gy時(shí),ΔNp73的表達(dá)幾乎完全被抑制。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生DSB時(shí),組蛋白殘基會(huì)發(fā)生磷酸化,形成γ-H2AX。Oonishi等[44]研究發(fā)現(xiàn),碳離子束照射人胰腺癌CD44+/CD24+干細(xì)胞誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生的γ-H2AX比X射線可維持更長(zhǎng)的時(shí)間。Merz等[45]使用碳離子束治療膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者,照射后從細(xì)胞瘤的病理切片中發(fā)現(xiàn),γ-H2AX的焦點(diǎn)數(shù)明顯高于對(duì)照組??梢?jiàn),從基因及蛋白水平來(lái)研究重離子束對(duì)細(xì)胞的損傷比其他類型的輻射更加敏感。
目前,針對(duì)重離子生物效應(yīng)的研究主要以DSB為指標(biāo)研究DNA的損傷與修復(fù)以及輻射誘導(dǎo)的染色體畸變,還有部分學(xué)者通過(guò)p53基因變化對(duì)細(xì)胞周期以及重離子導(dǎo)致的基因組不穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究。其發(fā)展趨勢(shì)主要是從表型到基因型、并逐步深入到分子水平的研究。另外,隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展,對(duì)重離子生物效應(yīng)的研究逐步由定性研究發(fā)展到定量研究。應(yīng)用各種數(shù)學(xué)和物理模型還可實(shí)現(xiàn)生物效應(yīng)的定量評(píng)估,為重離子更加精準(zhǔn)地進(jìn)行腫瘤治療奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),對(duì)重離子輻射旁效應(yīng)的研究對(duì)減輕腫瘤周圍正常組織的損傷具有非常重要的意義[46]??梢?jiàn),重離子輻射生物效應(yīng)的研究是重離子治療癌癥研究的基礎(chǔ)。
利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開(kāi)展,不涉及任何利益沖突。
作者貢獻(xiàn)聲明 張睿鳳負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研及論文的撰寫;張忠新負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的搜集;黨旭紅負(fù)責(zé)論文的審閱;段志凱負(fù)責(zé)論文命題的提出及審閱。
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Progress on biological effectiveness of heavy ions
Zhang Ruifeng,Zhang Zhongxin,Dang Xuhong, Duan Zhikai
Department of Radiation Medicine,China Institute for Radiation Protection,Taiyuan 030006,China
Duan Zhikai,Email:duanzhikai@cirp.org.cn
Heavy ions are charged particles that have an inverted depth-dose profile because of the so-called Bragg peak.Heavy ions(densely ionizing radiation)have a higher relative biological effectiveness than photons.This review focused on the differences in biological effectiveness of radiation between heavy ions and low-linear energy transfer photons at cellular and molecular levels.
Heavy ions;Radioation biological effectiveness;Low linear energy transfer rays
段志凱,Email:duanzhikai@cirp.org.cn
10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.04.014
2016-03-09)