低剂量放射生物效应的研究

低剂量放射生物效应的研究

常莉夏耀雄秦继勇艾毅钦李文辉

云南省肿瘤医院昆明医科大学第三附属医院云南昆明650118

【摘要】肿瘤细胞的放射耐受和正常组织的放射损伤是肿瘤放射治疗中难以解决的问题。低剂量放射生物效应的发现为该问题的解决带来了希望。主要表现在三个方面：适应性反应，低剂量放射超敏感性和旁效应。低剂量放射生物效应的研究对于放射治疗的优化具有重要意义，但其发生和机制目前尚未明确。本文现就其研究研究现状做一综述。

【关键词】低剂量；放射；适应性反应；超敏感性；旁效应

【中图分类号】R818【文献标识码】A【文章编号】

放射治疗（简称放疗）在肿瘤的综合治疗中占有重要的地位，大约60-70%的肿瘤患者在治疗的不同阶段因不同的目的需要采用放射治疗。但是，在肿瘤放疗中仍存在着许多问题亟待解决，如肿瘤细胞的放射耐受和正常组织的放射损伤。低剂量放射生物效应的发现为该问题的解决带来了希望。

根据联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)1986年的报告，低剂量辐射(LDR)是指0.2Gy以内的低传能线密度(LET)辐射或0.05Gy以内的高LET辐射。在低剂量区域，电离辐射能够诱导一些大剂量实验中预测不到或传统放射生物学理论不能解释的效应，这些效应已被大量的实验研究证实，主要表现在三个方面：适应性反应(adaptiveresponse,AR)，低剂量放射超敏感性(hyper-radiosensitivity,HRS)和旁效应(bystandereffect,BE)。低剂量放射生物效应的发现是对传统放射生物学的有益补充，对放疗分割设计、物理计划设计和生物学优化都具有重要指导意义。

1.适应性反应（AR）

低剂量辐射预处理细胞或机体后，可产生对随后相对高剂量照射诱发损伤的抗性，从而降低高剂量辐射引起的损伤，称低剂量辐射诱导的适应性反应。1984年，Olivieri等首先在人淋巴细胞中证实了该反应的存在，研究报道人淋巴细胞在低剂量辐射条件下可诱导出细胞遗传学适应性反应，降低辐射所致染色体畸变率[1]。此后这一现象不断被体外或体内实验在不同细胞中证实。AR在细胞效应上表现为细胞存活升高、而染色体畸变和凋亡下降。但其发生机制还不明确。目前认为主要涉及DNA损伤修复、细胞信号转导、ROS（活性氧物质）的作用等方面。

1.1DNA损伤修复

有研究报道认为DNA损伤修复有可能是低剂量辐射诱导AR的主要机制之一，细胞暴露于电离辐射下引起的主要有害生物学效应就是对DNA的损伤，从而造成对细胞损伤。Shadley等研究发现低剂量辐射诱发的DNA损伤约是细胞正常代谢自发产生的DNA损伤的5倍。Ikushima等检测中国仓鼠肺细胞V79的DNA双链断裂修复，发现1cGy低剂量照射对细胞DNA修复具有兴奋效应。低剂量辐射诱导细胞适应性反应的一个重要机制就是引起某些与DNA修复相关基因激活，如ADP-核糖基聚合酶（ATPRT），使其蛋白产物合成提高或活性增强，在此期间受到大剂量攻击时产生的DNA损伤将得到更及时和有效的修复，对随后高剂量照射产生耐受，显示出适应性反应。

1.2细胞信号转导

低剂量辐射能激活某些信号传递系统，促进与放射耐受有关的基因和基因产物的生成。PKC（蛋白激酶C）是细胞信号转导通路的主要组成部分，低剂量辐射可激活PKC-α活性，形成PLC-PKC-P38MAPK--PLC反馈调节通路对低剂量辐射诱导适应性反应的信号进行转导调节。Survivin也可通过激活NFκB介导低剂量放射适应性反应。此外，P53、DNAPK、ATM、PI3K、TGF、WNT等信号通路分子的参与亦有报道。

1.3ROS（活性氧物质）的作用

ROS在机体内主要由NADPH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)氧化酶系统产生。ROS作为信息分子广泛参与细胞功能的调节及相关信息的传递[2]。低剂量辐射可诱导ROS增加，促进氧化还原反应和DNA修复蛋白APE的表达，对细胞产生保护作用，维持适应性反应的发生。

2.低剂量放射超敏感性(HRS)

HRS是指细胞对很低剂量照射(约0.02～0.50Gy)较敏感而对其后剂量区域(0.50～1.00Gy)敏感性下降的现象。在高等植物、动物和人类的多种正常及肿瘤细胞中都可观察到HRS，但也有细胞不存在HRS，如人宫颈癌U373、乳腺癌MCF7细胞。HRS的研究具有重要的现实意义，常规治疗无效的恶性胶质瘤病人经低剂量超级分割放疗联合化疗治疗后，疗效显著。这一放疗方式的生物学基础就在于HRS的存在。HRS的研究具有重要的现实意义，但其发生机制目前尚不明确。

HRS机制主要从细胞凋亡、细胞周期调控以及DNA双链断裂(DNADSBs)的修复三方面来研究；一些基因和蛋白，如p53，bcl-2，c-myc，共济失调毛细血管扩张突变(ataxia-telangiectasiamutated,ATM)激酶和DNA依赖的蛋白激酶(DNA-dependentproteinkinase,DNA-PK)等被认为可能与HRS发生有关。对A549、V79等细胞HRS的研究认为p53、ATM激酶活化、细胞周期变化在HRS发生中具有重要作用，凋亡是细胞死亡的主要方式。但也有报道提出了不同观点，Krueger等研究认为低剂量超敏的发生与ATMSer1981的活化无关。近年研究也发现，氧（O2）、一氧化氮（NO）含量也会影响细胞低剂量放射超敏感性。

3.旁效应(BE)

近年来，人们发现在有直接受到射线照射的细胞存在时，没有直接受到射线照射的细胞也表现出辐射损伤，包括染色体畸变、基因组不稳定性、细胞增殖失控以及信号转导通路改变等，即所谓的“旁效应”[3]。但是旁效应产生的原因、机制以及生物学终点仍然不清楚。

目前主要认为旁效应的产生与以下机制相关[4]：（1）活性氧自由基的产生，研究发现细胞间有超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)的产生，这类活性氧反应并不需要细胞或细胞核直接被α粒子击中就可产生；②受照介质的效应,可能涉及白介素28(IL28)或线粒体在氧化应激时分泌的凋亡诱导因子(AIF);③与细胞间通讯或信号传导有关,它涉及到缝隙连接(gap-junction)介导的细胞间通讯。NO对辐射损伤的信号传递起到了重要作用[5]。COX-2,ERK,MAPK,ROS,TNFα等多种细胞信号分子也与低剂量放射旁效应的发生密切相关[5]。

4.小结

低剂量放射诱导的适应性反应、超敏感性及旁效应已成为了近年辐射研究的热点，对其发生的机制及应用的研究取得了一定的成果，但仍未明确，需要更加深入的研究，以期为肿瘤放射治疗疗效的提高和正常组织的保护提供理论和实践基础。

参考文献

[1]高刚.低剂量辐射诱导适应性反应的分子机制研究现状[J].国外医学·放射医学核医学分册.2003,27(6):276-278.

[2]孙大庆.γ射线致人淋巴母细胞及其旁效应细胞AP1S1表达变化及其作用的研究[D].第二军医大学,2010.

[3]吴李君,韩伟,胡步荣,张蕾蕾,陈少鹏,余增亮.低剂量辐射引起细胞旁效应的早期过程和时空效应[J].毒理学杂志.2005,S1

[4]陈如松.辐射的低剂量生物效应及分子流行病学研究现状[J].辐射防护通讯.2003,23(1):13-19.

[5]TangFR,LokeWK.Molecularmechanismsoflowdoseionizingradiation-inducedhormesis,adaptiveresponses,radioresistance,bystandereffects,andgenomicinstability.IntJRadiatBiol.2015,91(1):13-27.