天然化合物的电离辐射防护作用研究

王 丽，王振宇，2，*，张 浩，左丽丽

（1.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040）

天然化合物的电离辐射防护作用研究

王 丽1，王振宇1，2，*，张 浩1，左丽丽1

（1.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨 150040）

电离辐射伤害生物体，而且越来越多的人暴露在辐射环境中，如太空探索、放疗和核医学。所以，辐射防护剂的研究成为现在的热点。但是由于合成化合物的毒性限制了其在临床中的应用，迄今为止，并没有找到理想的辐射防护剂。天然化合物广泛应用于医学中，研究发现，它们也是较好的辐射防护剂。本文主要针对天然化合物包括多酚、黄酮、花青素、多糖、褪黑激素等的辐射防护作用，以及可能的防护机制进行综述。研究发现天然化合物可能是通过清除自由基、抑制脂质过氧化、增加内源性抗氧化酶和抑制DNA损伤等活性达到辐射防护的作用。

电离辐射，辐射防护剂，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

生物技术的迅速发展增加了人体暴露在电离辐射中的机会，如空间探测、放射医疗、核战争等，给人们带来潜在的危害。早在1949年就有人已经开始研究防止电离辐射损伤的药物。目前，国内外已研究了许多化学和生物制剂防止电离辐射伤害，但是，这些制剂均具有毒副作用，不能长期食用，因此，研究天然物质中对人体无害的辐射防护剂成为热门课题。

1 电离辐射及其伤害

众所周知，电离辐射具有细胞毒性，也是一种诱变剂，能够引起多种疾病，如癌症、败血病等。电离辐射包括几种不同的电磁射线，如X-射线、γ-射线；不同的粒子，如α粒子、β粒子与中子，这些都是高能辐射，对人体的伤害很大。暴露于电离辐射中的方式有两种，即内部辐射和外部辐射。放射医疗，如利用γ-射线治疗癌症患者，属于外部辐射。内部辐射可能是由于放射性核素进入体内，定位于特定的器官而产生。一旦寄存于器官中，放射性元素就会进行衰变而产生γ和β射线，辐射组织[1-2]。

电离辐射对人体产生直接和间接损伤。电离辐射可以直接电离DNA，使DNA双键断裂，造成直接损伤，这种损伤可能引起染色体异常、细胞死亡，目前认为DNA断裂是可以修复的，但是，如果DNA错误修复或无法修复会造成基因突变和二次肿瘤的产生。辐射通过作用于细胞内的水分子产生的活性氧自由基（羟基自由基、单线态氧等）造成的损伤为间接损伤。电离辐射诱导产生活性自由基的同时也会产生毒性物质，如过氧化氢等，产生的这些自由基都会造成大分子物质（DNA、蛋白质和磷脂等）的损伤。特别是对DNA的损伤严重，包括单链和双链DNA的断裂、结构损伤和DNA-DNA，DNA-蛋白质交联，这些损伤都会限制损伤位点的复制。同时，辐射会造成旁观效应，受到辐射的细胞会将辐射信号传到邻近未受到辐射的细胞，或很多受辐射细胞将信号到给较远的未受辐射的细胞。这种旁观效应会增加或减少细胞中与应激相关的蛋白酶含量、活性氧自由基含量，细胞死亡或细胞增殖，细胞分化，诱导突变，染色体畸变和染色体的不稳定性[3-7]。因此，现在需要研究保护人体免受电离辐射损伤的辐射防护剂。

2 辐射防护剂的研究

早在1949年就已经有关于防止电离辐射伤害的药物的研究报道，现在研究还在继续，目前已经发现了许多天然的化合物和合成/半合成的化学试剂，它们能有效的降低电离辐射产生的不良反应[8]。但是，许多合成化学试剂如阿米斯汀，它是药物前体，与膜结合的碱性磷酸盐将硫酯键分开，产生自由的具有活性的硫氢基，生成具有活性的代谢产物是WR-1065；阿米斯汀已经在临床上得到应用，可以保护正常的组织免受急性和长期的放射和化疗治疗引起的辐射损伤。与癌细胞相比，阿米斯汀对正常组织的辐射防护作用更有效。但是，因为它具有毒性和副作用，使得其在临床上的应用是有限的。而且这类辐射防护剂不能进行辐射后的损伤修复[9-11]。因此，寻找低毒有效的天然辐射防护剂成为近年来研究的热点。

2.1 多酚

多酚广泛存在于各种水果、蔬菜中，植物多酚以苯酚为基本骨架，以苯环的多羟基取代为特征，酚类化合物中的多元酚羟基可与自由基反应，阻断自由基的链式反应，具有很好的清除自由基的作用，是公认的抗氧化剂[12]。最近研究发现，多酚类化合物也是很有效的辐射防护剂。

研究发现，山楂果实提取物可以降低γ-射线辐射引起的骨髓细胞基因毒性。在辐射（2Gy）前1h，腹腔注射200mg/kg山楂提取物，可以降低小鼠骨髓细胞中微核的产生，与辐射空白和100mg/kg阿米斯汀相比，微核产生率分别可以降低5.7倍和0.9倍[13]。山楂果实提取物也可以显著降低γ-射线辐射后人体的外周血中淋巴细胞的数量和微核的数量，是辐射环境中淋巴细胞的保护剂[10]。这与山楂提取物中含有的绿原酸、表儿茶素和金丝桃苷等多酚化合物有关。

通过动物模型实验发现，蜂胶多酚类物质可以显著降低γ-射线辐照后小鼠的致死率和白细胞中的DNA损伤，并能减轻放射性疾病的症状，而且提取物中的槲皮素具有显著保护白细胞免受辐照损伤的作用，是无毒、有效的辐射防护剂，但是辐射防护机理需进一步研究[14-15]。

Londhe等[16]用小鼠的肝脏线粒体和pBR322质粒DNA作为体外的模拟系统，首次发现苦味叶下珠分离纯化得到的鞣花单宁具有抗辐射活性。这些化合物不仅可以清除自由基，降低氧化应激，抑制辐射诱导引起的pBR322线粒体DNA单链的断裂，还能抑制脂质过氧化和蛋白质氧化，是很有效的辐射防护剂。

研究还发现，芝麻酚、迷迭香多酚等都可以降低辐射引起的基因毒性，保护DNA免受辐射损伤[17-18]。

2.2 黄酮

黄酮类化合物具有两个酚羟基的苯环（A与B环）通过中央三碳原子相互连结而成的一系列C6-C3-C6化合物，简称类黄酮，是酚类化合物中的一种[19]。

橙皮苷（HES），一种二氢黄酮糖苷，向小鼠腹腔膜内注射80mg/kg橙皮苷45min后辐照（2Gy），发现HES可以降低小鼠骨髓细胞中多染性红细胞微核（MnPCEs）的出现频率，与空白辐射相比，总的MnPCEs少2.85倍。研究表明，橙皮苷能够抑制辐射诱导的小鼠骨髓细胞的DNA损伤和人体外周血淋巴细胞的损伤[20-21]，具有很强的辐射防护作用。

沙棘是一种安全有效的辐射防护剂，与黄酮含量少的组分相比，其提取物中富含黄酮的组分具有更强的清除自由基和保护相比膜的能力，这可能与其组分中含有槲皮素、鼠李黄素和山奈酚有关[22]。

牡丹中的主要活性物质芍药甙对辐照的胸腺细胞的辐射具有防护功能，并已发现了防护机制。研究表明，用60Co-γ-射线辐射（4Gy）后，加入芍药甙可以清除胸腺细胞内的活性氧自由基，保护胸腺细胞免受辐射引起的损伤，并能降低丝裂原活化蛋白激酶的活性[23]。

2.3 花青素

花青素是以黄酮核为基础的能呈现颜色的一类糖苷，是花色素（配体）与糖相结合形成的配糖体，花色素作为包素的发色团，具有类黄酮的典型结构[24]。

莲蓬丙酮-水提取物中的原花青素（LSPCs）对瑞士白化小鼠经γ-射线辐射后具有辐射防护功能。LSPCs可以减少辐射引起的死亡率，有效地维持脾脏指数接近正常，能防止辐射对小鼠的脾脏和皮肤的伤害，减少辐射诱发的骨髓细胞中多染性红细胞中的微核数，显著降低对骨髓细胞染色体的损伤。而且原花青素缓释片也有类似的功能。此外，用LSPCs（200mg/kg）预处理后可以明显地降低辐射后小鼠肝脏中脂质过氧化水平和提高内源性抗氧化物酶的水平。因此，LSPCs可能具有很强的保护全身的辐射防护功能，可以作为辐射防护剂[25-26]。

从葡萄籽中提取的原花青素也具有类似的功能，不仅可以清除活性氧自由基还可以抗诱变，降低骨髓细胞中多染性红细胞中的微核数[27]。

酚类化合物主要通过清除自由基，降低自由基引起的各种疾病的机率，减少细胞中微核的产生，来保护染色体和造血细胞免受辐射损伤从而降低辐射伤害。

2.4 多糖类化合物

多糖又称多聚糖，是一类由醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成的天然高分子多聚物，不仅为生物提供了骨架结构和能量来源，还广泛的参与了细胞各种生命现象及生理过程的调节。近年研究表明，多糖具有明显的辐射防护作用[28]。

Kim等[28]发现人参酸性多糖（100mg/kg）对小鼠有辐射防护作用（5Gy），而且能明显增加骨髓细胞的数量，提高骨髓细胞抵抗γ-射线辐照的能力，是一种很好的骨髓辐射防护剂。而且人参多糖还具有促进细胞有丝分裂的活性，增加小鼠的脾脏细胞，粒-巨噬细胞集落形成细胞（GM-CFC）和循环性中性白细胞，淋巴细胞和血小板的数量，是辐照后修复造血细胞所用时间减少的有效的物质[29]。

圣罗勒属和青牛胆属植物中的两种多糖都具有抗氧化活性，可以抑制辐射诱导的质粒DNA的损伤，还可以清除大量的活性氧自由基（ROS），抑制黄嘌呤氧化酶，还可以阻止小鼠脾细胞经γ-射线辐照后造成的细胞死亡[30]。

Pillai等[31]通过外周血淋巴细胞彗星实验证明，灵芝多糖具有增强修复功能，可以在短时间内修复辐射损伤的DNA。

目前研究表明，多糖的辐射防护作用主要是增加骨髓干细胞的再生和中性粒细胞与血小板的修复，保护造血系统，促进造血功能和机体免疫功能的恢复，降低辐射损伤。

2.5 激素类

褪黑激素广泛存在于生物体内，是松果体分泌的吲哚胺，它通过提供一个电子，表现出较强的清除自由基能力，许多研究表明，褪黑激素具有辐射防护作用[32]。

在辐射前用褪黑激素（10mg/kg）处理小鼠，可以显著降低骨髓细胞微核的发生率，有效地保护细胞免受辐射损伤。大鼠腹腔注射100mg/kg褪黑激素可以显著降低大脑脂质过氧化程度和DNA损伤，保护大脑免受辐射诱导的氧化损伤。而50mg/kg褪黑激素，可以保护大鼠的肝脏免受辐射损伤[33-35]。

褪黑激素的辐射防护主要是对骨髓有核细胞、造血干细胞有防护作用，并促进他们的修复，也可能与其清除自由基的能力有关，但激素类对性器官有影响，长期多次使用，可能会引起女性月经失调、男性睾丸萎缩等现象，在临床上的应用受到限制[36]。

2.6 其他

研究发现叶酸等一些营养物质、甜菜碱、锦紫苏等也具有辐射防护作用[37-39]，有些并没有确定具体的发挥辐射防护作用的物质，但是，在天然的植物中获得辐射防护剂是现在研究的热点。

3 辐射防护机制

辐射防护剂的防护机制并没有十分的明确，推断其主要的机制如下。

3.1 清除活性氧自由基

电离辐射诱导产生活性自由基，如羟基自由基、单线态氧等，同时也会产生毒性物质，过氧化氢等，产生的这些物质都会造成大分子物质（DNA、蛋白质和磷脂等）的损伤。特别是对DNA的损伤严重。DNA的断裂是电离辐射中致命的损伤，是辐射损伤细胞的靶点。同时，活性氧自由基在邻近的化合物中吸收氢原子引起连锁反应，导致细胞毒性。超氧阴离子和羟基自由基可以介导基因稳定性导致DNA损伤，致使细胞死亡。生理学研究，超氧化物与内源性一氧化氮反应形成过氧亚硝基（ONOO-），而ONOO-形成DNA加合物，引起-SH-变性[30，40]。

体外研究表明，大多辐射防护剂都具有清除活性氧自由基的活性，通过清除活性氧自由基，降低辐射毒性。

3.2 抑制脂质过氧化

脂质过氧化是辐射诱导的自由基产生的，会导致各种疾病。体内脂质过氧化会损伤细胞膜的结构和功能，同时与蛋白质和核酸等大分子反应而影响细胞功能。辐射防护剂抑制脂质过氧化的同时，保护细胞膜免受辐射损伤并降低氧化应激[41-42]。但是并不是所以具有清除自由基的辐射防护剂都具有抑制脂质过氧化作用的功能，如酵母甘露聚糖具有抗脂质过氧化的活性却没有清除自由基的能力[43]。

3.3 增加抗氧化酶活性

研究表明，辐照后可能因为氧化应激增加，导致肝脏和红细胞中的抗氧化酶（SOD、CAT和GST）活性降低。内源性抗氧化酶具有多种功能，如维持硫醇-二硫化物平衡，合成DNA前体和提供细胞内的ATP。SOD通过歧化作用使超氧阴离子形成H2O2，再被CAT分解成羟基自由基。辐射改变了内源性抗氧化物酶的结构，使体内的抗氧化物酶活性降低，因此，增加内源性抗氧化酶的活性可以减少活性氧自由基的产生，进而降低辐射损伤[18，40]。

3.4 DNA损伤修复

辐射诱导DNA损伤后可能会暂时停止DNA复制过程而进行DNA修复，这涉及到DNA修复酶的协作，如DNA修复聚合酶和DNA连接酶。完整的酶系统可以有效地修复损伤的DNA，并维持基因组的完整和稳定性。虽然辐射引起的DNA原发性损伤可以在几分钟到几个小时内修复，但是损伤的DNA经常会不经过酶系进行修复[34]。

辐射防护剂可以通过调节DNA修复基因降低电离辐射造成的DNA断裂。在进行DNA复制或有丝分裂前，抑制G1和G2期，可以修复损伤的DNA。p53蛋白与G1和G2期相关，p53相对稳定，可以通过转录传递其功能，激活多个目标基因，暂时将细胞抑制在G1-S期，进行DNA修复，抑制增殖，末端分化或凋亡。电离辐射后引起p53和p21蛋白水平升高，辐射激活p53基因导致编码G1/S期细胞循环关键性激酶抑制因子的p21蛋白表达升高，抑制细胞循环。辐射防护剂可以抑制辐射引起的p53和p21水平升高，降低DNA损伤[44]。

3.5 其他

有些辐射防护剂是抑制DNA损伤，增加非蛋白的巯基基团，促进细胞的增殖和代谢循环达到辐射防护的作用[1，45]。不同的物质的辐射防护机制不同，有些物质的辐射防护机制是多种机制共同作用的结果。

4 结论与展望

辐射防护剂的研究和发展对放射治疗的病人和暴露在辐射环境中的人员有很重要的作用。虽然已经研究了很多具有辐射防护作用的物质，但是还没有一种药物是批准和认可的用于治疗辐射综合症。硫醇类化合物具有很强的辐射防护作用，研究人员还研究了与其相关的、更有效的物质。阿米斯汀是唯一一个FDA承认的可以治疗辐射引起的口干燥症[11]。在临床中，辐射防护剂的细胞毒性和使用途径限制了某些物质的应用。因此，需要研究其他适宜的使用方法来降低副作用。理想中的辐射防护剂具有多项特点，包括明显的辐射防护作用，对大多数器官都具有保护作用，给药途径容易，低毒长效，与其他药物相容，化学性质稳定等。虽然最开始是要寻找低毒和高效的辐射防护剂，但是也要考虑其使用的难易程度。最近研究的大多是单一成分的抗辐射药物，研究者应该在已研究的基础上，发挥各化合物的特点，筛选出低毒、有效的复合型辐射防护剂[46]。

辐射防护剂的防护机理并不是单一的，而是多种机制相互作用，共同降低辐射损伤。现在辐射防护剂主要是选择一种安全的，可以结合细胞因子受体，刺激一种或多种细胞因子的释放，直接作用于造血干细胞增殖、再生的物质和清除辐射引起的活性氧自由基的物质。在植物中提取具有很强的清除自由基和促进骨髓细胞再生的天然的活性物质可能是以后研究中理想的辐射防护剂。因此，在药用植物和食品等天然物质中，寻找高效、低毒的新型抗辐射药物具有重要的意义。

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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 *通讯联系人

王丽（1987-），女，硕士研究生，研究方向：天然产物分离及功能研究。