造血生长因子在急性辐射损伤治疗中的作用

李跃彤 黄平平

随着国际核技术的发展，核辐射事故成为国家最大安全威胁之一，其表现为急性辐射综合症，根据受辐射剂量的不同，可表现为不同的器官综合征，即造血、胃肠、皮肤和神经血管[1-2]。毫无疑问，辐射防护剂成为放射核威胁对策研究领域的重中之重。经历了半个多世纪的努力研发，最近只有两种辐射治疗对策，即粒细胞集落刺激因子Neupogen（非格司亭）[3]和聚乙二醇粒细胞集落刺激因子Neulasta[4]被美国食品和药物管理局（FDA）批准用于治疗放射性核事件患者，二者均属于造血生长因子类药物，说明使用造血生长因子刺激患者自身的骨髓恢复，治疗急性辐射综合征是一种潜在的有效对策[5]。

造血因子是细胞因子家族中一类相对特异的细胞因子，在调节造血细胞的增殖、分化、凋亡和衰退等方面具有重要的生物学功能。依据其对造血功能的影响，又可分为促进因子（生长因子）和抑制因子，其中生长因子是调节造血的关键环节，对于诱导、促进造血细胞的增殖和分化具有重要作用[6]。造血生长因子（hematopoietic growth factor，HGF）主要包括粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony stimulating factor，G-CSF），促血小板生成素（thrombopoietin，TPO），促红细胞生成素（erythropoietin，EPO），粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte macrophage colony stimulating factor，GM-CSF），巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF），白介素（interleukin，IL），这些因子具有不同的生物学功能，单独或协同调节体内造血各个阶段的细胞增殖、分化和成熟等。造血生长因子的临床应用广泛，可用于治疗多种疾病，如贫血[7]、骨髓移植[8]和各种原因造成的中性粒细胞减少症[9-10]。近年来，应用造血生长因子治疗急性辐射综合征获得了较好的临床疗效并积累了丰富的经验。但是，对其治疗辐射损伤的机制研究，用药时机、剂量及合理的配伍等问题，需进一步探讨和总结，本文对此研究现状及进展做一综述。

一、 造血生长因子治疗急性辐射损伤的机制研究

应用造血生长因子治疗急性辐射损伤，与其减少辐射后造血细胞凋亡，加速造血细胞进入细胞周期进行增殖和分化，促进造血功能恢复有关[11]。一项研究表明，G-CSF通过诱导单核（巨噬）细胞成熟发挥在急性辐射综合征中的治疗作用[12]。除了对造血细胞增殖的刺激作用外，还与造血生长因子在辐射诱导的骨髓抑制中抗凋亡作用有关[13]。为了进一步探究造血生长因子是通过何种信号通路治疗急性辐射损伤的，应用聚乙二醇G-CSF（Neulasta）治疗放射后小猪[14]，发现体内IGF-1配体的明显增加同时伴有IGF-1R/ Akt/ eNOS级联通路的激活。此外，Neulasta还通过诱导贴壁蛋白的膜定位，防止NADPH氧化酶的激活和氧化应激的过度产生，稳定了受辐射的细胞屏障。另一项研究也发现，照射后激活JAK-2/STAT3信号转导因子并增强了Nrf-2相关的细胞保护机制，从而解除了辐射诱导的氧化应激，也为造血因子治疗辐射损伤提供了理论基础[15]。类似的研究也证实了Nrf-2介导的Notch信号通路可以增强急性辐射后造血干细胞功能，减轻辐射诱导的骨髓抑制，降低死亡率[16]。这一途径可能为对抗急性辐射损伤效应提供一个的新对策。

二、 造血生长因子对急性辐射损伤的治疗作用

（一）造血生长因子对动物模型的治疗作用

1983年首次报道了G-CSF对造血的刺激作用[17]，九十年代起，就有多种造血生长因子广泛用于各种急性辐射损伤的动物模型，如鼠[18]、狗[19]及非人灵长类动物[20-21]，均取得较好的治疗效果。近年来的动物实验研究表明，应用重组人血小板生成素治疗放射性小鼠[22]和犬[23]，不仅在一定程度上促进了造血祖细胞的再生，增加了外周血白细胞和血小板计数，还显著提高了小鼠和犬的存活率，表明重组人血小板生成素是一种有价值的治疗急性放射性损伤的手段。应用重组G-CSF治疗经1.78 Gy60Coγ全身照射的哥廷根迷你猪[12]，照射后24 h开始注射重组G-CSF，剂量为10 µg·kg-1·d-1，连续给药17 d，不仅诱导中性粒细胞的产生并加速其恢复，刺激造血祖细胞的增殖，而且使迷你猪的生存率从12.5%提高到37.5%。该研究首次证实了G-CSF可以提高辐照小型猪的生存率，也为小型猪作为大型动物模型用于辐射对策测试的适宜性提供了依据。Legesse等[14]使用了新药聚乙二醇G-CSF（Neulasta），该药可使CSFs逐渐释放，从而大大减少使用频率，治疗经2.2 Gy全身照射的小猪，于照射后第1天和第8天给药（300 µg·kg-1· d-1），Neulasta组45 d的存活率为80%，明显高于对照组的30%（P＜ 0.05）。将实验组和对照组CRP和IGF-1归一到各自的辐照前值后，Neulasta组IGF-1的峰值水平比相应的辐照前值高10倍，明确了G-CSF在保护血管系统免受辐射损伤方面的保护性作用。重组人白介素-12（rHuIL-12）在治疗急性辐射综合征方面也具有较好的刺激造血恢复的作用，研究[24]比较了rHuIL-12（175 ng/kg×1）与G-CSF（10 µg · kg-1· d-1×18）对受照700 cGy恒河猴的治疗作用，发现与G-CSF相比，单独应用rHuIL-12不仅增加了红细胞、髓细胞和巨核细胞计数，还显著提高了60 d存活率（56%vs31%），该发现为rHuIL-12作为一种单一的药物来对抗人类的急性辐射综合征提供了理论支持。

急性辐射综合征的严重程度是剂量及时间依赖型的，不同的动物模型对急性放射的首要器官损伤可能不尽相同。为了研究不同的动物模型治疗方案对于人类的辐射损伤治疗及药物研发是否都具有指导意义，Fish等[25]比较了WAG/RijCmcr大鼠模型与非人灵长类动物（NHP）模型在受到高剂量急性辐射损伤的反应，发现：大鼠、NHP与人类相似，在受到放射损伤后表现出相同的后遗症，依次为放射性肠损伤、造血器官损伤、肺、心和肾等器官的损伤。也有研究表明[26]，美国的7个研究中心大多数采用恒河猴进行辐照的，NHP模型是FDA药品开发和批准的金标准动物模型，但是，由于缺乏预测人体反应的NHP模型的合适替代品，发展辐射对策进入瓶颈期。总之，在选择急性辐射损伤的模型时，要综合考虑辐射剂量、辐照年龄、实验环境、护理条件和终点定义的差异等，还要建立更多的大型动物模型，以支持新的辐射对策的研发。

（二）造血生长因子对急性辐射综合征患者的治疗作用

八十年代末，首次报道了应用重组人粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（rHuGM-CSF）治疗8例暴露于137 Cs辐射后患者[27]，他们受照的累计剂量为2.5 ～ 6 Gy,在受照约32 d后接受静脉输注500 µg/（m²·d）的rHuGM-CSF治疗，当粒细胞计数连续3 d ＞ 2×109个/L时停止给药，该案例为应用造血生长因子治疗人类急性辐射放射性提供了可靠依据。到目前为止，临床应用造血生长因子治疗放射性损伤多为个案报道，以应用G-CSF、EPO联合抗感染、营养支持等治疗经验较为丰富。国内外应用造血生长因子治疗急性辐射综合征案例具体情况见表1。

总之，暴露于电离辐射后，临床医生要基于患者的临床表现，特别是造血参数的动态来预测急性辐射损伤的严重程度。同时，结合受害者的早期临床表现，受损部位、器官，受辐射剂量而制定合理的治疗策略。

三、不同给药条件下造血生长因子对急性辐射损伤的治疗作用

（一）不同给药时间下造血生长因子的治疗作用

多项研究评价了不同给药时间，造血生长因子对急性辐射损伤的救治作用。Farese等[33]比较了对保留2.5%骨髓的恒河猴施行10.0 Gy部分体照射后，于照射后第1，8，15天或第3，10，17天注射聚乙二醇粒细胞集落刺激因子（Neulasta）的疗效，发现后者中性粒细胞减少症（绝对中性粒细胞计数＜ 500个/µl）的平均持续时间为22.4 d，而Neulasta组为13.0 d。对照组中性粒细胞计数的绝对最低点为48 个 /µl，而注射 Neulasta 的两组分别有 117 个 / µl和40 个 / µl。本研究表明，在放射后早期给药更有利于造血系统的恢复。类似的研究也表明[34-35]，辐照后早期、及时应用G-CSF等造血生长因子，在治疗急性辐射综合征事件中具有潜在的好处，不仅可以显著增加30 d的生存率（P＜ 0.01），促进白细胞、中性粒细胞、红细胞和血小板更快的恢复，还可以显著增加造血祖细胞数量（P＜ 0.01），有利于造血功能的加速恢复。

表1 核辐射事故中造血生长因子使用情况列表

总之，在辐射损伤后早期及时给予造血生长因子治疗，一方面有利于残留造血祖细胞或干细胞的增殖、分化和成熟，加速造血功能的重建[36]，具体可以表现为提高外周血小板、白细胞和红细胞总数，缩短辐射损伤所致全血细胞严重低下的持续时间，另一方面有利于降低出血、感染和贫血的发生[37]，对促进急性辐射损伤患者康复、提高临床救治成功率具有重要的现实意义。

（二）不同给药剂量下造血生长因子的治疗作用

部分研究表明，造血生长因子在急性辐射损伤的应用呈剂量依赖性，适当提高给药剂量有利于辐射损伤的救治。对于全身受照700 cGy恒河猴24 ～ 25 h给予不同剂量的rHuIL-12 治疗[25]，剂量分别为0，50，100，250，或 500 ng/ kg，60 d后的存活率分别为11%，33%，39%，39%和50%，且经rHuIL-12处理的猴子在受照后骨髓再生明显大于对照组。本研究的数据表明，辐射后1 d单次注射rHuIL-12一 方面可以显著提高生存率，另一方面可以降低辐射诱导的造血毒性。应用不同剂量G-CSF治疗急性辐射损伤得到了同样的印证。受到9.25 Gy辐射的小鼠，在0.17 mg/ kg至0.51 mg/kg剂量下的小鼠30 d存活率没有提高；然而，与对照组相比，单剂量0.68 mg/kg的G-CSF显著提高了存活率（66%）[38]。说明适当提高给药剂量有利于辐照小鼠的存活。Rozhdestvenskiĭ等[23]对于受到3.5 Gy急性辐射的杂交犬应用不同剂量的重组TPO治疗，发现给予小剂量（5 microg · kg-1·d-1）的TPO治疗是无效的，当加大剂量至10 microg·kg-1·d-1时，TPO对犬的血小板及白细胞均有有益作用，45 d存活率显著优于对照组。不同于以上研究，与较低的给药计划相比[39]，较高的给药计划并没有提供显著的额外生存益处。他们观察了0.3 mg/kg和1 mg/kg的PEG-G-CSF对受照射小鼠的治疗作用，统计小鼠30 d的存活率分别为95%和100%。在不影响生存率的情况下降低药物剂量，可以减轻辐射事件后的经济负担。

总之，G-CSF，TPO，rHuIL-12等造血生长因子的药理作用不同，药物发挥时间不同，应通过动物实验和临床案例总结最适合的给药剂量，以期为选择合适剂量的药物治疗急性辐射损伤提供证据支持。

（三）造血生长因子联合用药的治疗作用

早在1990年，Weiss等[40]就已经深入讨论了使用联合药剂治疗方案来改善辐射损伤的问题。应用造血因子治疗急性辐射损伤在动物实验上已经取得了较好的治疗效果。应用聚乙二醇化G-CSF和Alxn 4100 TPO联合治疗受辐射的雌性小鼠[41]，不仅增加了小鼠水的摄入量，减轻了白细胞的耗竭，尤其是中性粒细胞，淋巴细胞，单核细胞和嗜酸性粒细胞的数量。此外，小鼠的造血和回肠功能均有明显改善，30 d内的存活率从35%提高到55%。将rhG-CSF和rhIL-11多种造血生长因子联合应用[42]，对治疗辐射损伤具有更好的协同作用，不仅可以改善骨髓细胞DNA含量，还保护了受辐照损伤的免疫、造血和生殖器官，提高机体的抗氧化能力胸腺和睾丸的损伤。在以往的辐射事故医疗救治中，应用造血生长因子联合其他疗法，如联合抗菌、抗病毒[32]，联合间充质干细胞治疗[29]，联合抗呕吐剂、止痛剂等[31]都可以缓解辐射损伤造成的器官损伤，延缓受照人员的生存期。

总之，单一的治疗方法不太可能对任何受辐射损伤的器官有显著的疗效，联合用药一方面可以发挥各自药物的优势，扩大治疗的效力范围，提高治疗的疗效，另一方面还可以降低辐射造成的致死率。需要在不同的时间使用不同的医疗对策，以期对人体辐射事故受害者的伤害降低到最低。

四、造血生长因子治疗后可能出现的副作用

为了探究急性辐射综合征后给予G-CSF治疗是否会影响造血干细胞的功能，Li等[43]设计了小鼠全身照射模型，经4 Gy照射后2 h和6 h给每只小鼠腹腔注射1 mg的G-CSF，余后6 d每日注射2次，结果显示虽然G-CSF减轻了辐射诱导的白细胞水平下降，但却抑制了辐射后1个月小鼠造血干细胞的自我更新能力。研究同时表明，G-CSF移植后加重辐射诱导的骨髓损伤，可能与活性氧生成增加、激活了p38丝裂原活化蛋白激酶，从而诱导造血干细胞衰老有关。

但是，有关G-CSF或其它造血生长因子在治疗辐射损伤时可能出现的副作用报道较少，如短暂的肌痛，发烧，甚至出现脾肿大或Sweet's综合征[44]。综合评价造血生长因子治疗急性辐射综合征的利与弊，治疗作用远远大于副作用，因此，在严重急性辐射照射后的治疗中仍然可以优先考虑应用此方案[45]。

综上所述，造血生长因子在急性放射病的治疗中发挥着重要作用，在辐射损伤后早期单独使用或在延长的几天治疗方案中使用时都是有效的。多种造血生长因子联合用药或与抗感染、营养支持等治疗方式相结合，可以改善治疗效果，降低致死率。尽管如此，关于造血生长因子仍有一些值得进一步研究的课题，如造血生长因子治疗急性辐射损伤患者后是否会导致基因突变，会不会导致体内造血干（祖）细胞的枯竭等。可以预期，多种造血生长因子在治疗急性辐射损伤方面将会发挥更加重要的作用。