低剂量/低剂量率电离辐射减轻放射性损伤的研究进展

赵文迪田 健周建炜

河南大学人民医院/ 河南省人民医院 肿瘤中心，郑州450003

放射性损伤是指肿瘤患者接受放射治疗时，靶组织附近的正常组织由于累积的放射剂量高于生物效应阈值而受到不同程度的损伤，包括早期的放射性急性损伤和后期的放射性纤维化[1-2]。尽管近年来离子射线设备和放射治疗技术不断优化和提高，但对正常组织的毒性并未发生根本性减轻，放射治疗可诱导某些重要器官和组织(比如肺肝与肌肉等)发生纤维化，严重影响患者的后续治疗效果和生存质量[3]。然而，愈来愈多的实验表明：与高剂量辐射相比，细胞对低剂量辐射的反应有着本质上的差别，其中一种就是低剂量电离辐射诱导的适应性保护作用，这可能是预防或减轻放射性损伤的关键所在。本文就低剂量电离辐射(low-dose ionizing radiation，LDIR)/低剂量率电离辐射(low-dose-rate ionizing radiation，LDRIR)诱导组织产生适应性保护作用的相关研究进行总结和梳理，指出目前研究中所面临的问题，提出未来研究的方向。

1 辐射适应性反应的定义

低剂量电离辐射的总辐射剂量≤100 mGy(或者低剂量率电离辐射≤6 mGy/h)，高剂量电离辐射(high-dose ionizing radiation，HDIR) 的 剂 量≥2 Gy[4]，足以引起确定性效应。20 世纪80 年代，既已发现，将人外周血淋巴细胞先经过3.70 kBq/mL 的预照射后，再利用高剂量X 射线进行照射，细胞染色体的畸变率比预期要小。很多学者们称之为辐射适应性反应(radio adaptive response，RAR)，即组织预先暴露于LDIR/LDRIR 后获得对随后HDIR 的抵抗能力，并将低剂量辐射增强免疫功能的作用包括在适应性反应之内，又称辐射耐受[5]。其具体表现为：相比较于单独接受HDIR，受到辐射耐受的细胞对随后的HDIR 所导致的染色体畸变、基因突变等损害效应明显减轻[6-7]。RAR 的辐射诱导剂量范围一般控制在5～200 mGy，若超出该范围，则这一效应很难发生。另外，RAR 也存在着个体差异，在同一实验环境下，不同个体的同种组织的细胞得到的试验结果存在明显差异，这与基因多态性以及细胞所处的微环境密切相关[8]。

2 RAR 的研究现状：从动物实验到人类临床研究

相比较于HDIR，LDIR 不会杀死或损害正常细胞和组织的生物学功能，反而能选择性地抑制癌前细胞，刺激免疫系统的各种抗肿瘤反应[9]。Ryan等[10]曾使用10 mGy 预辐照剂量连续照射实验小鼠5～10 d，随后使用2 Gy 的γ 射线进行放射诱导，结果显示：与单纯接受2 Gy 的γ 射线放射相比，小鼠胸腺淋巴瘤的发生率显著降低。与此同时，另一批小鼠在每次接受1.8 Gy 辐射前6 h 使用75 mGy X射线进行预照射，胸腺淋巴瘤的发生率同样显著降低。除此之外，在高剂量照射前35 d，以1.2 mGy/h的γ 射线进行全身预照射，15 m 后(总剂量达到12.6 Gy)，在小鼠的脾脏中发现CD4＋T 细胞和B 细胞的数量显著增多，进而有效地抑制胸腺淋巴瘤的发生[11]。Mitchel 等[12]研究发现，当给予Trp53 基因敲除小鼠10 mGy 电离辐射，205 d 后可降低其自发性脊髓骨肉瘤和淋巴瘤的发生风险。但有趣的是，当辐射剂量增加到100 mGy 时，脊髓骨肉瘤的发生率明显升高，但淋巴瘤的发生率却无明显变化。除此之外，用30～50 mGy X 射线预先照射9～17 d大鼠，再接受高剂量辐射后，其造血干细胞的凋亡速率会明显降低[13]。

临床研究也证实了这一结果。伊朗拉姆萨尔高辐射区居民常年接受异常高辐射水平照射(大约为260 mGy/a，主要通过热泉带到地球表面上的镭进行辐射)。Ghiassi-nejad 等[14]比较分析了伊朗拉姆萨尔高辐射区和正常辐射区居民所采集的淋巴细胞暴露于高剂量射线后染色体畸变情况，采集高辐射区居民和正常辐射区居民的淋巴细胞，暴露于1.5 Gy γ 射线，结果发现高辐射区居民人群染色体畸变频率明显降低，这表明正常人长期暴露于LDIR会获得明显的放射耐受性。与此同时，另一项研究显示，用2 Gy X 射线照射常年接受28 mGy/a 电离辐射的医院工作人员的淋巴细胞，引起染色体畸变率显著低于未受到辐射的正常人群[15]。

此外，在一项针对5 名新型冠状病毒肺炎老年患者的试验中发现：使用低剂量全肺放射治疗可迅速改善患者缺氧、乏力等临床症状，且未发现急性毒性反应。该研究显示低剂量全肺放射治疗新型冠状病毒肺炎是安全有效的，但具体分子机制仍需要进一步实验研究[16]。

3 RAR 的分子机制

3.1 DNA 损伤修复系统

人们普遍认为RAR 发生的原因是DNA 双链断裂(DNA double-strand break，DSB)，实际上RAR 也可引发新蛋白质的合成，这些新产生的蛋白质导致效应因子的激活，从而在增强DNA 修复、分子伴侣的诱导、同步细胞周期和抗氧化等过程中起直接作用[17]。有研究表明，多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶(polyADP-ribose polymerase，PARP)是一类具有重要生理功能的蛋白酶，PARP 能催化二磷酸腺苷核糖多聚化反应，对DNA 损伤修复起重要作用[7]。Ojima 等[18]通过对接受X 射线照射的正常人原代成纤维细胞株(MRC-5)进行DSB 测定，结果显示：当未分裂的融合细胞被3～5 mGy X 射线预照射时，每个细胞的平均DSB 数量比未进行低剂量预照射的数量有所降低。尽管尚未确定其机制，但可以提示DSB 的增强修复活性参与了保护性旁效应。Otsuka 等[19]也报道了连续4 次200 mGy(总共800 mGy)低剂量照射可抑制B6C3F1 小鼠的N-乙基-N-亚硝基脲诱发的胸腺淋巴瘤的产生，提示RAR 也可以抵抗化学致癌作用。

3.2 细胞周期调控系统

细胞周期检查点是细胞周期中保证DNA 复制和染色体分配质量的检查机制。当细胞周期进程中出现异常事件，如DNA 损伤或DNA 复制受阻时，这类调节机制就被激活，能够及时中断细胞周期的运行，待细胞修复或排除故障后，细胞周期才能恢复运转[20]。在细胞周期G0、G1、S、G2 和M 五个时期中，G2 期和M 期的细胞对辐射最为敏感[21-22]。Brooks 等[15]研究表明HDIR 可诱导细胞周期中G2/M 期的停滞，而共济失调毛细血管扩张突变基因(ataxia telangiectasia mutated，ATM)对于每个检查点通路的启动是至关重要的，他们还经过体外实验发现：LDIR 可显著增加ATM 的活性，进而对HDIR诱导细胞周期G2/M 停滞进行有效的检测。这进一步证实了LDIR/ LDRIR 可诱导正常组织产生适应性保护作用。

3.3 细胞凋亡

细胞凋亡过程是受多种基因调控而实现的，根据作用机制的不同基因可分为诱导细胞凋亡基因和抑制细胞凋亡基因[23]。研究发现，在Bcl-2 家族中Bcl-2 为重要的抑制凋亡基因，而Bax 为促进凋亡基因，两者的比值决定细胞凋亡的比例[24]。Yang等[25]研究发现，单纯1.5 Gy X 射线照射小鼠后，其细胞凋亡相关基因蛋白Bcl-2 显著降低，Bax 和p53显著增加，而Bcl-2/Bax 比值显著降低。然而，低剂量照射提高抑制凋亡基因蛋白分子的表达，而降低促进凋亡基因蛋白分子的表达，最终导致细胞凋亡降低。因此，p53 蛋白和bcl-2 家族中Bcl-2 和Bax蛋白表达在低剂量辐射诱导的适应性反应中起重要作用，也是其反应的机制中主要的调节因素[26]。

3.4 内分泌因子参与调节放射适应性反应

辐射适应性反应通过各种传感、反馈和调控机制来维持其对内环境改变的适应作用。内分泌系统是维持人体内环境稳定的关键组成部分。LDIR/LDRIR 预照射诱导的RAR 可能是通过内分泌因子的调节来实现的。肾上腺皮质释放糖皮质激素(包括人类、兔子和松鼠体内的皮质醇或小鼠和大鼠体内的皮质酮)是脊椎动物对受到应激刺激源而产生的典型反应，如受到内源性活性氧和外源性包括感染性病原体、有毒物质等的攻击[27]。糖皮质激素的主要作用是保护个体免受免疫和炎症反应的过度刺激。Souchkevitch 等[28]分析了从1986 年到1988 年期间负责对核反应堆泄漏事故进行清理工作的切尔诺贝利工人所采集的血液样本(平均暴露时间为1～3 mon，平均接触暴露剂量约为120 mGy)。结果显示，与未接触过核反应堆泄漏现场的人群相比，其皮质醇水平显著增加。与此相似，Boonstra 等[29]报告了长期使用低剂量γ 射线照射草原田鼠(22.6 μGy/h，超过2.5 a 以上)，皮质醇水平高于对照组(未接受电离辐射)和更高剂量率(3 840 μGy/h，超过1.5 a 以上)辐照组。这些结果表明长期暴露于LDIR/ LDRIR 后，体内糖皮质激素升高可能是诱导RAR 的潜在因素。

3.5 抗氧化应激能力

有学者认为RAR 可以减少DNA 损伤程度，这可能与RAR 活化体内对抗自由基的酶系统密切相关。抗氧化防御系统是预防外源性应激产生氧化损伤的重要系统。其中，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH)、NF-E2-related 2(Nrf2)和活性氧物质(reaction oxygen species，ROS)对低剂量辐射适应性反应的诱导非常重要。Otsuka 等[19]用将大鼠暴露于低剂量率(1.2 mGy/h)的γ 射线照射20 d 后，大鼠体内谷胱甘肽转硫酶和过氧化氢酶水平与对照组相比显著增高，而这些酶类用于清除机体内的血清自由基，从而减少DNA 的损伤。活性氧簇(reactive oxygen species，ROS) 是在机体内主要由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化还原酶系统产生，可活化体内的抗氧化应激的酶系统[30]。在生物学背景下，ROS 形成氧的代谢副产物，并且在细胞信号传导和体内平衡中具有重要作用。然而，在环境压力(如电离辐射或热暴露)期间，ROS 水平会急剧增加[31]。Asaad等[32]将人成纤维细胞接种在三维构建的培养皿上，对细胞进行48 h 的低剂量(10～100 mGy)慢性照射后发现，与自发微核率相比细胞的微核率显著下降，并且发现细胞内一系列抗氧化物酶(超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等)的表达均有不同程度的增加。因而推测，与ROS 和自由基清除有关的抗氧化物酶在LDR 产生的保护性机制中起着关键性作用。

3.6 热休克蛋白

诸多研究表明：当细胞受到温度刺激、重金属、氧化应激和电离辐射时，热休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)被诱导产生并对细胞产生保护作用[33-34]。因此，HSPs 对电离辐射损伤的保护效应成为学者们关注的热点。HSPs 是高度保守的伴侣蛋白，存在于几乎所有的亚细胞区室中，包括细胞膜和细胞外环境[35]。它们在增强细胞存活和维持细胞稳态的防御机制中起着关键作用，并能阻止辐射诱导的细胞死亡。据分子量从20 kμ 到100 kμ 不等，热休克蛋白被分为不同的家族，新命名法称之为HSPA(热休克蛋白70)、HSPB(小热休克蛋白)、HSPC (HSP90)、HSPD/E (HSP60 伴侣蛋白) 和HSPH(热休克蛋白110)，广泛参与各种保护机体和细胞的生理功能[36]。Lee 等[37]利用低剂量(10 mGy)γ 射线照射纤维肉瘤细胞后，HSP70在细胞中表达明显增高，对细胞产生保护作用。此外，有研究表明，通过腺病毒载体传递到小鼠唾液腺中的HSP25 可显著改善电离辐射所导致的唾液流失。并且在唾液腺中过度表达HSP25 可以显著抑制辐射诱导的细胞死亡和水通道蛋白5(AQP5)的表达。HSP25 可能是放射保护的有用靶点，尤其是作为头颈部肿瘤放疗的辅助药物[38]。HSPs 被证明参与电离辐射激活的过程，可能是因为活性氧的产生。诱导HSP70 可导致辐射适应性反应的发展，并可防止辐射诱导的细胞死亡。当暴露于γ 射线时，C3H 10T1/2 细胞对辐射敏感，用43 ℃的预处理后，HSP70 的过度表达保护C3H 10T1/2 细胞免受γ 射线诱导的DNA 损伤，从而提高细胞活力[39]。

4 小结与展望

综上所述，现如今电离辐射的应用十分广泛，其中接受放射治疗的肿瘤患者、医疗放射工作人员和核电站放射工作人员无疑是主要受照群体。如何降低放射治疗的不良反应是迫切需要解决的问题。低剂量/低剂量率电离辐射可诱导正常组织产生适应性保护作用，但由于低电离辐射的剂量不确定性以及人体器官特异性等因素的干扰，导致LDIR/LDRIR 的保护效应仍然存在一定的争议。目前，我们对DNA 损伤反应、抗氧化反应等已经有了一定程度的认知，但对低剂量辐射适应性反应机制的认识只是一个起步。随着分子生物学研究的不断进步，特别是近年来蛋白质组学技术的成熟化，使得阐明RAR 的机制成为可能。因此，我们有必要深入探究LDIR/ LDRIR 所致生物学效应的具体分子机制，为LDIR/ LDRIR 预防正常组织损伤/纤维化提供更多的证据。