氡是由地壳中的铀和镭衰变产生的一种放射性的惰性气体, 经自发衰变又进一步产生一系列放射性子体, 广泛存在于人类生活和工作环境中, 约占人类本底辐射的50%[1]。氡及其子体在空气中形成的放射性气溶胶被吸入人体后, 主要沉积在呼吸道表面并不断发射出α粒子, 对支气管和肺上皮细胞产生高LET照射; 另一方面, 具有良好水溶性和脂溶性的氡及其子体约有三分之一通过呼吸道黏膜和血气屏障进入血液分布于全身, 主要蓄积于骨髓脂肪组织, 且氡的长寿命子体如210Pb、210Po属亲骨性核素, 可长期蓄积在骨骼中, 从而对骨髓造血干细胞产生持续的α照射[2]。因此, 肺和骨髓是氡及其子体作用的二个重要靶器官, 其发射的高能α粒子通过诱发基因突变或染色体畸变, 最终导致肺癌及血液病的发生[3]。1987年国际癌症研究机构(IARC)已明确将氡及其子体归为一类致癌因素, 是目前仅次于吸烟导致人类肺癌的第二大元凶。流行病学研究还表明, 各型儿童白血病的危险度升高与氡暴露水平密切相关[4]。因此, 研究氡及其子体暴露导致肺癌和造血系统的损伤效应及其分子机制, 对于预防和控制氡对人类健康的危害具有重要的意义, 近年来已成为国内外研究关注的焦点。
1 氡及其子体暴露致肺癌的分子机制研究 1.1 矿工和居民氡暴露致肺癌与基因突变的相关性研究目前研究认为, 原癌基因K-ras和抑癌基因TP53突变均参与了致癌过程的启动, 研究亦发现他们与氡暴露致肺癌存在相关性。McDonald等[5]在分析铀矿工肺癌时发现, 23名肺腺癌标本中, 39% (9/23)的病例在K-ras基因的热点突变区至少有一个位点突变; 52例肺鳞癌和大细胞癌中, 31%出现TP53基因249位密码子的G-T转换, 然而23例肺腺癌则未显示突变, 表明TP53基因249位密码子突变可能有病理组织特异性:常见于肺鳞癌和大细胞癌, 而罕见于肺腺癌。Ruano-Ravina等[6]在对578例肺癌病例的研究中也发现, 26%的铀矿工肺癌有TP53基因突变, 主要为249位密码子的G-T转换, 而且肺癌TP53基因突变率增高与居民室内氡暴露水平有关。国内夏英等[7]报道, 在室内氡浓度200~338 Bq/m3的7例肺癌患者中, 年龄> 54岁的5例都检出TP53基因突变, 但是未发现K-ras基因突变。总之, K-ras基因和TP53基因突变与氡暴露致肺癌的相关性还需要进一步深入研究。
1.2 细胞和动物实验研究氡暴露致细胞恶性转化与基因突变和DNA损伤的关系在体外细胞试验中, Petitot等[8]首先建立了细胞培养于Transwell六孔板进行氡染毒的模型, 研究发现大鼠肺上皮细胞在45~ 50 MBq/m3氡气浓度范围内染毒3~6 h, 随着累积剂量增加, α粒子击中细胞和细胞核的平均次数增加, 细胞生存率则明显下降。韦晔等[9]观察了中国仓鼠肺细胞(V79细胞)体外染氡的早期损伤效应, 结果表明:V79细胞在氡浓度为0.04 MBq/m3条件下每次染氡10 min, 共染毒4代, 随染氡次数和传代次数的增加, 细胞出现G1期缩短和S期延长, 细胞凋亡率逐渐升高, Caspase-3蛋白表达亦有明显上升趋势; 但氡染毒后培养至第10代时, 细胞却出现G1期延长, 可能使细胞具有充分修复损伤DNA的机会, 而使细胞凋亡率明显下降, 提示细胞可能开始出现恶性转化的趋势。Li等[10]研究发现线粒体DNA (mtDNA)部分缺失能显著降低氡暴露诱发的人支气管上皮细胞的凋亡, 与氡诱导细胞内活性氧(ROS)升高、线粒体跨膜电位(MMP)抑制及G1和S期增加、G2/M期降低密切相关, 因此可能有助于触发并促进氡诱导的细胞恶性转化。
动物实验研究表明, 在氡及其子体吸入诱发大鼠肺癌模型中, 有14%(4/29)的肿瘤出现TP53基因突变和缺失, 包括密码子124和134的A-G转换, 它们分别与人类密码子126和136同源, 但未观察到249位密码子的G-T转换, 研究者认为, TP53基因突变率较低表明抑癌基因的直接失活基本不参与氡诱导大鼠肺癌的发生[11]。Li等[12]检测氡染毒累积剂量达100 WLM的BALB/c小鼠气管-支气管上皮细胞的22个已知功能基因的表达发现, 酪氨酸蛋白激酶(protein tyrosine kinase, PTK)等14个基因表达上调, 核糖体蛋白L19等8个基因表达下调, 他们分别与细胞氧化、增殖与凋亡、DNA损伤及肿瘤发生相关。
氡及其子体暴露诱导DNA氧化损伤在肺癌发生过程中起着重要作用, 其中鸟嘌呤最易发生氧化损伤, 形成8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG), 它主要通过碱基切除通路进行修复。Nie等[13]研究发现, 氡染毒大鼠肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)细胞的8-OHdG水平随氡暴露量增加而增长, 而其修复酶如8-氧基鸟嘌呤DNA糖基化酶、三磷酸氧化嘌呤核苷在肺组织中的表达水平与氡的累积暴露量呈负相关, 表明氡及其子体可能通过干扰DNA碱基修复能力进一步提高氧化损伤。Li等[14]研究报道, 当大鼠氡累积暴露量达66-174WLM时, 用单细胞凝胶电泳技术(single cell gel electrophoresis, SCGE)检测到大鼠BALF细胞的DNA双链断裂损伤, 其损伤程度随氡暴露剂量的增加而增加, 表明来源于气道及肺泡上皮表层的BALF细胞可用于监测氡诱导的肺损伤。另有研究报道, 氡暴露也能诱导BALF细胞基因甲基化, 如累积剂量为120 WLM大鼠的BALF细胞p16基因甲基化率为16.7%, 随着氡暴露剂量的增加, p16基因甲基化率显著升高, 为氡致肺癌早期肿瘤标志物的筛选提供了参考[15]。
还有研究发现, 大鼠累积氡染毒为30~120 WLM时, 肺组织出现肺间质充血水肿、炎症细胞浸润和肺泡间隔增厚等病理变化, 随着累积暴露剂量增加, 病理损伤的发生率、损伤范围和严重程度明显增加, 肺泡毛细血管内血栓发生率明显增高[16-17]。崔凤梅等[18]报道, 大鼠累积氡暴露量分别为60, 90, 120 WLM, 随着氡暴露累积剂量的增加, 大鼠气管一支气管上皮细胞的集落形成率和存活率显著下降, 呈一定的剂量-效应关系。
2 氡及其子体暴露对造血系统的损伤效应及其分子机制研究 2.1 矿工和居民外周血淋巴细胞的细胞遗传学检测血液和骨髓是肺之外氡及其子体作用的另一个重要靶器官, 由于外周血淋巴细胞和骨髓造血干细胞对电离辐射高度敏感, 因此氡及其子体诱发白血病尤其是儿童白血病的危险亦引起高度关注。但是, 目前氡暴露与白血病关系的生态学研究和病例对照研究得到相互矛盾的结果。尽管白血病的发病危险与氡浓度的相关性还有待进一步调查, 但流行病学研究通过分析225名职业氡暴露(1.7~662.3 WLM)矿工的肺癌发生率与外周血淋巴细胞染色体畸变(chromosome aberrations, CAs)率的数据发现, 36例肿瘤患者的CAs率与肿瘤发病率密切相关:CAs中染色单体断裂是最常见的畸变类型, 平均达1.2%, 与氡暴露显著相关; 而且CAs细胞率与氡暴露亦明显相关, 平均达2.5%;Cox回归模型分析表明, 矿工肺癌发生率与染色单体断裂频率及CAs细胞率呈显著正相关, CAs细胞率增长1%导致肺癌风险增长62%, 染色单体断裂频率增加1%可使肺癌风险增加99%, 表明染色单体断裂频率和/或CAs细胞率可能是预测氡暴露致肺癌的一个可行的指标[19]。研究还发现, 室内较高氡浓度能诱发人体外周血淋巴细胞的DNA损伤, 例如在甘肃省庆阳市部分居民长期居住的窑洞中, 由于通风不良等原因, 导致室内氡浓度增高, 一般可达200~ 350 Bq/m3, 甚至更高, 出生后一直居住在窑洞中的农民不仅外周血淋巴细胞微核(MN)形成率(1.07‰)高于普通住房(室内氡浓度37~77 Bq/m3)的居民(0.78‰), 而且采用SCGE技术检测到外周血淋巴细胞DNA双链断裂损伤也高于普通住房的居民[20]。
2.2 体外氡染毒诱导人外周血淋巴细胞损伤效应的研究多项体外研究采用人外周血进行氡染毒, 采用卢卡斯闪烁室和α计数器监测氡暴露剂量, 结果表明, 很低剂量的0.12~1593.21MBq/m3(0.01~ 127mGy)氡暴露能诱导人外周血淋巴细胞的染色体损伤和MN形成, 其中双着丝粒(dicentrics, Dic), 无着丝粒断片(acentric fragments, Af)和着丝粒环(centric rings, Cr)的频率和MN率均随着氡暴露浓度增加而增加, 具有显著的剂量-效应关系; 然而染色单体断裂、核质桥及核芽的频率并没有随氡暴露剂量增加而显著增加[21]。还有研究观察到, 0.9~5.2 mGy氡暴露诱导吸烟者外周血淋巴细胞Dic、Af和染色单体断裂频率显著高于非吸烟者, 提示氡暴露和吸烟协同作用提高了染色体的不稳定性, 从而增加了致癌风险[22]。另有研究报道, 氡暴露能诱导人外周血T淋巴细胞次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase, HPRT)基因突变频率(mutant frequency, MF)明显增加, 在0~ 1.07 Gy剂量范围内表现为线性的剂量-效应关系, MF=4.81+0.67x; 而低LET137 Cs γ源照射(0~5 Gy)诱导HPRT基因突变呈现二次多项式的剂量-效应关系, MF=4.28+1.34x+7.51x2; 而且氡暴露诱导的HPRT基因突变谱具有多重单个碱基缺失/突变和微缺失的特点, γ射线照射诱发的突变则主要是大片段缺失特别是整个基因缺失及重排, 这一特性为评价人体氡暴露的基因毒性提供了实验依据[23-24]。
2.3 动物实验研究氡及其子体吸入诱发血液系统的损伤效应及作用机制氡及其子体暴露诱发大鼠外周血淋巴细胞损伤效应的研究表明, 当累积氡暴露量分别为10、20和30 WLM时, 采用氚-胸腺嘧啶核苷(3H-TdR)掺入法和SCGE技术检测到, 各暴露剂量组大鼠外周血淋巴细胞DNA合成能力均显著低于空白对照组, DNA迁移距离均显著高于空白对照组, 呈明显的剂量依赖性, 表明大鼠吸入氡及其子体可引起淋巴细胞DNA合成抑制及淋巴细胞转化能力下降, DNA双链断裂明显增加[25]。Li等[26]采用SCGE技术亦检测到, 当大鼠累积氡暴露量达66~174 WLM、肺BALF细胞的DNA损伤随氡暴露量增加明显增大时, 外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells, PBMC)的DNA双链断裂程度亦显著增大, 呈明显的剂量依赖性, 提示PBMC可能可作为BALF的替代物用于监测氡诱导的肺损伤。Nie等[27]研究发现, 60~240 WLM累积氡暴露量能诱导大鼠外周血淋巴细胞DNA碱基损伤, 8-OHdG水平随氡暴露量增加而增加。亦有研究报道, 在累积氡暴露量分别为60、90和120 WLM时, 大鼠外周血淋巴细胞MN形成率和HPRT基因突变率显著高于对照组, 呈现明显的氡暴露剂量依赖性, 故研究者认为MN形成率和HPRT突变可作为氡暴露致遗传改变的生物标记物[28]。
氡及其子体暴露不仅诱发外周血淋巴细胞的DNA损伤, 而且对其它血液细胞亦有一定的损伤作用。有研究报道, 随着小鼠染氡剂量(21, 33, 55, 101WLM)增加, 红细胞数和红细胞压积(HCT)呈下降趋势, 表明吸入氡及其子体可引起贫血症状[29-30]。另有研究报道, 大鼠染氡累积剂量达90~120 WLM时, 外周血白细胞总数与对照组相比有增加趋势, 但白细胞分类计数有明显变化, 其中粒细胞比例明显增加, 淋巴细胞比例显著降低, 表明吸入氡及其子体可诱发炎症反应[17]。因此, 外周血白细胞计数及其分类计数、HCT的变化, 亦是反映吸入氡及其子体后机体损伤的敏感指标之一。
氡及其子体暴露诱导小鼠骨髓细胞损伤效应的研究表明, 累积剂量为13.01~65.05 WLM的氡暴露能诱导小鼠骨髓细胞产生0.80%~11.20%染色体断裂和2.40%~5.80%染色单体断裂, 均显著高于空白对照组; 而且骨髓细胞有丝分裂指数随氡暴露剂量增加而明显降低, 嗜多染红细胞微核率则显著升高, 表明氡及其子体能诱导造血干/祖细胞的损伤效应[31]。为探索氡暴露诱导骨髓细胞遗传毒性的分子机制, Li等[32]采用抑制消减杂交技术(SSH)筛查了氡暴露小鼠骨髓细胞285个基因表达的差异, 并用RT-PCR方法加以证实, 结果显示, 小鼠吸入氡累积剂量达105 WLM的情况下, 在引起骨髓细胞O2-自由基浓度、MDA水平、凋亡率及MN形成率显著增加, 而SOD活性、粒系集落形成率和3H-TdR掺入量明显降低的同时, 使介导细胞间粘附的E-钙粘蛋白mRNA表达水平上调, 参与DNA复制的复制蛋白A1和调控细胞生存的酪蛋白激酶δ1 mRNA表达下调, 这些筛查结果可能为进一步探索氡暴露诱导造血细胞恶性转化的研究提供线索。
3 小结与展望地下矿工和室内高氡暴露居民的流行病学调查、动物实验和细胞及分子生物学研究逐渐揭示, 沉积于呼吸道和肺表面的氡及其子体衰变产生的高能α粒子使支气管和肺上皮细胞DNA链断裂、原癌基因K -ras和PTK等突变而激活、抑癌基因TP53突变和p16基因甲基化等而失活, 可能是氡及其子体诱发肺癌的分子机制。另一方面, 氡及其子体经呼吸道吸收入血, 蓄积于骨髓, 诱导外周血淋巴细胞和骨髓细胞DNA损伤、CAs、MN形成和HPRT基因突变等遗传毒性, 抑制骨髓细胞的DNA合成, 提示高氡暴露可能是诱发白血病的危险因素。随着氡及其子体暴露健康危害效应分子机制研究的不断深入, 以期找到氡暴露职业人群筛查和危险评估的分子标志物, 探寻防治氡及其子体对健康危害的有效途径。
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