中子是一种不带电粒子，其与物质相互作用时不受外壳层电子的影响，主要与物质的原子核发生作用。中子本身并不会引起电离，但能够在与组织或物质的作用中产生速度更快的次级带电粒子或者形成强烈的反冲质子。带有一定能量的次级带电粒子引起电离和激发，从而使机体组织产生损伤[1]。中子暴露场景常见于肿瘤的放射治疗，如硼中子俘获治疗技术（Boron Neutron Capture Therapy，BNCT）[2]等，太空飞行中银河宇宙辐射与航天器屏蔽材料的碰撞也会产生大量次级中子[3]，核装置爆炸以及核泄漏等都可能使个体暴露在光子和中子的混合辐射场中[4]。
中子作为一种高LET 射线，能将大部分能量沉积在一个细胞内，导致严重的细胞损伤。目前，关于中子的辐射生物学效应研究主要集中在 DNA 损伤及修复、基因组不稳定性、染色体畸变、细胞周期阻滞、细胞凋亡以及中子的相对生物学效应（Relative Biological Effectiveness，RBE）等方面。其中RBE在揭示不同类型射线的辐射损伤差异、辐射剂量估算、损伤评估方面发挥重要作用。由于当前中子所处的辐射场多为混合辐射场，研究混合辐射场下的复合效应也为诸如核爆炸事件等混合辐射场景下的辐射损伤评估提供依据。
本文将从以下几方面讨论中子的RBE和中子的复合效应。
1 中子相对生物学效应的概述不同类型的射线产生的生物学效应有明显的差别。一般而言，剂量相同时，高LET辐射的生物效应大于低LET辐射的生物效应。RBE就是描述高LET和低LET射线损伤效应差异关联性的指标。中子作为一种高LET射线，其对生物体的损伤程度的风险评估通常引入相对生物学效应（RBE）的概念。中子的相对生物学效应（RBE）指的是X射线或γ射线引起某一生物效应与中子引起的相同生物效应所需剂量的比值。其实质就是通过与X射线或γ射线相比来评估中子的损伤程度。
当前对RBE的研究主要集中在辐射防护领域和放射治疗领域。在辐射防护领域，评估中子损伤效应的最重要的2个参数即辐射权重因子WR和组织加权因子WT。
辐射权重因子WR是评估不同类型辐射对人体损伤效应的关键指标，该值的设置与RBE值密切相关。评价中子辐射权重因子的主要来源是体外细胞杀伤、染色体畸变研究和动物实验的实验RBE数据。国际辐射防护委员会ICRP103号报告[5]指出，WR值是中子能量的连续函数，在1 MeV左右有1个尖峰。ICRP认为这个值可能会随着实验的不断推进以及新数据的产生而改变。组织加权因子WT则考虑了不同器官和组织对诱发随机效应的辐射敏感性的差异，以表示该组织或器官对人体均匀照射造成的总健康损害的相对贡献。
此外，在中子放射治疗领域中，评估治疗前对某种癌症的治疗效果以及对正常组织的预期有害影响是肿瘤治疗的关键问题。中子放射治疗的医学原理是基于最初的体外实验证据，即每单位剂量下其对细胞更强的杀伤力和较低的氧增强比，这些都源自于RBE的实验数据。硼中子俘获治疗技术的发展使得治疗过程中中子对于正常组织细胞的辐射效应的讨论日渐增多。有研究表明，放疗计划中治疗剂量的确定就是基于该混合场中相对生物效应值（RBE）对不同射线的吸收剂量进行加权而获得的[6-7]。
2 中子相对生物学效应的影响因素较早期的生物学效应研究得到的中子的RBE非常大。最近的研究得到的RBE值尽管比以前的小，但还是高于其他X射线、γ射线等类型的辐射[8]。尽管当前已经通过人类和动物细胞系的体外实验以及动物体内实验对多种生物学终点测得了RBE值，但RBE值仍是不确定的，中子的能量、剂量率、组织类型和照射方式等都是影响RBE的因素。下面将具体阐述每一项影响因素与RBE的具体关联。
2.1 能量影响中子的损伤效应强烈依赖中子的能量特性。中子能谱范围较广，可从小于一个电子伏(eV)到几十个MeV。ICRP 103号出版物[5]指出，中子的RBE值是能量的连续函数，随着中子能量的升高，相对生物学效应的水平经历了先升高后降低的过程，因为能量达到一定程度，中子更倾向于穿透被照物质而不是沉积在其中。
已有研究表明，中子的相对生物学效应（RBE）具有能量依赖性的特点，其RBE值是能量的连续函数[9]。当前可用的RBE实验数据以及所采用的辐射防护标准中辐射权重因子WR的值，总是指向1 MeV中子的最大生物学效应[10]。然而随着实验的不断推进，最近的研究发现，以DNA双链断裂为观察终点，中子能量在0.4 MeV左右时有峰值，即可能有最大的RBE值[11]。对于V79细胞，以37%的存活率为检测终点也观察到0.4 MeV左右的最大RBE值约为6，能量为10 MeV时，RBE值降至约2.0，如图1[12]。可能原因是该能量附近的中子与水分子相互作用产生的最丰富的粒子是质子，中子将部分能量转移给质子，然后质子传递到细胞核的能量沉积最大[13]。因此，当前的研究否定了高能中子具有极高的生物效应这一说法。
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图 1 RBE值是中子能量的函数 Figure 1 RBE value as a function of neutron energy |
通常中子的RBE值与剂量成反比关系[14]，随着剂量的增大而降低，不存在恒定的RBE值。当前中子可能已经出现了低剂量辐射的超敏效应，即在许多情况下，低于100 mGy的剂量引起的生物反应比高剂量（> 1 Gy）引起的反应变化更大，并产生非线性效应。Ng.C.YP等[15]研究斑马鱼胚胎暴露于低剂量（< 100 mGy）中子后发现，诱发的生物学效应与中子剂量成线性关系，但是在剂量为0.6 mGy、１mGy、2.5 mGy时表现出低剂量超敏效应。人的黑色素瘤细胞暴露于剂量率为0.8 mGy/min的14 MeV的快中子时发现，50 mGy的极低剂量可以诱发超敏感性[16]。以线虫寿命和产卵率为检测终点显示出1.83 Gy对线虫的特殊影响，提示在该剂量附近可能存在辐射超敏性，可能是由于较低剂量中子照射时线虫细胞内部的修复机制未被激活而表现为辐射的损伤效应明显[17]。
剂量率[18]也是影响中子损伤效应评估的因素之一，早前已有较多研究认为中子的RBE值具有反剂量率效应，但这一说法具有局限性。Ullrich等[19]分别用高剂量率照射组和低剂量率照射组对BALB/c小鼠进行照射，研究肺腺癌、卵巢肿瘤以及乳腺癌的诱发情况，实验发现低剂量率照射组的卵巢肿瘤的发生率明显低于高剂量率照射组；而对于肺腺癌而言，低剂量率组与高剂量率组的肿瘤发生率基本相似，且肿瘤发生率均与总照射剂量呈近似线性关系；对乳腺癌而言，总剂量在0～0.1 Gy时，低剂量率组的乳腺癌发生率明显高于高剂量率组，但总剂量高于0.1 Gy时2组的乳腺癌发生率又逐渐靠拢。这些实验结果说明中子辐射剂量率对生物效应的影响并非固定不变，会因照射剂量与组织种类的不同而变化。有学者认为，这种现象可能与损伤修复机制相关[20]。
因此，剂量和剂量率尽管是影响中子RBE值的重要因素，但由于受多种生物学终点以及中子辐射场本身的复杂性等因素的影响，其与中子RBE值之间的确切联系尚未阐明。非靶效应、适应性反应以及兴奋反应等几种反应机制的提出也加大了低剂量情况下中子RBE值的评估难度。推测可能与细胞周期阻滞以及DNA损伤修复相关的剂量率效应的机制也未完全证实。因此，在后续对中子辐射生物学效应的研究中应全面考虑中子的物理特性，充分挖掘中子辐射损伤机制的特点，为合理确定辐射防护的剂量和剂量率标准提供依据。
2.3 组织或器官以及物种的差异性不同组织或器官的辐射敏感性不同，中子暴露后有不同的RBE值。骨髓和肠道系统均是中子辐射较为敏感的器官。研究人员已经在2种啮齿动物模型中对骨髓造血系统暴露于1 MeV裂变中子的敏感性进行了评估。尽管检查终点不同，但RBE在2.2～2.8[21]。在评估原子弹幸存者患实体癌的辐射风险时，使用RBE为10是以结肠作为肠道代表性器官估计的快中子的RBE，但由于结肠是最深的器官之一，中子的剂量分布具有随组织距离或深度而逐渐衰减的特性[22]。因此，假设中子RBE为10可能会低估中子的损伤效应[23]。
俄罗斯研究总结一系列实验指出，老鼠肠道中子损伤效应的RBE值估计为4，而狗的RBE值在1.8～2.4[5]，组织深度的差异可能是在小鼠和狗中观察到的不同RBE的来源。不同物种之间观察到的RBE的差异性可能是由于中子的器官剂量分布的性质和不同组织或器官的辐射敏感性差异所致。实验进一步指出，中子辐射生物学实验中观察到的物种内差异程度高，部分原因也可能是中子辐照靶器官剂量的不确定性。
2.4 其他因素从辐射防护的角度来看，年龄是影响辐射致癌风险的一个重要生物学背景[24]。Tatsuhiko Imaoka等[25]发现年龄对SD大鼠暴露于2 MeV快中子引发的乳腺癌有影响，暴露于1、3、7周的动物，中子辐射的RBE分别是7.5 ± 3.4, 9.3 ± 3.5和26.1 ± 8.9。
随机性效应的RBEM与确定性效应的RBEm值也不大相同。在一次性大剂量或紧急情况下照射可能引起确定性效应。这种临床可观察到的确定性损害的剂量一般超过了阈剂量。遗传效应和致癌等随机性效应所需的剂量往往小于确定性效应如致死率所需的剂量。因此，随机性效应的RBEm通常大于确定性效应的RBEM[26]。
3 中子与其它物理因素的复合效应研究 3.1 射线因素当前对中子与其他射线混合照射的复合效应主要表现为相加作用和协同效应，较少观察到2种射线照射后产生的效应互不影响。绝大部分含高LET成分的混合场的生物效应远大于单独射线所造成的生物效应。有文献报道，快中子与光子混合照射有时会产生细胞杀伤的协同效应，即先用一定剂量的一种射线照射后, 再用不同剂量的另一种射线照射，得到的细胞存活曲线的肩区减小或直线部分的斜率增大, 这可能是由于这2种混合射线照射后的修复能力要低于单独一种射线的修复能力，这也是混合照射研究的理论依据之一[27]。快中子与光子或X射线混合照射条件下，小鼠骨髓细胞的染色体着丝粒产量[28]与鼻咽癌细胞株CNE-1的凋亡均显示出相如或协同效应[16]。
混合辐射场成分复杂，混合射线照射中中子比例越高，损伤效应越强。剂量范围在0.5～5 Gy的不同比例的中子（～90%、～50%、～15%）和γ射线混合照射后诱发的离体人淋巴细胞染色体畸变的损伤效应比单纯γ射线照射的效应强，并且其诱发的辐射损伤随混合照射组中子比例升高而加重[29]。Constantinos G. Broustas等研究中子/光子混合场照射后小鼠外周血细胞的基因表达谱时，用3 Gy X射线、0.75 Gy中子或混合场中子/光子对小鼠进行照射，其中，中子剂量分别占总辐射剂量的5%、15%、25%。实验结果表明混合场暴露中差异表达基因的总数都随着中子组分5%、15%、25%的增加而增加[30]。
2种射线混合照射的顺序不同，生物学效应亦有不同。有研究表明，先用X射线照射然后用中子照射（X+N）和先用中子照射然后用X射线照射（N+X），这2种不同照射方式所导致的细胞周期阻滞的变化不同，X+N组出现了比N+X组更明显的G2期阻滞，而N+X组的细胞凋亡率较高。因此射线照射的不同先后顺序影响了协同作用的表现。然而，Ando等采用快中子和γ射线混合照射大鼠 NFSa 纤维肉瘤, 以N -γ- γ- γ-N 的分割方式连续照射，发现2种射线对肿瘤的治疗效应是相互独立的, 并未表现出协同作用[31]。
3.2 其他因素噪声在一定程度上也会对机体的免疫系统产生影响，在对低剂量γ射线和散裂中子混合照射的大鼠生物效应研究中，未发现胸腺指数降低，提示较低剂量的电离辐射不足以引起免疫系统的明显损伤，但当其与噪声复合作用时会使机体免疫系统明显受损，证明低剂量电离辐射和噪声对机体免疫系统的损伤具有协同作用[32]。
4 小结与展望当前宇宙射线以及各种人类活动的增加[33]都会造成额外的辐射暴露，保护人类健康并利用辐射造福人类一直是当前研究的重点。辐射生物效应作为电离辐射防护的生物学基础，一直受到国内外辐射防护界的极大关注。尽管中子在电离辐射中占比不高，但由于其是高LET射线，能对生物体产生严重损伤，其辐射的生物学效应和医学应用研究正逐渐引起人们的重视。
中子的RBE研究对免受中子辐射危害、癌症治疗的开发以及对辐射作用机制的不断深入提供了生物学基础。当前已经明确中子的能量、类型、剂量和剂量率、组织或者器官的差异性等都是重要的影响因素，但由于中子本身能谱的复杂性以及中子总是混杂一定比例的γ射线，各影响因素的机制尚未全完阐明，其研究仍在不断深入。最近尽管有实验表明中子可能在低剂量下存在超敏效应，但具体多大的剂量下可以引发超敏效应，引发超敏效应是否也与中子本身的能量特性和观察的生物学终点等有关仍未可知。此外复合效应的当前研究多侧重于生物学终点的观察，对于关键的协同机制的研究方面较少，应加大对机制的探讨，所用的生物学终点也比较单一，未来的研究方向需要扩大生物学终点。
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