伦琴发现X射线至今100余年, 辐射对人体的危害已积累了大量资料, 大剂量和中等剂量电离辐射对机体显然是有害的。低剂量辐射对机体影响如何, 已成为人们关注的焦点。一般认为人群低剂量低LET(传能线密度)时, 在0.2 Gy以内; 高LET时, 剂量在0.05 Gy以内, 剂量率在0.05 mGy/ min以内; 实验研究时照射剂量符合上述条件, 而剂量率高于0.05 mGy/min称为低剂量辐射[1]。人类流行病学研究表明, 不管剂量率如何, 小剂量应在200 mGy以下[2]。1982年Luckey引用一非常古老的药物学反转性原理提出低剂量辐射的兴奋效应[3]。自此以来, 国内外学者, 无论从实验研究还是流行病学调查方面都作了大量工作。UNSCEAR(1994)报告原爆幸存者由辐射引起的白血病有阈值, 并提出低剂量下兴奋效应与致癌效应并存的机制[4]。美国能源部(1991)报告>5 mSv终生工作剂量当量的工人, 全致死率比非核工作工人低24%, 证实低剂量下兴奋效应的存在。在实验研究方面1965 ~ 1985年间在法国、前苏联和美国三个互不联系实验室, 证明了在不同生物体内存在有兴奋效应。近年来, 国内外学者还在低剂量辐射效应的临床应用上作了大量研究。
1 低剂量辐射兴奋效应 1.1 免疫功能方面现已证明以0.1Gy以下X或γ射线全身照射可上调免疫反应。增强胸腺细胞的更新, 加速成熟分化过程, 表现为CD4/ CD8双阴性细胞百分率增加, 细胞上的TCR/ CD3复合物的表达增强。增强对克隆刺激因子(CSF)的分泌, 刺激巨噬细胞产生IL-1。脾和胸腺细胞二者对ConA都有增强反应, 可证明T淋巴细胞兴奋。脾细胞中空斑形成细胞(PFC)反应增强, 脾及其他外周淋巴样组织的外周T细胞供应增加。提高巨噬细胞的吞噬和消化活性, 促使Th细胞对IL-1和干扰素r的分泌增加, IL-2受体表述也增强, 最终导致克隆扩增, 形成免疫放大效应, 这一观点已在对天然放射性高本底地区人群的调查研究中得到证实[5]。黎福祥等用吸收剂量率0.175 mGy/min 60Co γ射线低剂量全身照射免疫功能低下的模型食蟹猴, 显示白细胞释放因子尤其是CD16参与免疫调控, 通过各种途径起到增强免疫功能的作用[6]。另外低剂量全身照射还兴奋了自然杀伤(NK)细胞活性和抗体依赖细胞介导的细胞毒性(ADCC), 表明免疫系统的抑癌作用增强。
1.2 细胞遗传方面 1.2.1 适应性反应的普遍性Ikushima等应用中国仓鼠V79细胞前处理用3Hdthd掺入β或60Co照射(1或5cGy)照射, 产生对微核更有力的抵抗力。Wang[7]和Kelsy等[8]将培养的人淋巴细胞用X射线前处理(0.02 Gy, 0.1 Gy), 间隔一定时间(9 h, 16 h)后处理(3.0 Gy), 结果显示突变产额与单独3.0 Gy处理相比明显降低。Kurihara等[9](1994)的研究表明鱼细胞与人、动物细胞相同, 亦有适应性, 但作用机理不同。UDS指细胞DNA非程序合成, 是一种DNA切除修复能力的指标。Tuschl已证实职业受照人员UDS水平增高, 高本底地区、X射线单次小剂量和慢性小剂量照射后, 小鼠脾细胞UDS明显增加。说明小剂量辐射激活细胞内DNA损伤后修复。实验证明低剂量辐射可激活细胞内某些酶系如ADPRT DNA聚合酶、RR酶(核糖核苷还原酶)。诱导某些修复体系和修饰体系包括自由基清除和连接蛋白的产生, 可使DNA双链保持原位不变, 易于连接修复。Mitchel等应用正常人纤维细胞观察DNA、DSB修复比率, 人的细胞对辐射的适应能力随损伤的比率降低而增加[10]。提示适应性的机制可能包括增加修复能力和/或增加修复酶容易进入损伤的细胞。应用PT-PCR分析发现局部异构酶2 A基因的mRNA水平降低。应用流式细胞计测量细胞周期G0/G1部分到达双核状态, 显示适应细胞比非适应细胞延迟更多的时间到达双核状态, 增加了修复可利用的时间。对适应细胞的RNA分析, 显示CyclinA和CyclinB转录水平的降低与观察的细胞分裂延迟是一致的。同时应用噬齿类动物C3H10T1/2细胞, 低等的真核生物酵母的研究, 在适应细胞中DNA修复是一个无误的基因重组过程, 可修复染色体断裂和防止肿瘤的启动。另外, 辐射所致的适应性可能与自由基的产生有关, 能产生自由基的物质在低剂量时也可诱导出适应性反应。
1.2.2 适应性反应的个体差异性Schmid等用3例外周血淋巴细胞, 先给予0.01 Gy或0.05 Gy, 后给予1.5 Gy X射线照射, 未见到适应反应。Bosi等将18人的外周血淋巴细胞用3HTDR前处理0.75 Gy X射线照射, 4例未见适应反应, 其他人有增加或降低的协同作用。提示在人群中对辐射适应反应存在异质性, 这或许与某些酶有关, 受部分遗传因素决定, 这些很值得进一步研究[11]。人胚胎细胞、皮肤组织细胞、黑色素瘤细胞、大鼠离体细胞的研究均可诱出存活适应反应[12], 对淋巴母细胞小鼠离体细胞的研究均未诱出适应性反应[13]。中国仓鼠细胞已证实不但有适应性反应, 且与非电离辐射、化学物质有交叉适应性[14]。有些高本底地区的流行病学调查显示小剂量照射条件下, 很可能有利的适应性反应超过了不利的效应(癌症)[15]。但到目前为止, 人类受小剂量照射的癌症流行病学调查多数由于统计势太低, 难于对是否存在适应性反应做出明确的结论。断定适应性反应可给机体带来的有益影响会超过小剂量低LET辐射照射的有害作用尚为时过早[2]。
1.3 基因的表述方面近几年来的研究证实在低剂量照射下亦可发生早期直接基因反应。Woloschas等于金仓鼠胚胎细胞中已经证实低剂量辐射调节一些基因表达, 但它们在诱发辐射保护中的角色还不清楚。Boothman等报道了低剂量水平上一些X射线诱发蛋白和cDNA的表述的调节, 但是那些蛋白没有完全被特征化。刘树铮等曾以75 mGy全身照射小鼠诱导胸腺细胞c-fos和c-jun基因转录水平上调, 说明低剂量辐射可以启动早期基因表述[16]。Hunting等用UVB和UVC照射培养的人角质细胞测量C-fos基因和IL-1的激活mRNA水平, 及测量p53蛋白水平和凋亡程度, 结果表明IL-I和c-fos mRNA水平, 随照射后时间和UV辐射的函数增加[17]。Heyers等用正常人成纤维细胞和异常新生物的细胞(H1-M el, HFp-2 HT-152)进行的研究提示初始低剂量反应中, 慢慢建立基因转录(即是X1P-5和X1P13)产生蛋白调节和控制细胞分裂, 在某些状态中“平衡”细胞; 这将允许转录蛋白的表述增加对电离辐射的抵抗。Rob- son等应用培养的L132上皮细胞X射线低剂量照射, 分差筛选cDNA库, 以低剂量辐射调节识别基因, 结果, 在L132细胞中获得的诱导出辐射保护基因包括在其中。提高剂量后剂量基因表现无抑制[18]。这个低剂量基因抑制在信号转导通道上对报道的“诱导辐射保护”的引导能起重要作用。这清楚地表明基因抑制及辐射保护基因限于低剂量。
1.4 保护性蛋白的产生机体(或细胞)迫于突然恶劣环境, 会防御性产生一种使它能抵御环境致死(损伤)效应的蛋白。Wolff应用人体血10 mGy照射, 24 h后双向电泳检查到4种蛋白, 与用MMC BLM MMS处理后出现的蛋白有交叉[19]。陈沙力等采用双向电泳检测低剂量X射线全身照射, 诱导小鼠胸腺细胞核, 细胞浆蛋白的早期表达, 结果表明75 mGy照射后4 h细胞核内出现4个新蛋白点, 5个增强蛋白点, 1个减弱蛋白点。胸腺细胞浆内出现3个新蛋白点和3个增强蛋白点。这些早期基因表达产物, 可能参与细胞增殖、分化, 细胞信息传递过程和基因表达调控。
1.5 其他方面Roberts等实验表明, 前列腺素的产生与细胞适应性反应有关, 而且前列腺素在T细胞的分裂和增殖也起重要作用。Feinmedeg等用低剂量电离辐射照射小鼠表明, 骨髓细胞胸腺嘧啶核苷酶活性, 按辐射不同剂量而有不同程度的降低, 0.01 Gy照射降低最多。这可能是推迟了DNA合成, 增加了DNA修复和消除自由基的机率。这两种学说也可以说是对DNA修复和保护性蛋白学说的补充。
简而言之, 目前对低剂量辐射兴奋效应存在有几种学说, 但由于低剂量辐射诱发的各种表现和时空变化, 普遍性与异质性等等尚不完全清楚, 故很难仅用一种孤立因素解释, 而是以DNA修复和“保护蛋白”为重的, 亦不排除其他影响因素。我们可以认为低剂量辐射首先激活横跨膜的或细胞质的受体, 信息于转导链上诱发激活转录因子(AP-1 NF-KB家族)诱导出早期基因表达, 包括支持抵抗细胞(或机体)损伤的各种成份, 如新蛋白、酶、细胞因子、抗自由基大分子等, 特别是修复蛋白可在RNA转录, 具有对辐射保护作用, 或抑制某些特定基因表达(如CyclinA、CyclinB的降低、P53蛋白积累增多等)延长细胞周期增加修复率。这两种皆可使DNA损伤减轻或恢复, 起到防御适应性的作用。
2 生物学临床意义近年来小剂量辐射抗病研究逐渐增多, 特别是在抗肿瘤效应的研究方面。对其增加机体的免疫, 增强抑瘤功能已获实验与初步临床的证据。魏道严等[20]从整体和离体两方面观察75 mGy X射线全身照射对小鼠的抗瘤能力, 发现照后整体水平抗瘤能力明显增强, 脾细胞过继转移的离体实验表明, 照射可显著提高脾脏细胞抗癌能力。为脾脏参与小剂量抗瘤过程提供了直接证据。宫本美弥子等的研究也说明脾脏在此过程中起着相当的重要作用[21]。于洪升等用75 mGy γ射线全身照射接种肉瘤细胞的小鼠, 结果显示肿瘤细胞调亡增加[22]。Anderson等移植肿瘤前给小鼠全身0.15 Gy X射线照射, 刘树铮等给小鼠皮下移植Lewis肺细胞、B16黑色素瘤细胞前, 全身低剂量50 ~ 200 mGyX射线照射, 王献里等(1996)给C57BG/GL小鼠移植Lewis肺细胞或S186肉瘤细胞前, 全身照射0.5 Gy(0.05 Gy/ min)。这些研究皆表明低剂量可降低移植肿瘤的成癌率并抑制其生长速度, 癌细胞在肺内播散减少, 加强局部放疗和全身化疗的抑瘤作用[23, 24]。UNSCEAR2000报告在附件G中指出, 已观察到许多细胞损伤指标的适应性反应:小剂量照射使随后地较大剂量照射引起的细胞损伤数降低[25]。临床肿瘤治疗已试用全身或半身低剂量照射。如坂本澄彦1986年应用于临床治疗恶性淋巴瘤, 全身吸收剂量为0.1 ~ 0.15 Gy, 隔日照射1次, 经5周全身照射, 淋巴瘤局部或大块状的情况还并用大剂量直接照射。结果80 %患者癌灶消失, 20 %局部消失, 追踪3年, 无复发[26]。其疗效是由于提高了淋巴细胞自发增殖力, 增加外周血的CD4+细胞, 抗氧化酶活力、吞噬细胞溶解细胞活力, NK细胞活力, IL-2分泌和氧化氮产物等等的增强(或增多), 增加了DNA修复能力, 降低电离辐射诱发自由基等。从而显著的改善放疗或化疗肿瘤患者的预后。
目前, 低剂量辐射兴奋效应的临床应用已有很多的动物实验基础, 但仅限于抗肿瘤的某些方面。能否为减少辐射的随机效应对肿瘤患者施行脾小区小剂量辐射以达治疗目的。Saga11(1991)认为是否可把低剂量作为免疫缺陷病(如AIDS或自身免疫疾患)的治疗手段, 用时对其它组织又不会造成损伤的大胆设想。低剂量辐射作用可减少小鼠生殖细胞对相继较大剂量辐射诱发的染色体损伤。这种适应性反应能否在所有生殖细胞中诱发, 诱发存在多长时间, 能否延长诱发时间, 可否传递给子代而形成具有抗辐射的后代。另外还有辐射剂量及阈值问题等, 这些都是放射生物学, 放射遗传学及临床应用亟待解决的问题。
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