电离辐射(IR)是一种有足够能量使电子离开原子, 引起被作用物质电离的辐射。辐射的主要产物是各种射线。生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质基础。自由基是指分子、原子或基团中有未配对电子的一类物质。生物分子损伤与自由基生成密切相关。现就电离辐射与一氧化氮(NO)自由基的相关研究综述如下。

1 电离辐射的生物学效应

电离辐射可分为电磁辐射和粒子辐射。电离辐射的特点是在被作用物质局部释放很大的能量, 从而使被作用物质发生电离和激发。基因组DNA和细胞膜是辐射的靶分子。作为辐射的重要靶分子, DNA在电离时极易发生结构的改变, 它们在细胞的突变及癌变机制中有重要作用, 与细胞老化和死亡也有紧密关系。电离辐射可使各种真核细胞分裂延迟, 出现G1和G2期阻滞, S期蓄积和巨细胞形成。明显的G2期阻滞在辐射较小剂量(2Gy)时即可出现^[1]。G1期阻滞在辐射后是否出现视细胞内P53情况而定。一般认为只有表达野生型P53基因的细胞辐射后才有G1期阻滞的发生, P53基因有突变或缺失时则无^[2]。电离辐射可引起自由基的生成。自由基的生成是电离辐射诱发化学键断裂等生物化学过程和细胞组织器官系统直到整体发生病变的生物学阶段的重要原因。

2 NO的生物代谢及生理功能

NO是生物体内一种极不稳定、很快被氧化成硝酸盐或亚硝酸盐的结构简单、具有氧化还原特性的氮氧自由基。机体以L-精氨酸和活性氧为底物在一氧化氮合酶(NOS)的作用下产生NO。NO生物合成的调节可通过对底物、辅助因子、产物、催化反应的酶进行选择性干预。一般认为NOS才是生成内源性NO的最主要限速物质。目前发现NOS主要有3型^[3], 第1型为神经型NOS(nNOS), 主要存在于神经组织中; 第2型为诱导型NOS(iNOS), 主要存在于巨噬细胞、中性粒细胞等的胞浆内; 第3型为内皮型NOS(eNOS), 主要存在于内皮细胞。其中nNOS和eNOS正常情况下存在于细胞内, 称为结构型NOS (cNOS), 其活性与Ca²⁺和(或)钙调素有关, 又称钙离子依赖型; iNOS通常中炎症等情况下诱生, 不依赖于钙离子和(或)钙调素的改变。cNOS通常情况下合成NO的量少, 主要参与机体正常生理功能的维持。iNOS可由炎症刺激等作用而诱生大量的NO, 主要参与机体的病理生理过程。生物体内产生的NO是一种无色、微溶于水、脂溶性较强的气体分子, 在生物体内可以自由地通过生物膜, 作为一种重要的生物活性分子, NO参与体内一系列生理和病理条件下的生物过程, 调节循环、神经、免疫等一系列生理活动, 如血管扩张、血管通透性、血小板粘附和聚集、神经信号传递、宿主防御反应等, 同时也参与包括肿瘤在内的病理过程。

3 电离辐射诱导NO的产生

实验证明电离辐射可以通过增加NOS的活性而诱导NO的产生^{[4, 5]}。Clarencon D等^[6]通过腹主动脉探测NO电信号发现, γ射线15Gy照射后12min电信号增高13 %, 照射后130min缓慢增高18 %。而经胸腔穿刺取血检测NO电信号, 15 Gy照射后15 min增高17%, 照射后24 h增高25.6%, 照射后3 d则降低7 %, 照射后4 d则降低18 %。实验结果提示, γ射线照射所致NO变化, 照射早期(5 min)增加可能由于cNOS表达增加所致, 中期(24 h)增加可能与iNOS表达增强有关, 而后期(2 d) NO进行性降低, 可能与受照射动物死亡前衰竭有关。Hirakawa M等^[7]在实验中也发现, 用X射线照射胎牛动脉内皮细胞(BAEC), 60Gy时BAEC的eNOS表达未见明显变化, 而2 Gy照射时BAEC的iNOS表达即明显增强, 表明X射线照射胎牛动脉内皮细胞产生NO主要是通过增加iNOS的表达诱导产生。

4 NO可提高细胞的辐射敏感性

DNA是电离辐射作用的靶分子, 在细胞辐射损伤中起重要作用。电离辐射可通过碱基改变、DNA链断裂、DNA交联使DNA损伤, 或使DNA合成抑制、分解增强。机体各类细胞对辐射的敏感性并不一致。NO可提高细胞的辐射敏感性, 而NO的清除剂氧化血红蛋白及iNOS的抑制剂则可以中和NO的这种功能^[8]。NO引起细胞的辐射敏感性受IFN-γ和LPS的影响^[9]。单纯照射0.5~ 50 Gy巨噬细胞不诱导产生NO, 照后24 h给予IFN-γ或LPS可增加NO产生, 并呈剂量依赖关系, iNOS也相应平行增加; 照前应用TNF-α抗体, 可阻止TNF-α诱导NO, 说明TNF-α在NO促进巨噬细胞敏感性方面起重要作用。

5 NO在肿瘤放疗中的作用

在肿瘤放射治疗中导致疗效降低的一个重要的原因是因为存在抵抗电离辐射的低氧肿瘤细胞。近年来研究发现NO和NO供体可提高哺乳类动物低氧细胞的辐射敏感性^[10]。NO提高低氧细胞辐射敏感性的机理与O₂相同。在DNA受电离辐射时可产生碳自由基。在没有NO或O₂时, 碳自由基可清除蛋白质周围的氢离子以利于DNA的修复, 降低每个光子引起的DNA损伤。而NO或O₂可以和碳自由基反应使其失去清除氢离子的能力, 促进受电离辐射细胞的死亡。由于NO比O₂具有更强的组织扩散能力, 因而在肿瘤放疗中NO是一种比O₂更好的辐射增敏剂^[11]。通过对NO供体的研究发现, 并非所有的NO供体都能增强低氧细胞的辐射敏感性。其中亚硝基铁氰化钠(SNP)没有增敏作用, 而S-亚硝基谷胱甘肽(GSNO)和S-亚硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)是很好的增敏剂^[12]。

有关研究指出, NO可直接通过氧化损伤杀灭肿瘤细胞, 又可通过调控信号传导途径, 达到促进肿瘤细胞凋亡、抑制生长繁殖、乃至逆转的目的^{[13, 14]}。因此通过调节体内或外源性NO供体和抑制剂从而调节NO的浓度, 可以预防和治疗肿瘤。随着研究的不断深入, NO供体药物和NOS抑制剂的开发, 将为肿瘤的治疗和预防及电离辐射的防护开辟新途径, 带来新希望。