低剂量电离辐射（low-dose ionizing radiation, LDR）是剂量在0.2 Gy以内，剂量率也不超过0.1 mGy/min的X射线或γ射线外照射剂量，其中剂量率为1 h或1 h以上的平均剂量率，而在实验研究中通常指0.5 Gy以下的辐射^[1]。LDR对人类健康的影响是慢性的，存在剂量和器官特异性，尽管其健康效应机制不明确，但认为DNA损伤、氧化应激和促炎性反应是LDR暴露诱导的主要中介事件。眼晶状体一直被认为是辐射敏感组织，国际辐射放射委员会（ICRP）最新修订的报告将眼晶状体组织反应剂量阈值考虑为0.5 Gy，并大幅降低了放射工作人员眼晶状体年当量剂量限值（连续5年平均每年不超过20 mSv，任何一年不超过50 mSv）^[2]。原爆幸存者、切尔诺贝利核事故清理工、职业受照人员以及辐射高本底地区居民的后续流行病学研究提供了LDR也可增加眼晶状体混浊风险的证据^[3-4]。目前，关于LDR诱发眼晶状体混浊的具体生物学机制尚不明确。本文综述了关于LDR诱发眼晶状体混浊的生物学机制方面的研究进展，以期更全面地了解LDR如何诱导/促进眼晶状体混浊的发生/或进展，对该疾病的防治以及辐射防护具有重要意义。

白内障是一种以眼晶状体渐进性混浊最终导致视力受损为特征的疾病，通常根据病因、混浊在晶状体内的位置和/或严重程度进行分类。目前，多数流行病学研究观察到LDR暴露后眼晶状体后囊下混浊（Posterior subcapsular opacity, PSC）的形成^[5]，但它还受类固醇激素使用、衰老等其他危险因素影响；且研究发现LDR暴露人群中同样存在皮质性和核性混浊，尽管这2种表型最常见于年龄相关性和先天/遗传性白内障，但也不能排除其也可被辐射诱导的可能性。因此，由于眼晶状体混浊表型受个人生活方式、环境和遗传等多种因素的影响，缺乏辐射特异性，使得LDR相关眼晶状体混浊机制研究存在较大困难。事实上辐射暴露后，许多相互竞争的机制链可能独立或共同导致混浊的发生。

眼晶状体上皮细胞（lens epithelial cells，LECs）负责眼晶状体组织的终生生长，在辐射诱导的眼晶状体混浊中发挥重要作用。虽然辐射可影响眼晶状体皮质和眼晶状体核，但LECs是始发损害的最主要部位，尤其影响细胞增殖和分化。正常有序的细胞增殖，适当的纤维细胞末梢分化和纤维细胞的高度有序排列是维持眼晶状体透明的主要原因，对此过程的任何干扰都可能导致混浊。电离辐射可直接损伤LECs DNA，造成双链断裂（double-strand breaks，DSB），尽管大部分的DSB可以被修复，但错误修复或持续未修复的损伤会导致异常的细胞分裂。当前理论认为LECs基因组损伤可导致下游细胞分裂增殖、转录和/或眼晶状体纤维细胞分化的异常改变，这与众所周知的辐射基因毒性一致，也是辐射诱导PSC形成的基础^[5]。Markiewicz等^[6]的研究表明，在眼晶状体上皮细胞系FHL124和小鼠眼晶状体上皮细胞中均发现低剂量（< 0.25 Gy）辐射诱导的DNA损伤，且在剂量低至20和100 mGy时出现DSBs，表明其放射敏感性高于既往认知。同时，与中央区LECs和淋巴细胞相比，眼晶状体周边区LECs更具辐射敏感性，可能与眼晶状体周边区LECs的 DNA损伤修复异常缓慢有关。

此外，眼晶状体周边萌发区GZ存在大量增殖的LECs，未修复的DNA损伤可能导致细胞增殖的改变，进而对细胞分化产生不利影响，导致眼晶状体形态变化。与高剂量辐射诱导的GZ LECs增殖停滞，细胞密度降低相反，LDR（100～250 mGy）暴露会促进细胞增殖，因为LDR诱导的DNA损伤会触发对DSBs的反应延迟，从而导致修复动力学延迟，细胞周期蛋白D1水平升高，细胞重新进入细胞周期^[6]。早期的研究也表明由极低剂量辐射（1 mGy）引起的DSBs不能像较高剂量下诱导的DSB那样被有效地修复^[7-8]。最近Barnard等提出眼晶状体可能存在逆剂量率效应，在相同剂量下，将剂量率从0.3 Gy/min降低到0.063 Gy/min可以显著增加小鼠LECs中可检测到的残留DSBs数量，随着剂量率的逐渐降低，残留DSBs数量进一步增加^[9]。眼晶状体内未修复的DNA损伤必然造成蛋白转录、翻译的变化，影响眼晶状体蛋白表达和（或）纤维细胞排列，促使白内障发生。

氧化应激与白内障形成和眼晶状体损伤有关，氧化损伤发生在眼晶状体混浊之前。由于辐射相关性和老年性眼晶状体混浊存在共同表型，人们很容易推测辐射相关眼晶状体混浊（例如皮质性混浊）的形成与氧化应激和衰老有关。电离辐射是ROS/RNS的强诱导剂，低剂量（< 0.1 Gy）下即可改变细胞内的活性氧和活性氮（ROS/RNS）水平^[10]。眼晶状体无血管组织，在封闭环境中进行无氧代谢，正常晶体处于低氧状态，包括辐射在内的各种因素诱导的ROS/RNS增加会损害细胞DNA、蛋白和脂质的完整性和稳定性。辐射诱导的眼晶状体蛋白损伤主要由氧化应激引起，眼晶状体纤维蛋白通常以高度有序和结构化的模式存在，这有助于维持眼晶状体的透明度，但氧化应激引起的一系列翻译后修饰，如氨基酸侧链氧化、脱酰胺化、蛋白交联等，会导致蛋白功能遭受严重破坏^[10]。γ射线暴露后，氧化和脱酰胺化等相关修饰在α、β和γ眼晶状体蛋白中被广泛观察到，研究表明γ射线氧化α眼晶状体蛋白中的蛋氨酸（Met）和色氨酸（Trp）残基，同时以剂量依赖的方式显著增加α眼晶状体蛋白交联和截断的数量，使其伴侣活性降低甚至丧失^[11-12]。

此外，氧化应激是基因组不稳定的一个关键早期因素。辐射引发的低水平氧化应激导致新的点突变和DNA链断裂，增加了关键基因（如修复蛋白）发生突变的机会，这种突变可能导致突变表型的表达，从而加快新突变在随后每次分裂中积累的速度^[13]。由于GZ区的LECs细胞对辐射极度敏感，最有可能出现不稳定表型，因此之后的细胞分裂可能使他们传递不稳定的表型，从而丧失对随后细胞分化的严格控制。再者，氧化应激在端粒代谢中发挥作用，端粒被认为对氧化应激特别敏感。Bains等^[14]评估了低剂量（0.001～2 Gy）X射线暴露对人类眼晶状体上皮细胞端粒长度和氧化应激的影响，观察到端粒长度随着剂量的增加而增加，这与相应的端粒酶活性以剂量依赖的方式降低相匹配。虽然这一结果不是决定性的，但这表明端粒长度和辐射诱发白内障之间的关系似乎存在，可考虑在眼晶状体中测量端粒酶活性和端粒长度，同时分析眼晶状体混浊程度，以期发现端粒和端粒酶活性与白内障发生之间更确切的联系。最近有研究者提出“致白内障负荷”的概念，认为在眼晶状体生命周期内，由衰老、遗传、生活方式（饮食、吸烟等）以及各种环境因素（电离辐射、紫外线等）导致的生物分子损伤会随着年龄的增加而逐渐积累，反过来进一步加速老化，使损伤更快地达到眼晶状体混浊出现的阈值^[15]。基于此概念，辐射暴露诱导的氧化应激被看做是对老化过程中累积损伤的补充，增加了致白内障负荷。

除上述机制外，研究者还提出了辐射相关眼晶状体混浊的其他可能机制^[13]。例如辐射暴露会导致细胞周期相关基因表达模式的改变，从而影响眼晶状体纤维细胞分化；带电粒子可诱导细胞外基质基因表达模式的持续变化和基质金属蛋白酶的表达失调，可能对LECs的生存、增殖和分化不利。此外，LECs迁移的机制也很重要，FGF2和TGFβ通过激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt通路诱导LECs迁移，细胞内FGF2、TGFβ和其他生长因子的浓度梯度被认为是眼晶状体内细胞迁移模式建立的原因。粒子辐射诱导LECs中FGF2的瞬时上调和周期性波动可能导致细胞功能障碍，下游效应包括细胞周期抑制，细胞受体和黏附分子表达改变，以及凋亡/眼晶状体去核障碍。LDR持续非靶向效应导致的长期氧化应激、钙稳态失衡和慢性炎症的变化可能与迟发皮质性混浊有关；辐射诱导的表观遗传变化也在其中发挥作用。最近，Hamada和Fujimichi^[16]阐述了致癌基因、肿瘤抑制基因和其他肿瘤相关因子在白内障发生中的潜在作用。例如，小鼠研究中p53通过抑制细胞增殖和促进细胞死亡来阻止自发性PSC的发生^[17]。因此，未来或可深入探讨p53功能的增强是否能抑制辐射诱导的过度增殖和早发性PSC。

鉴于不同个体间DNA损伤程度、氧化应激水平、眼晶状体混浊的表型和严重程度存在很大差异，我们考虑遗传背景的重要性，认为包括辐射在内的环境暴露可能与潜在的个体遗传易感性在白内障形成中具有协同作用。单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）和拷贝数变异（copy number variant, CNV）是个体遗传易感性的主要表现形式。当前大多数个体遗传易感性和白内障之间关系的研究集中于先天性白内障和老年性白内障。在OMIM数据库中至少有42个基因被确定为先天性白内障的遗传模式，大致可分为2大类：一类是眼晶状体蛋白、细胞骨架蛋白等与眼晶状体结构和功能有关的蛋白（如CRYAA、MIP/AQP0）；另一类涉及眼晶状体发育和/或调控过程，包括转录因子（如HSF4）和其他具有多种功能的基因（如EPHA2、FYCO1）^[18]。一系列基于病例对照设计的基因关联研究发现上述基因的编码或非编码区变异与老年性白内障有关，如EPHA2、HSF4和CRYAA等；部分研究者还发现DNA损伤修复途径中关键基因（如OGG1、XRCC1、WRN），致癌物质代谢酶（如GSTT1、GSTM1）和细胞信号转导相关基因的SNP和CNV与老年皮质性和（或）核性白内障有关^[19-20]。

然而，仅有少量研究通过动物模型评估遗传易感性在辐射相关眼晶状体混浊中的作用，这些研究发现与DNA损伤识别和修复、细胞周期调控和肿瘤抑制相关的特定基因（如Patch1，Atm，Rad9和Brca1等）单倍性不足与小鼠自发、X射线诱导和重离子诱导的白内障发生增强有关^[21-23]。例如2002年，Worgul等^[22]首次报道了Atm缺陷小鼠暴露在0.5～4 Gy X射线下的白内障敏感性，发现在所有剂量下，Atm^{+/ −}鼠比野生鼠更早发生白内障，Atm ^{− / −}小鼠对辐射诱导的白内障最为敏感，Atm^{+/ −}的敏感性介于Atm^{− /−}和野生型之间。基于小鼠模型的双杂合分析发现，经0.5 Gy X射线照射的Atm和Rad9双杂合鼠（Atm^{+/ −}/mRad9^{+/ −}）出现PSC的时间最早，而单杂合鼠的PSC的发生时间早于野生鼠，这一趋势也同样出现在未受照的眼睛上^[23]。以上这些实验证据表明，Patch1、Atm、Rad9和Brca1的单倍不足在辐射诱导的眼晶状体混浊中发挥作用，这也可能适用于磷酸酶和紧张素同源物（Pten）、p53和p21。因为辐射暴露导致的氧化应激和眼晶状体上皮细胞DNA损伤与白内障有关，调节DNA损伤反应的基因单倍不足可能会降低眼晶状体上皮细胞修复DNA损伤的能力，从而促进白内障的发生发展。

目前，体内和体外研究已经获得LDR诱导眼晶体混浊的多种途径信息，因此在进行眼晶状体混浊研究中要注意调查重要的混杂因素，例如年龄、紫外线暴露、糖皮质激素使用等与皮质性混浊和PSC发生有关的因素，并考虑其与LDR之间的反应作用及是否通过相同机制诱导混浊的发生发展。此外，鉴于遗传因素在LDR相关眼晶状体混浊的潜在作用，识别和鉴定辐射相关眼晶状体混浊个人易感性相关基因对于评估各类人群的辐射风险具有重要的意义。广东阳江高本底地区是研究LDR健康效应的良好现场，本课题组前期证明高本底地区居民眼晶状体混浊率明显增加，后期拟在该地区利用病例对照研究探索LDR与遗传因素是否共同作用于眼晶状体混浊。值得注意的是，ICRP将眼晶状体混浊确定为组织反应只是依据现有流行病学和生物学数据做出的最佳判断，有研究发现LDR诱导的PSC更倾向于随机效应^[24]，但尚无全面、确切的证据。因此更好的了解LDR相关眼晶状体混浊的发生机制对于阐明其究竟是组织反应还是随机效应至关重要，对未来辐射防护措施的制定具有重要意义。