第二节　电离辐射在分子与细胞水平的效应

一、靶学说、靶效应与非靶学说

1.靶学说与靶效应

靶学说认为，电离辐射生物效应是由于电离粒子击中了某些分子或细胞内特定靶的结果。 其基本含义是细胞至少含有一个靶或遗传关键位点，被电离辐射击中后致使细胞死亡或产生某种损伤效应。 在一个生物靶中发生一次电离或有一个电离粒子穿过，产生某种所期望的生物效应，称为单击效应（single-hit effect），这是靶学说中最基本的假说，也是多击效应的基础。 而多击效应（multi-hit effect）是2 次或2 次以上击中生物靶的电离事件而引起的辐射生物效应，其曲线常呈S 形。 在靶受击开始时，在一个靶体积中产生两个反应的几率很小，生物分子或细胞失活的速率很低。 经过一定剂量照射后，那些受到单击而保持活性的分子或细胞，再被击中时，其失活速率急剧上升。

2.非靶学说及其他效应

近年来，电离辐射引起的非靶效应（non-target effect）成为放射生物学研究领域的热点，并逐渐形成了较为完整的非靶学说。 经典的靶学说理论认为，辐照诱发DNA 损伤发生在受照的当代或第二代，也就是照射后的1～2 个细胞周期内。 实际上，辐照细胞的存活后代表现出持久性的基因组损伤及其细胞学后果，即基因组不稳定性，与辐射旁效应和低剂量辐射诱导的适应性反应共同构成了非靶学说的生物效应基础。

电离辐射旁效应是指受到辐射作用后，未被射线粒子直接贯穿的邻近细胞表现出损伤效应。 未照射细胞（旁细胞）的后代也发生基因组不稳定性，其信号的产生与射线之间不存在显著的剂量相应关系，高传能线密度（LET）射线比低LET 射线更能诱导旁效应。

电离辐射诱导的适应性反应是指在高剂量电离辐射前给予低剂量辐射，使细胞产生一定的抗辐射性，主要取决于细胞系和细胞模型、实验环境等因素的影响，其机制复杂。

二、DNA 的辐射生物效应

DNA 是电离辐射作用于生物体的重要靶分子之一，沿电离辐射径迹能量沉积致DNA 产生一系列损伤，包括单一位点损伤和区域多位点损伤是电离辐射生物效应的关键原初分子事件。但DNA 损伤修复能力的高低也是影响放射敏感性的重要因素。

DNA 链断裂：电离辐射作用致DNA 双螺旋结构中一条链断裂时，称为单链断裂（SSB），两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂时，称之为双链断裂（DSB）。 DNA 链断裂可以直接由于脱氧戊糖的破坏或磷酸二酯键的断裂，也可以间接通过碱基的破坏或脱落所致。

DNA 交联：在DNA 双螺旋结构中，一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合，称为DNA 链间交联；DNA 分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合，称为DNA 链内交联，如嘧啶二聚体就是链内交联的典型例子。 DNA 与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联。电离辐射可引起上述各种形式的DNA 交联。

DNA 二级和三级结构的变化：DNA 双螺旋结构靠3 种力量保持其稳定性，一是互补碱基对之间的氢键，二是碱基芳香环π电子之间相互作用而引起的碱基堆砌力，三是磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。 电离辐射作用时，DNA 大分子发生变性和降解。 DNA变性系指双螺旋结构解开，氢键断裂，克原子磷消光系数显著升高，出现了增色效应，比旋光性和黏度降低，浮力密度升高，酸碱滴定曲线改变，同时失去生物活性。 DNA 降解比变性更为剧烈，伴随着多核苷酸链内共价键的断裂，分子量降低。 这些都是由于一级结构中糖基和碱基的损伤以及二级结构稳定性遭到破坏的结果。

DNA 集簇损伤：应用辐射生物物理学和辐射化学理论和方法进一步证实，电离辐射不仅诱导单一的DNA 损伤，还可在射线的轨迹方向形成DNA 集簇损伤，其损伤复杂，不易修复。 不同DNA 位点的集簇损伤往往是电离辐射所致生物损伤效应和遗传效应的主要原因，尤其是高LET照射。

三、细胞存活的剂量-效应曲线

为便于了解辐射细胞效应的规律，将研究数据概括为细胞存活的剂量-效应数学模型。 最常见的曲线有单击曲线、多击或多靶曲线、双相曲线、刺激曲线，均属于指数模型。 指数模型的横坐标代表剂量，纵坐标代表存活分数。 指数模型的曲线形式为一条指数曲线。

1.指数“单击”曲线

在指数单击曲线中，细胞（或生物大分子）的存活分数为辐射剂量的简单函数，以半对数作图时呈现一条由高至低的直线。 这种情况见于病毒或酶的灭活以及少数哺乳动物细胞的杀灭。 其方程式如下：

式中，S 为某剂量下细胞的存活分数，D 为所受剂量；k 为常数，与射线性质及细胞敏感性有关；e 为自然对数的底，数值为2.718。 若将存活分数取对数，则上式为：

纵坐标改为对数坐标，以半对数作图时，lnS 与剂量D 及k 便成直线关系。 按照靶学说的解释，上述情况属于单击单靶模型，即在细胞或生物大分子内存在着一个敏感的靶区，靶区被辐射击中一次即可引起死亡或灭活。 这种曲线称之为单击曲线。

引起细胞（或酶分子）63%死亡（或灭活）的照射剂量称之为D37 剂量。 在此剂量下有37%的细胞（或酶分子）存活。 在D=0 时，S=e0=1，即100%存活。 在D=1/k 时，S=e-1=0.37，所以e-1=e-kD37，kD37=1，k=1/D37，D37 的倒数即为存活曲线的斜率。

2.“多击”或“多靶”曲线

哺乳动物细胞典型的剂量存活曲线如图2-3。 以半对数作图时，纵坐标（对数刻度）为存活分数，横坐标（线性刻度）为剂量。 图中剂量存活曲线的起始部分为肩区，当剂量加大时，存活曲线即呈直线。

根据靶学说的解释，这种情况属于多事件曲线，即细胞内必须一个靶区被击中多次，或是多个靶区各被击中一次才引起效应，前者称为多击单靶模型，后者称为单击多靶模型。

剂量存活曲线的直线部分斜率的倒数为D0 值，称为细胞的平均致死剂量（mean lethal dose）。 D0 愈小，斜率愈大。 D0 值的大小代表细胞放射敏感性的高低。 在剂量存活曲线的直线部分，D0 值为使细胞的存活分数由0.1 减少至0.037 所需要的剂量，或者是使细胞的存活分数由0.01 减少至0.0037 所需要的剂量。 由纵坐标0.1 和0.037 各作与横坐标相平行的线与存活曲线直线部分相交，两个相交点在横坐标上投影的两个剂量点之差即为D0 值。 若将直线部分外推与纵坐标相交点的数值称为外推n 值（extrapolation number，n 值），此图中为3。 n 值代表细胞内靶的个数或所需击中靶的次数。由纵坐标1.0 处（即细胞存活100%）作一条与横坐标的平行线，与外推线的交点在横坐标上投影点的剂量即为Dq 值，称为准阈剂量（quasithreshould dose，Dq）。 Dq 代表细胞积累亚致死性损伤的能力，为克服肩区所需的剂量。 哺乳动物细胞的D0 值多在1 ～2Gy。 n 值多为1 ～3。 Dq 值通常较小，一般为0.5～2.5Gy。

哺乳动物细胞的剂量存活曲线多属于“多击或多靶模型”。 可由下式表示：

式中，S 为某剂量下细胞的存活分数，n 为外推值，D 为照射剂量，k 为存活曲线直线部分的斜率，其倒数为D0 值。 由于Dq 代表细胞累积致死性损伤的能力，在此剂量下细胞尚未出现死亡，故S=1，代入上式即得：

当D37 为引起63%的细胞死亡（37%细胞存活）的剂量时，

如果存活曲线无肩区，则Dq=0，则D37 与D0 相等。 这就是“单击单靶模型”的情况。 也可用另外一种方式获得D0 值，即通过存活分数1.0 作一条与存活曲线直线部分的平行线，此线与存活率0.37 水平线相交点在横坐标上投影点的数值即为D0 值。

四、细胞放射损伤及其修复

1.细胞放射损伤的分类

电离辐射引起的哺乳类细胞损伤分为3 类。 第一类为致死性损伤（lethal damage，LD），用任何办法都不能使细胞修复的损伤称为致死性损伤；损伤不可修复，不可逆地导致细胞死亡。 第二类为亚致死性损伤（sublethal damage，SLD），照射后经过一段充分时间能完全被细胞修复的损伤称为亚致死性损伤；在正常情况下于几小时之内修复，若在未修复时再给予另一亚致死性损伤（如再次照射），可形成致死性损伤。 第三类为潜在致死性损伤（potentially lethal damage，PLD），这是一种受照射后环境条件影响的损伤，在一定条件下损伤可以修复。

2.潜在致死性损伤的修复

潜在致死性损伤是由于细胞所受损伤是致死性的，在通常情况下将引起细胞死亡，但其可通过适宜地控制照射后的环境条件而被改变。 受潜在致死性损伤的细胞，如改变其所处的环境条件，使细胞在特定剂量照射后的存活分数增高，称为潜在致死性损伤修复（potentially lethal damage repair，PLDR）。

照射后当细胞处于次佳生长条件时，潜在致死性损伤即被修复，细胞存活分数增高。 因为次佳生长条件可使有丝分裂延迟，DNA 损伤得以修复。 目前认为，细胞潜在致死性损伤的修复与DNA 双链断裂的修复有关。 潜在致死性损伤的修复在临床放射治疗中有重要意义，在动物移植肿瘤中已得到证实。

3.亚致死性损伤的修复

哺乳动物细胞受X 射线照射后，其剂量存活曲线的特点是在低剂量部分有肩区。 这种反应特点表明，必须积累损伤才能产生致死效应。 从靶学说的观点分析，细胞丧失其增殖能力之前，必须有多个靶被损伤（击中），多靶现象可解释存活曲线起始部分的肩区。 若细胞群体受到一定剂量照射，群体中的不同细胞可以发生下列3 种情况之一：①细胞内没有任何关键靶区被击中，因此细胞未受损伤；②细胞内的全部关键靶区被击中，细胞将在下一代或以后的有丝分裂过程中死亡；③细胞内的某些而不是全部靶区被击中，细胞受到亚致死性损伤，但并不死亡，在供给能量和营养的情况下，经过一定时间（大约1 小时），细胞所受损伤能被修复，称为亚致死性损伤修复（sublethal damage repair，SLDR）。 如果在修复之前再累积损伤，细胞则可能死亡。

亚致死性损伤的修复只有在分割剂量实验中才能表现出来，此时将1 个剂量分割为2 个较小剂量，中间相隔几小时，就会出现细胞存活率的增高。 如果在第一次照射之后没有损伤修复，第二次照射后所得的细胞存活分数应当与未分割照射的结果一样，而实际上两者相差数倍。 从另一个角度可进一步理解亚致死性损伤的修复。 将分割剂量照射与单次急性照射相比，引起同等的细胞存活率降低所需的总剂量（即分割剂量之和）明显大于单次急性照射剂量。

五、细胞的死亡

1.增殖死亡和间期死亡

细胞的增殖死亡（proliferative death），发生于分裂、增殖的细胞，又称代谢死亡或延缓死亡，即照射后细胞不立即死亡，仍进行生命活动有关的代谢过程，并可能发生细胞分裂。 细胞可分裂一至数次，然后停止分裂。 这种细胞死亡的标志是最终丧失继续增殖的能力，即生殖完整性的破坏。 对于分裂、增殖的细胞，多根据细胞集落或结节的计数以判定其存活率。 使细胞丧失增殖能力的平均致死剂量一般在2Gy 以内。 肿瘤由不断分裂、增殖的细胞组成，肿瘤放射治疗的目的在于使肿瘤细胞丧失增殖能力而最终被清除，故临床放射治疗的分次方案一般每次给予2Gy 照射。

当照射剂量达到100Gy 以上，受照射的细胞无论是否具有分裂、增殖能力，将在有丝分裂的间期内死亡，也就是细胞未经分裂即死亡，称为间期死亡。

2.凋亡与自噬性死亡

细胞凋亡是一种主动的由基因导向的细胞消亡过程，在维持机体内稳态方面，在胚胎发生、器官发育与退化、免疫和造血细胞的分化、选择以及细胞更新等方面都有重要意义。 在生理过程中，在一定的信号启动下，凋亡相关基因有序地表达，制约着对整体无用或有害细胞的清除，即为细胞凋亡（又称Ⅰ型程序性细胞死亡）。 细胞凋亡和细胞增殖互相协调，彼此消长，维护着机体的正常生长、发育。 电离辐射可促进这一过程，但并非引起细胞凋亡的唯一因素。

自噬广泛存在于真核细胞中，是细胞的一种自我保护机制。 自噬是细胞在饥饿、缺氧及应激等压力下，被诱导出的选择性或非选择性自我分解细胞组分，以回收部分蛋白，维持细胞所必需的代谢或是清除受损伤组织，维持基因组稳定性的一种方式。 细胞可通过自噬清除细胞内过多或异常的蛋白质、细胞器，甚至病原微生物，这不仅有利于维持细胞稳态，也促进氨基酸等物质的循环再利用，为多种生化进程提供底物或原料。 电离辐射诱导细胞发生自噬性死亡（又称Ⅱ型程序性细胞死亡），尤其体现在上皮性细胞。

3.细胞坏死

细胞坏死是指细胞受到环境中的物理或化学刺激时发生的细胞被动死亡，其特征是细胞器肿胀，膜系和细胞器破坏，整个细胞崩解，细胞内容物和炎症因子释放，趋化炎性细胞浸润而引起炎症反应。 坏死性细胞死亡通常与病理性死亡过程相关。 大剂量电离辐射作用后数分钟到数小时，发生急性细胞坏死，迅速产生膜脂质过氧化作用、起泡和膜破坏等现象。

六、对细胞周期的影响

细胞受照射后有丝分裂周期的进程发生变化，最终表现为有丝分裂的延迟，其特点是具有可逆性和明显的剂量依赖性。

电离辐射照射后使处于周期中的细胞暂时停留在G1 期，称为辐射诱导的G1 期阻滞，其阻滞的程度与时间取决于细胞所受照射的剂量。 目前认为并非所有的细胞系在照射后都出现G1期阻滞，G1 期阻滞的出现取决于细胞系的p53 状态。 也使处于周期中的细胞暂时停留在G2 期称为辐射诱导的G2 期阻滞，不进入M 期，因此G2 期细胞堆积，经过一定时间后，大量细胞同时进入M 期。

电离辐射使细胞通过S 期的进程减慢，称为S 期延迟，与DNA 合成速率下降有关。 而细胞周期解偶联，是指处于细胞周期中的G2 期细胞既不能进入有丝分裂M 期，也不发生G2 期阻滞，而是返回到S 期，继续进行DNA 复制，使细胞形成内含数倍DNA 而不进行分裂的巨细胞，最终导致细胞死亡。