全 旖,邓 冰,周才洁,谭昭怡

(1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川 绵阳，621999；2. 江苏高校协同创新中心，放射医学研究中心，江苏 苏州，215123)

0 引言

随着辐射生物效应研究的不断积累和对效应发生机制认识的不断加深，(联合国原子辐射影响科学委员会)UNSCEAR对低剂量、低剂量率照射的含义也在不断更新。在UNSCEAR 2000年报告的附件G中，对低剂量和低剂量率的定义分别从微剂量学、离体实验研究以及人类流行病学统计研究等方面进行了专项讨论。报告中建议0.2 mGy作为微剂量学研究的低剂量，低于20 mGy的急性剂量定义为离体细胞实验中的低剂量。根据流行病学研究结果认为，不管剂量率如何，把200 mGy以下的剂量作为低剂量[1]。

与中、高剂量导致的确定性效应相比，低剂量辐照诱导发生的生物效应是否增加不确定效应的发生几率仍尚未有明确的答案，因而低剂量生物效应也成为辐射防护以及放射医学一直关注的热点。基于已有的核爆幸存者数据建立的线性无阈值模型(LNT)表明在低剂量区域癌症发生的几率与剂量成线性相关趋势。但已发现的低剂量生物效应，如低剂量兴奋效应、适应性效应、超敏感性以及旁观者效应，使得评估低剂量辐射危害的LNT模型受到挑战[2-3]。

氚诱发的生物损伤主要是由其衰变产生的β射线所致，与生物分子结合形成的有机结合氚诱发生物体远期效应。目前，建立低剂量氚内照射导致的生物危害性的评价体系仍需要大量、深入以及系统化的研究工作，从分子、细胞、组织以及器官等层面全面认识、了解氚在体内产生损伤后所导致的生物体生理机制变化，自下而上建立具有生物学基础的危害评估模型。由于氚生物效应涉及的范围广泛，本文仅聚焦于近年来氚在细胞水平产生的生物效应及损伤机制研究进展。

1 低剂量氚照射细胞损伤效应

1.1 低剂量氚照射对离体细胞的损伤效应

氚的生物效应研究主要集中在有关氚的剂量估算、内照射致癌、遗传效应、生殖效应等方面。由于近几十年来分子生物学的兴起，高速测序技术的发展，为进一步研究氚的辐射生物学效应的分子基础提供了有效手段和途径。

Tauchi等[4]利用基因剪切等手段将人体X染色体负责编码的Hprt1基因转染到Hprt1缺陷的仓鼠细胞中，由于人源的Hprt1基因在仓鼠细胞中具有不稳定性，从而构建出易于发生突变的敏感性实验体系(敏感性提升50倍左右)。在该实验体系上开展的研究结果表明，HTO辐照剂量率在0.05～2.0 cGy/h范围内，突变率并未发生重离子辐照所产生的反剂量率效应；而HTO辐照产生的突变类型与随机突变相似。

Saintigny等[5]研究发现，XRCC4缺陷细胞对14C与3H标记的胸腺嘧啶都具有辐射敏感性，HR缺陷细胞却只对3H标记的胸腺嘧啶辐射敏感。说明HR修复信号通路在低剂量氚照射后细胞损伤响应中起着重要作用。

邱俊等[6]研究了0～3.7×106Bq/mL氚水辐照24 h对原代培养的神经细胞迁移能力的影响。结果表明，随着活度增加，神经细胞迁移距离减小，胞内游离钙离子增加，并伴随β-tubulin和NCAM表达水平下调。

利用理论模拟的方法分析低剂量氚内照射的微剂量分布，帮助更深入的认识、了解损伤发生后所导致的生物体功能性的变化。Chen等[7]利用微剂量模型计算比较了氚均匀与非均匀分布在细胞中所导致的受照剂量差异。与HTO在细胞中均匀分布的吸收剂量相比，OBT非均匀分布在辐射敏感生物靶的剂量是其均匀分布的1.7倍。Alloni等[8]也利用径迹模型PARTRAC计算了氚分布在细胞不同区域内所致的受照剂量及其相应的DNA损伤，结果表明，当氚选择性分布在细胞质，而未进入细胞核时，细胞核所受剂量是细胞平均受照剂量的15%，DNA双链断裂数目也随剂量增加而成比例增加。结果进一步验证DNA是电离辐射敏感靶，而在氚内照射中如何量化和评估与DNA结合生成的OBT所导致的受照剂量或是损伤程度可能是影响低剂量长期照射所致剂量以及健康危害评估的重要因素之一。

1.2 低剂量氚照射对活体动物细胞的损伤效应

1.2.1短期效应

王明明等[9]研究了大鼠受0～3.7×106Bq/mL氚水作用24 h后神经元细胞的凋亡、增殖抑制、超氧阴离子释放、p53基因表达以及DNA断裂损伤效应。结果发现，氚水活度高于3.7×104Bq/mL，凋亡显著发生；随着放射性活度的增加，凋亡率、增殖抑制率与p53的mRNA表达量均增加，DNA断裂也随之加重。

Yamamoto等[10]研究发现，小鼠在连续饮入0.15 TBq/L HTO所导致的剂量达到11 Gy时，造血细胞会有显著的致死效应。

崔凤梅等[11]研究了氚水处理后小鼠外周血白细胞总数和骨髓嗜多染红细胞微核率的改变，结果发现，氚水初始注入量高于16.65×106Bq/g时，白细胞总数和髓嗜多染红细胞微核率才有统计学意义的上升；微核率随注入后时间延长而持续增加，伴有白细胞总数的持续下降，指标变化在第10天后恢复。说明外周血白细胞总数和髓嗜多染红细胞微核率可作为氚水内照射的早期辐射损伤指标。

对于免疫系统的影响，Umata等[12]研究发现，给C57BL/6N小鼠单次注射HTO剂量达到3 Gy时，照后12 h观察到的脾细胞凋亡率可达5.0%。

Smirnov等[13]分析了不同剂量率HTO内照射(剂量范围为0.2～1 Gy)对小鼠淋巴系统的影响。结果显示，T和B淋巴细胞前体的克隆形成率的降低与剂量率存在直接关联，且免疫反应对于氚β射线照射十分敏感。

在对生殖系统的研究中，Satow等[14]研究发现，当HTO活度超过0.34 MBq/g(相应剂量为77 mGy)时，便能有效杀伤未成熟的卵母细胞。Balonov等[15]研究表明，吸收剂量达8 Gy时，可见DNA双链改变和单链DNA分子质量改变。当该损伤发生在哺乳动物生殖细胞中，往往导致其失去结成合子的能力，不能形成受精卵或使受精卵在着床前死亡，或使着床后的受精卵不能成活而导致胚胎早期死亡[16-17]。Zhou等[18]用D-M1中的多价体探讨氚水诱发精原细胞染色体易位，结果发现，精原细胞易位的产物主要为D-M1中的链状四价体。

在IAEA出版物里，将氚分在气态低毒性核素组里，但应用H3-TdR(氚标胸腺嘧啶核苷酸)时，体内细胞的氚危害效应很容易观察到。这些效应包括细胞死亡、变异、生长延缓和致癌作用[19-20],一般说来，当一次性注入大于1.0 μCi/g时，就能观察到这些效应。对辐射敏感的精原细胞中很容易测出体内H3-TdR杀死细胞的作用。H3-TdR一次性注入引起的细胞死亡与60Co γ射线照射比较结果表明，给小鼠注入l μCi/g的H3-TdR产生的效应与大约5倍的60Coγ射线照射后的效应相似。氚对精原细胞的照射也诱发后代的显性致死性突变，效率约为1%。即使H3-TdR的剂量对某一组织不产生可测的组织学变化，但是这样的剂量仍能扰乱细胞的增生，延缓细胞的生长和改变组织的细胞组成。将2～10 μCi/g的H3-TdR一次性注入新生大鼠以后，二倍体的肝细胞的生长和分化出现明显的紊乱，结果会造成肝细胞周期时间和倍体分类的持久改变。

王冰等[21-22]分析了不同活度氚标记的各类生物大分子(胸腺嘧啶、尿嘧啶、精氨酸以及谷氨酸)与小鼠胚胎共培养20 h后对其中枢神经系统的影响，结果发现，由于胸腺嘧啶与尿嘧啶是DNA合成原料，因此其生物学毒性显著高于氚标记的精氨酸与谷氨酸。并估算了这几种氚标记的生物分子导致50%细胞增殖受抑制的活度(ID50)，其中氚标记的胸腺嘧啶ID50值最低，仅为29 kBq/mL。Müller等[23]也发现用活度接近的氚标记精氨酸与氚标记胸腺嘧啶共培养小鼠胚胎，氚标记胸腺嘧啶导致的微核发生率等损伤指标高于精氨酸；且其导致的损伤效应是相同活度氚水的1 000～5 000倍。

1.2.2长期效应和致癌风险

低剂量辐照对人体健康的影响主要是其诱导发生的随机性效应。癌症发生率一直是关注热点。

Seyama等[24]给雌鼠腹腔急性注射HTO(全身照射剂量约2.0～10.5 Gy)，以及相同剂量γ射线与中子辐照，结果发现辐照500天后观察到的肿瘤发生率与辐照射线种类无关。而相较于HTO单次注射导致的7.9或是10.5 Gy照射，分次注射(每周一次，四次注射达到等同剂量)诱导发生的胸腺淋巴癌的潜伏期更短，终身淋巴瘤发病率显著提升。

Yamamoto等[25]研究给雌鼠连续口服HTO(所致软组织剂量约为0.01～0.24 Gy/d)后的致瘤效应，结果发现，0.01 Gy/d剂量率诱发终身肿瘤发生率可高达83%。高剂量率会加速大多数肿瘤的生长从而导致小鼠寿命的缩短。其中高剂量率(0.096～0.24 Gy/d)导致小鼠死亡的主要原因是诱导产生的胸腺淋巴癌。该作者后续开展了更低剂量率的相关实验，结果发现剂量率高于0.0036 Gy/d时肿瘤发生的潜伏期缩短，从而降低了小鼠的寿命[26]，而更低剂量率照射下未见肿瘤发生率有显著性的变化。

Yin等[27]分别给每只小鼠腹腔注射0.23、0.92、3.70 MBq HTO，观察14月后的肿瘤发病率。结果表明，雄鼠组中肝癌发病率显著增加，而雌鼠组中只有卵巢癌发病率轻微上调，无统计学意义。

Johnson等[28]利用小鼠实验分析了氚水诱发骨髓白血病发生的剂量规律，结果显示，剂量增加至3 Gy时，发病率从0.13%增至6%～8%。Daher[29]将N5雄鼠长期(>30 d)暴露于HTO，发现剂量大于1.5 Gy时其后代的白血病发病率显著升高。Irushima等[30]研究结果发现，HTO照射导致急、慢性髓细胞白血病染色体数量和结构的改变。

2 氚的非电离生物效应

氚衰变过程中3He原子伴随β射线产生，其化学性质与氢原子存在差异，因此若衰变发生在OBT中，伴生的氦原子获得一定的反冲动能，对生物分子的功能存在影响。

Kacena等[31]研究发现，衰变过程中氦原子获得的反冲动能约为3 eV，该能量不足以使DNA分子发生电离，但氦原子有可能从生物分子上脱离。Myers和Johnson指出氦原子对氚生物效应的影响依赖于发生衰变的氚在DNA核苷酸的位置[32-33]。Seyama等[24]发现在果蝇以及酵母体系中最显著的遗传突变效应是由胞嘧啶-5位置的氚衰变导致。氚衰变产氦的效应导致的遗传突变率是β射线的3～400倍[34]，但Myers和Johnson在其综述评论文章中认为，由于该效应在哺乳动物中产生的突变率较低(< 5%)，因此不易被检测到。

由于生物大分子一般具有多级结构，如蛋白质分子折叠形成的三级结构会导致部分结合产生的OBT被包裹在结构内部，将这部分结合的OBT称为“buried tritium”[35]不易被交换。另一方面,分子与水之间的氢键作用强于氚与有机分子之间的作用，从而导致生物膜表面结合大量的氚。在大部分生物分子中，该效应导致的氚富集程度约为1.4倍。但是在DNA分子中，每个脱氧核苷酸外的水分子层包含11个分子且不易被离子穿透，与水分子间的氢键作用导致的氚富集程度大约为2倍。因此，与包裹在DNA分子外的水分子层结合的氚产生的β射线是DNA损伤发生的主要原因。可能是低活度氚水作用后，虽然细胞吸收剂量很低但仍具有较高的相对生物效应值(如微核发生率与染色体畸变率)的原因。

3 结语

随着核技术的广泛应用，尤其以核聚变技术为代表的核能发展，使得氚安全与危害的评估越来越重要。虽然已有的研究在氚致畸、遗传等生物效应中取得了很大成果，对氚的物理特性以及化学特性产生的毒理有了深入了解，但是仍有很多问题尚未解决，如氚水生物学毒性对生物体生理机制的改变，如DNA损伤修复、细胞周期、凋亡以及增殖信号通路变化等，以及职业照射中OBT在长期低剂量效应中所起的作用等。目前，由于基于人体数据的流行病学数据相对匮乏，所以利用动物实验以及离体细胞实验进一步探讨氚水长期生物学效应机制的研究具有一定的必要性，也具有重要的意义。