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编号:10498597
内照射核素对发育脑的危害
http://www.100md.com 《苏州大学学报(医学版)》 2000年第9期
     作者:朱寿彭

    单位:苏州医学院放射毒理学教研室,苏州,215007

    关键词:

    苏州医学院学报000901 在机体的生长发育过程中,胚胎器官发生期的细胞处于高度分化、增殖和迁移的最活跃时期。而脑的发生、发育和成熟,经历了胚胎器官的发生期、胎儿期和出生后的一段时期,这段时期对电离辐射作用具有高度敏感性[1]。从日本长畸和广岛的原子弹爆炸资料表明,孕妇在妊娠8~15周阶段受到辐照,可导致出生后儿童智力迟钝的发生率增加,智商下降。因此,电离辐射对发育脑的损伤及其辐射危险度的评价,尤其是内照射核素的辐照作用对发育脑的危害,已成为UNSCEAR所迫切关注的重要研究课题[2]

    1 脑发育的特殊性与辐射敏感性

    脑是分子、细胞和组织活动相互关联、相互制约的高度综合体,脑发育过程包括了神经元的增生、分化、迁移及死亡等一系列过程[3]。由于脑发育的特殊规律,使得处于各发育阶段的神经细胞有着不同的辐射效应,从而产生脑发育各过程辐射敏感性的差别。应该指出的是,由于脑神经元祖细胞的增生,是由有限的细胞群落大量地增生,可产生远超过正常所必需的细胞数量,而处于发育阶段的各神经元可在特定的时间和位置发生细胞的连接分化。尤其是在脑发育的早期,大量的增殖细胞在相互植入接触过程中,对于那些不能产生正常突触的神经元,将通过以程序化细胞死亡的方式加以清除[4]。而且,神经细胞在组织发育过程中,还需在特定的时间和位置发生准确的迁移,达到建立行使正常功能所必需的脑结构。因为每个皮层神经元不仅有一定的出生日期,还有明确的功能位置。由于大脑神经元细胞是在特定的脑室周围区增殖的,而要发挥它的正当的功能,就必须迁移出来,迁移到它们的正常功能部位。就单个细胞而言,最多只需数天即可达到转移终点。
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    在脑发育过程中,如果受到内照射核素的辐照作用,可以引起脑发育的异常,导致脑结构紊乱和神经功能的障碍。关于放射性核素内照射诱发对发育脑的危害的可能途径,可以归纳表现在下列方面:(1) 辐射效应可由神经胶质细胞或神经元的前体细胞或两者在有丝分裂时死亡而引起,或由于有丝分裂后但尚未成熟的神经元被杀死而引起。(2) 辐射效应可由于破坏了细胞迁移而引起,或通过使负责引导神经元迁移的神经胶质细胞死亡引起。(3) 辐射可导致神经元连接的发育,或称突触发生的障碍,反映在神经元正确连接的能力受损害。(4) 辐射可导致树突分枝的定向发生障碍,或导致每个大脑皮层神经元的树突或树突棘数量减少[5] 。(5) 辐射可加速或改变对发育脑及其附器发育必不可少的程序化细胞死亡。

    根据生物体对辐射的敏感性与其增殖程度成正比,而与分化程度成反比的原则,可以理解到脑神经细胞在不同发育时期的辐射敏感性表现的不同。在第二次世界大战结束后,学者们对在广岛、长畸原子弹爆炸时受到辐照的幸存者进行回顾性调查,发现了在脑发育方面的异常:如智力衰退和小头畸形等,引起了人们的重视和关注。进而通过统计分析表明,小头畸形的发生率与受照剂量之间的关系为:有11%的小头畸形发生在接受剂量0.10~0.19Gy水平;而30%的小头畸形发生在接受剂量0.20~0.49Gy水平。同时又通过对日本妇女在受孕期间受到原子弹爆炸辐照者进行跟踪调查揭示,在随后出生的儿童中观察到的脑发育畸形中亦以小头畸形最为多见,亦有无脑儿的呈现[6],经过分析对受原子弹爆炸辐照者当时的受孕时间与脑畸形发生率之间的相关时,发现在受孕时间为8~15周时的辐射敏感性最高,出现了脑畸形发生率的高峰期。关于评价辐照诱发的脑发育畸形这种类型的表现时,还可用“智商评分”来加以判断,因为学生的学习成绩亦是反映脑发育的一个重要指标,经过统计分析观察,获得了有价值的资料,即“智商评分”对辐照剂量存在着明显的依赖关系,当辐照剂量增升1Gy时,智商分值就会降低20~30分。尤其值得指出的是,通过进一步的分析表明,当辐照剂量处于0.2~0.4Gy阶段时,由脑发育畸形导致智力衰退这一类型的发生率,存在着明显的剂量依赖效应[7],同时发现伴有无明显诱因的癫痫发病率的增加[8]
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    至于对在儿童期接受医疗性放射治疗者,职业受照人群和受医疗照射者后代的观察发现,脑部辐照0.46~1.3Gy时,表现为记忆和情感缺陷;当辐照增至4.2~5.2Gy时,可呈现身材矮小和内分泌发育停止,伴有头围缩小、智力迟钝和癫痫样发作,而且这些障碍并不随着时间的推移而改善[9]。而在儿童脑部照射后出现的无力型神经衰弱综合征,伴有高血压、前庭性共济失调性功能不足,以及出现的某些精神障碍等症状,则可随着时间的推移而逐渐有所改善。

    综上所述,人类发育中的脑对电离辐射有高度敏感性,特别是胚胎发育的8~15周时,由于此时的神经元数量迅速增升,并且正处于向功能区迁移阶段,所在在此期间的受照者呈现的电离辐射损伤效应亦最严重。

    2 浓缩铀(235U)对发育脑的危害

    浓缩铀(235U)由于具有可作为核燃料的特殊功能而受到人们的重视,尤其是近年来因核电站的不断建立而使得低浓缩铀(235U)的利用更加迅猛发展。核燃料235U具有极长的半衰期,其产生对机体的健康危害已引起很大的关注。有关浓缩铀(235U)摄入机体时的内照射对正在进行分化的新生机体发育脑损伤的研究,迫切有待阐明[10],并成为UNSCEAR所关注的重要内容,因而考虑针对此问题进行了研究。
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    鉴于啮齿类动物与人类在发育方面的同源类比性。因此,有必要建立啮齿类动物大脑发育的辐照模型,并通过现代科学水平的精确实验,从而可以获得有关大脑发育的电离辐射效应的相应变化,并从亚细胞、细胞和组织等不同观察水平来了解辐射诱发新生机体发育脑损伤的危险性和有关损伤效应发生的机制及其有效的预防措施。

    我们首先建立了对内照射核素浓缩铀(235U)的脑内照射模型:即取刚出生的Wistar纯品系新生大白鼠,暴露颅骨,选在冠状缝后1.0mm,矢状缝旁开1.5mm的部位进行侧脑室注射,其注入深度为1.5mm,注射容积为含不同放射性活度的浓缩铀(235U) 2μl。

    实验研究通过多方位的指标检测,探讨了浓缩铀(235U)脑内照射对Wistar纯品系新生大鼠体格生长及神经行为发育的影响。发现浓缩铀(235U)对新生大鼠发育脑的内照射,可导致生长延缓和神经行为异常。继而从放射免疫分析角度,探讨了不同脑区中相应脑组织的蛋白多肽含量的变化,并通过微观放射自显影示踪揭示,浓缩铀(235U)主要选择性滞留在细胞核中,从而诱发神经细胞的辐射损伤效应,使新生大鼠发育脑组织蛋白多肽的含量发生一系列的变化,表现出具有神经细胞损伤的易感性和代偿性。进而选择以具有神经元样细胞的PC12细胞为靶细胞[11],进行细胞形态学、放射自显影示踪、细胞增殖抑制率和DNA链断裂程度等一系列观察,多方位的研究了浓缩铀(235U)诱发神经元样细胞的凋亡过程,探讨浓缩铀(235U)在神经元样细胞内的行径动态和精脒含量与细胞凋亡的相关。尤其是通过放射示踪研究,揭示了细胞因子IL-2、IL-6和SOD对235U诱发PC12细胞凋亡的保护作用。通过上述系列研究,首先揭示了浓缩铀(235U)对发育脑损伤的放射毒理效应,阐明了发育脑组织蛋白多肽含量的变化与脑功能行为的相关,探讨了浓缩铀(235U)诱发神经元样细胞凋亡的行径规律和机理,从而为浓缩铀(235U)放射防护标准的制定和核能利用中的放射防护评价提供了新的依据。
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    3 氚对发育脑的危害

    目前,为解决我国的燃料短缺而采用核反应堆发电,已成为国家的重要决策之一。由于核电站的相继建立,一方面考虑到氚作为核电站排放的放射性废物,具有长的半衰期。因而由氚进入机体产生的内照射对人体健康的危害,已引起学术界极大的关注。而为了正确评价核电站排放氚的危险度及制定核安全防护标准提供依据,研究氚对发育脑的危害及其机理,具有重要的理论和现实意义。另一方面,随着国内外核能的研究进展,特别是核聚变-裂变反应研究的迅速发展,而氚作为核聚变反应堆的基本原料,其对健康的影响,尤其是对遗传危害的估计,已成为放射毒理学研究中的一个热点课题[12]。特别是探讨阐明氚在妊娠和哺乳期间由母体向子代的转运[13],遗传学效应[14]和相对生物效应[15],以及培养细胞的增殖、分化、凋亡、Ca2+电流和p53基因表达等方面的研究。进而检测出生前接受氚照射的仔鼠的行为和学习记忆能力,表明可由早期的兴奋状态转为后期的迟钝、抑制状态[16]。至于对出生前受氚水照射的新生大鼠脑海马神经元培养观察,发现海马神经元数均呈明显减少,与此同时,神经元Ca2+电流亦呈明显下降[17]。上述因素影响了神经信息传递不良,最终出现神经行为,以及学习记忆能力的严重障碍。
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    至于氚内照射所诱发的对新生机体发育脑细胞的凋亡,可表现为明显的形态学和生化学的改变:如细胞皱缩,细胞起泡,细胞核固缩,核断裂,DNA阶梯状条带形成,以及凋亡小体的呈现等[18]。值得指出的是,在氚辐照发育脑时,诱发脑细胞中大分子DNA的直接损伤,从而导致p53基因蛋白的增高,引起细胞凋亡发生。这些分子水平物质的改变,对于阐明氚辐照导致的学习记忆功能障碍,起着重要的作用。

    4 展望

    由于通过运用脑发育和神经行为为重点的多项生物观察终点进行的系统研究所获得的新见解和新成果,表明内照射核素的辐照作用对处于发育时期的脑神经细胞具有高度的辐射敏感性。这对于评价核反应堆排放的放射性核素对机体的内照射危害,具有现实意义。从而可为辐射防护标准的制定提供依据。

    随着细胞分子生物学技术的发展,有关内照射核素对发育脑危害的分子机理方面的研究正在多方位的开展。应该注意到与发育脑密切相关联的细胞因子的改变,包括神经粘附因子和各种白细胞介素在受内照射核素辐照时所发生的变化,尤其值得指出的是,放射性核素对发育脑的辐照作用,可使神经生长因子(NGF)的表达明显增加,这种保护因子及其机理,尤其是与发育脑相关的基因在受内照射核素辐照作用的基因表达的调控变化,有待进一步研究揭示。
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    2000年8月17日收稿, http://www.100md.com