氚照射生物效应的实验研究
作者：周湘艳 王冰 高卫民 吕慧敏 董金婵
单位：周湘艳 高卫民 吕慧敏 董金婵(北京，卫生部工业卫生实验所 100088)；王冰(日本科技厅放射线医学综合研究所)
关键词：氚；低剂量；Ca2+电流；p53表达；细胞凋亡；致畸阈值
中华放射医学与防护杂志000102 【摘要】 目的 综合概括了过去十几年所作的氚照射生物效应系统研究的实验结果。 方法该研究着重于低剂量氚照射对健康造成可能影响的实验研究，研究了氚在妊娠和哺乳动物体内的分布、代谢和剂量估算；遗传学效应(初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率、卵母细胞或精母细胞的显性致死突变、精原细胞显性骨骼突变。通过C-分带Giemsa染色，分析了精母细胞中期-1的染色体畸变)；致畸效应(生长发育、神经行为、脑细胞学和脑神经递质)，同时也研究了离体氚水和有机结合氚对脑细胞增殖、分化、Ca2+电流、细胞周期、p53表达以及细胞凋亡的诱导等。结果 选用多项生物终点进行了氚β射线与γ射线或X射线的比较研究，估算了氚β射线遗传危险度〔以精原细胞的显性骨骼突变作为生物终点，氚β射线剂量为0.19、0.38、0.66和1.01 Gy时，突变率(×104/106 Gy)分别为2.7298、0.8062、0.6843和1.3042〕、相对生物效能(分别以整体研究的遗传和生殖、以离体研究的细胞增殖和分化参数作为生物终点并获得的氚β射线RBE值变化在2.24到2.99，4.6到8.7范围内)以及致畸阈值(以大鼠和小鼠为实验对象观察的56项生物学指标中氚致畸阈剂量约80%指标分布在0.03～0.09 cGy范围内，约20%分布在0.093～0.030 cGy范围内)。结论 低剂量氚产生的健康损害不容忽视。
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A review of experimental studies on biological effects of tritium exposure
ZHOU Xiangyan WANG Bing GAO Weimin et al.
(Laboratory of Industrial Hygiene,Ministry of Health,Beijing 100088,China)
【Abstract】 Objective This review briefly describes the basic experimental results of a systemic study on radiobiological effects of tritium,which was carried out by the Group of Tritium Study at Laboratory of Industrial Hygiene for over 10 years. Methods The study focused on the possible health effects from low dose level tritium exposure and investigations covered many aspects including distribution,metabolism,dosimetry,genetic damage(primary oocyte survival and spermatogonia survival rates,dominant lethal mutations of oocytes or spermatocytes, and dominant skeleton mutations of spermatocytes,chromosomal aberrations analyzed by C-banding of spermatocytes at metaphase-Ⅰ),teratogenic effect (postnatal development,neurobehavoiral changes,cellular changes of brain and neuropeptide) after exposure to tritiated water (HTO) in vivo,and effects of tritium exposure from HTO or organically bound tritiated compounds (OBT) on cellular proliferation and differentiation,Ca2+ conductance,cell cycle,p53 expression,and apoptosis induction in neurons in vitro. Results Many biological endpoints were used to estimate the genetic risk (when using dominant skeleton mutations of spermatocytes as the biological endpoint,the mutation rates (×104/106 Gy) of 0.19,0.38，0.66 and 1.01 Gy groups were 2.7298,0.8062,0.6843 and 1.3042,respectively),relative biological effectiveness (a variety of RBE values for tritium were obtained ranging from 2.24 to 2.99 and from 4.6 to 8.7 by using in vivo genetic and reproductive effects,and in vitro cellular proliferation and differentiation parameters as the biological endpoints,respectively),and teratogenetic threshold (in about 80% of the observed 56 parameters in rats and mice indicating that the threshold dose for prenatal HTO exposure ranged from 0.03 Gy to 0.092 Gy,and from 0.093 to 0.30 Gy for the other 20% parameters). Conclusion The damage induced by low dose tritium cannot be ignored.
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【Key words】 Tritium; Low dose; Ca2+conductance; p53 expression; Apoptosis; Teratogenetic threshold▲
发电厂使用石油或者煤炭燃料所造成的有毒气体及废物排放，造成了非常严重的环境污染。作为国家的政策将逐步取消使用燃烧石油和煤炭的发电厂以解决燃料短缺而采用核反应堆发电已经成为国家的一个重要决策之一。自从1991年中国第一座核电站即秦山核电站投入运行以来，现有3座核反应堆正在审理筹建中。氚是放射性废物之一，有长的半衰期，同时又作为核反应堆的基本原料。由于它可以产生对健康的损害而导致公众及学术界的极大关注。自从70年代初期，世界上某些经济发达国家迅速发展核能事业的同时，也在这些国家如加拿大、美国、欧洲及日本等进行了氚对健康危害的广泛研究。1993年美国《保健物理》杂志发表了关于氚研究的专集[1]，反映出当时这一领域的研究水平。在中国最早氚研究是始于70年代末、80年代初。最先由王樟龄等1982年提交报告[2]。在此之后，进行了一些关于氚致癌的研究[3，4]。随后作者受国家自然科学基金及卫生部科学研究基金的资助于1988年以来进行了氚生物效应的实验研究，着重氚对妊娠和哺乳动物影响的实验研究，获得了许多有价值的研究结果，包括氚在妊娠和哺乳动物体内转移、遗传学效应，相对生物效能(RBE)以及离体培养细胞的增殖、分化、细胞凋亡、Ca2+电流及p53表达等研究并估算了氚β射线的遗传危险度，RBE值以及氚致畸阈值等。近40篇的论文先后发表在国内、外杂志上。本文作者对过去十几年氚系统生物效应的实验研究进行简要概述。
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材料和方法
一、整体研究
1.动物
选用动物有C57BL/6J、LACA、NIH纯系小鼠及Wistar品种的大鼠。动物饲养在室温(24±2)℃，相对湿度为(55±5)%，每天照明从早7：00到晚7：00。雌鼠与雄鼠合笼后发现阴栓确定为妊娠0 d，怀孕动物单独喂养。每组出生后的仔鼠进行调整，每窝仔鼠数为8只，仔鼠性别的数量基本相等。动物处理是按照规定的管理办法实施。
2.氚照射和参考辐射
氚水用蒸馏水稀释到合适浓度经液闪标定，单次腹腔注入体内或饮水连续摄入。生物效应研究中氚水给入时间和持续时间在另处有详细报道。在生长发育效应的研究中，分别是在小鼠妊娠12.5 d和大鼠妊娠13.0 d时注射氚水。
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选用X射线或60Co γ射线做为参考辐射。γ射线照射是模拟氚水单次注入体内剂量率呈指数函数下降或恒定剂量率的照射方式进行外照射。
3.组织氚活度测量
动物经麻醉或在脱颈情况下活杀收集生物样品，样品称重处理后，通过液闪测定总氚活度。
4.组织水分含量测定
采用冷冻干燥法。妊娠小鼠、胎儿、哺乳小鼠和新生仔鼠体内水分含量的平均值分别是82%、96%、78%和81%。
5.氚生物半衰期的计算
动物湿组织中总氚生物半衰期(Tb)是通过氚存留曲线计算的，即收集组织样品时氚活度与注射氚活度的百分率。单次腹腔注入氚水，妊娠和哺乳小鼠的Tb值分别是1.59和1.69 d，成年雄性和雌性小鼠的Tb值分别是1.96和2.06 d。
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6.氚剂量估算
胎儿体内水含量几乎占100%。孕鼠单次腹腔注射氚水后，仔鼠体内总氚累积吸收剂量(DT)应为宫内胎儿接受氚照射的吸收剂量(DF)和出生后某一时期氚吸收剂量(DN)的总和。此时，通过乳汁和有机结合氚的剂量可以忽略。计算公式如下[5，6]：
7.致畸效应的研究
通过脑重和体重评价仔代的生长发育。通过病理切片及显微镜观察，研究了神经管和脑神经元的增殖、分化和迁移。神经元细胞(大脑锥体细胞和小脑蒲氏细胞)和凋亡细胞分别采用COXS和HE方法染色[7]。海马锥体细胞采用Cresyl violet方法染色[8]。受检查的每个组织至少有3个样品，每张片子观察250个细胞。
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出生后的发育状况是通过检测新生反射(平面翻正，空中翻正，负趋地性，悬崖回避和抓握反射)，生理指标(开眼，张耳、睾丸下降、阴道开口和出牙)，感觉功能(听觉惊愕、定向反应、痛觉和趋母性实验)[9-11]以及脑神经介质的研究(脑垂体生长抑素和下丘脑精氨酸加压素)[12]。
神经行为的研究采用一系列行为指标：如一般指标，非强迫性行为(旷场试验和探孔试验)、复杂的肌肉神经协调动作(前足悬挂、回避运动、足趾展开、连续通道活动和水迷宫试验)和学习记忆功能(电击回避试验和食物迷宫等)[6，13，14]。
8.妊娠和哺乳期氚分布和转移
妊娠第1天的小鼠每克体重单次腹腔注射氚水活度为1.82×105 Bq,收集妊娠鼠及胎儿的组织样品并测量氚浓度，研究了氚在妊娠鼠体内的分布及通过胎盘向胎体转移的规律。
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哺乳第1天的动物每克体重单次腹腔注射氚水活度为1.85×105 Bq，研究了氚通过乳汁向仔代转移的规律。
怀孕不同时间的孕鼠单次腹腔注射氚水，收集分娩3.5 d哺乳鼠和受乳鼠的生物样品并测量氚活度。
9.遗传和生殖效应的研究
小鼠连续接受氚水照射10 d后的不同时间，检查受照射小鼠初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率、精母细胞的显性致死突变。通过C-分带Giemsa染色，分析了精母细胞中期-Ⅰ的染色体畸变，主要有多价体、断片、常染色体分离和X/Y性染色体分离等。
二、离体研究
1.胎鼠中脑细胞培养
取出胎龄11 d的胎鼠中脑。中脑细胞的制备和培养，细胞的增殖和分化，DAN和蛋白含量的测定均按Flint和Wang方法[15，16]。
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2.氚照射和剂量
氚水、氚标记胸腺嘧啶(3H-TdR)、3H-尿嘧啶、3H-赖氨酸和3H-谷氨酸嘧啶，用培养基稀释到合适浓度并用液闪标定。氚照射通过HTO和OBT放在培养的中脑细胞中。X射线作为参考照射。
按照NCRP 63号报告书[17]中描述的公式估算了细胞或核的总的吸收剂量。为了排除边缘效应，采用0.8校正系数估算了3H-TdR对细胞核的吸收剂量。估算了3H每衰变一次对细胞和细胞核的剂量贡献分别为0.1242 cGy和0.1424 cGy。
3.细胞凋亡的检测
细胞凋亡的检测[18]通过培养的中脑细胞形态学的观察包括染色质浓缩以及用生化方法检测DNA电泳梯状图形变化。细胞凋亡定量变化是在显微镜下进行的，p53蛋白的检测是采用Western blotting方法。细胞周期的分布是采用流式细胞仪的方法测量。
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4.海马神经元的培养及观察
当日出生的Wistar仔鼠3只，取出海马，制成含有单个细胞的混悬液，将细胞密度调整到5×105细胞/ml。在37 ℃，体积分数为5%的CO2饱和湿度条件下生长。培养过程中加入5-氟尿嘧啶抑制神经胶质细胞生长。海马神经元体外培养第6、8、10和12 d在放大300倍视野下进行形态观察及细胞计数[14]。
5.电生理记录
采用膜片钳(patch clamp)技术，在AXOPATCH-1D膜片钳放大器上，用全细胞记录方式(whole-cell recording)测定海马神经元最大Ca2+电流[14]。实验中电极电阻为4～6 MΩ。为了获得理想的Ca2+电流，用细胞外液的TTX阻断钠电流，用电极内液中的CsCl阻断钾电流。将膜电位钳制在-70 mV,从-50 mV开始刺激。以10 mV步幅递增的去极化刺激后可得到一系列Ca2+电流。实验结果显示于Tektronix 5111A记忆示波器上，控制程序为pClamp 5.5.1。
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6.RBE
选用遗传学、发育行为、细胞增殖和分化等指标作为生物终点研究氚β射线与60Co γ射线或X射线比较的RBE值。
结果
一、整体研究
1.妊娠和哺乳期氚的分布和转移
妊娠第1天的母鼠单次腹腔注射氚水后，测量妊娠和胚胎小鼠组织样品的氚活度，发现氚是均匀分布的。注射第2天，给入氚水量的51%滞留在体内，到第20天体内仅存留1.5%被检测到。在同样取样时间，胎盘和胚胎中氚活度与孕鼠组织中氚活度近似。没有显示出胎盘对氚转移的屏蔽作用。妊娠0 d接受氚水照射后5、10和20 d通过胎盘转移到胚胎的系数分别为0.96、0.97和1.06[19]。哺乳当天接受氚水照射后10、15和20 d通过乳汁转移到仔鼠的系数分别为1.30、1.89和2.10[20]。获得了哺乳动物体内的氚通过乳汁向正在哺乳的仔代转移的结果，通过胎盘和乳汁联合转移的氚表现出受乳的仔代比哺乳的亲代高出1.3～2倍。
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2.遗传和生殖效应
氚β射线和60Co γ射线照射的剂量以指数递减规律下降，选用卵母细胞的显性致死突变、精原细胞的显性骨骼突变、初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率和精母细胞的染色体畸变等为生物终点，获得有关的剂量-效应结果。关于染色体畸变主要以多价体为主。选用γ射线作为参考射线以精原细胞的显性骨骼突变作为生物终点，估算了遗传危险度的结果分别是：氚β射线剂量为0.19、0.38、0.66和1.01 Gy时，突变率(×104/106 Gy)分别为2.7298、0.8062、0.6843和1.3042；60Co γ射线剂量为0.74、1.59、2.07和2.87 Gy时，突变率(×103/106 Gy)分别为5.089、2.519、3.040和2.968。
3.致畸效应
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观察到体重和脑重发育延迟，新生反射迟缓、生理标志出现以及感觉功能的迟缓。同时也发现最低剂量诱发上述这些指标出现明显改变的阈剂量，并且小鼠低于大鼠。
活动行为检测表明出生前宫内受照射的仔鼠。在幼小时期表现为兴奋状态，在青年时期行为表现有所变化，到成年时期行为表现为抑制。通过对学习及记忆功能的检测结果分析，发现宫内氚吸收剂量达到7.1 cGy时，学习和记忆功能产生困难。对一些指标，宫内受到3.6 cGy照射时，可以产生一定的行为变化；生长抑素升高和精氨加压素降低的剂量分别在7.1和21.3 cGy。在大鼠，引起行为变化的最低剂量是4.6 cGy，比小鼠稍高。
观察了宫内氚水照射对脑神经元和皮肤黑色素细胞增殖和分化的干扰。注射氚水后的胚胎第1天，观察到神经管的细胞凋亡数明显增加。发现X射线照射后4 h，细胞凋亡数增加更明显。出生前受到3.6 cGy氚水照射与受到10 cGy X射线照射时比较，出生后6 d时的大脑皮层第Ⅴ层细胞凋亡的百分数明显增加。
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许多资料表明，氚β射线RBE值(以X射线或γ射线作为参考辐射)高于1。以遗传效应和生殖效应为生物终点的氚β射线的RBE值分别为2.99～2.51(氚指数剂量率照射)和2.65～2.24(氚恒定剂量率照射)[21]。
二、离体研究
中脑细胞的培养表现出种植后2～20 h对辐射更为敏感。OBT所产生的氚活度决定于对细胞增殖和分化的抑制，但效率不同。对细胞分化的抑制大于对细胞增殖的抑制。在4种OBT中，3H-TdR表现出最明显的抑制效应，依次为3H-尿嘧啶、3H-精氨酸嘧啶和3H-谷氨酸嘧啶。但是，选用确定效应的吸收剂量做比较时，除3H-TdR以外，3种OBT表现的效应并无明显差异。也观察了3H活度和吸收剂量决定OBT对DNA和蛋白合成的抑制作用。
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发现X射线和任何一种OBT复合照射的情况下对细胞分化的抑制作用比单一的X射线或单一的OBT都会产生更强的抑制效果。任何2种OBT复合照射。特别3H-TdR和氚化尿嘧啶组合照射时引起更明显的抑制效果。当总剂量低于5 cGy时，任何2种复合照射都可以检测明显的抑制效果。
氚照射引起培养的中脑细胞凋亡并产生明显的梯状DNA图形，但是伴有不典型的染色质浓缩。另外，DNA断片在氚照射下要大于X射线照射下的断片。培养中受3H-TdR(21.0 kBq/ml)或HTO(5.616 MBq/ml)照射时，培养后12 h与对照组相比，凋亡的百分数明显升高，接着持续升高。在培养中接受3.65 Gy X射线照射后4 h，细胞凋亡的百分数达到峰值，接着很快下降并在整个培养期维持恒定。培养脑细胞中受到氚照射通过流式细胞仪观察G1期细胞凋亡明显增加之前，p53蛋白出现明显增加。
培养7～10 d后，海马神经元呈锥体或星状，胞体逐渐长大，胞核及核仁清楚可见，表面光滑，边缘清晰，胞体晕光明显，折光性强，突起丰富，变粗变长并有分枝，形成明显的神经网络。9.2 cGy和27.3 cGy照射组海马神经元的体外培养相同时间，与对照组相比，生长缓慢，胞体较小，视野中细胞数较少，并在2周开始退化。27.3 cGy氚水照射组海马神经元的最大Ca2+电流比对照组显著下降。
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表1列出了OBT的氚β射线对细胞增殖、分化和DNA以及蛋白定量变化作为终点，以急性X射线作为参考辐射的氚RBE值。每一个RBE都高于1，这些RBE值都是因为OBT的种类和生物终点不同而不同。3H-TdR表现最高的RBE值，而氚标记谷氨酸嘧啶的RBE值最低。
表1 培养的中脑细胞中氚(OBT)β射线与
X射线比较的RBE值 OBT
生物终点
细胞增殖
细胞分化
DNA含量
蛋白含量
3H-TdR
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7.8
8.7
8.6
8.3
3H-精氨酸嘧啶
5.4
5.5
5.9
5.6
3H-尿嘧啶
7.8
8.5
7.9
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8.0
3H-谷氨酸嘧啶
4.6
4.7
4.6
4.6
三、致畸阈值
表2列出了以大鼠和小鼠为实验对象观察的56项生物指标中氚致畸阈剂量[22]。结果发现约80%指标分布在0.03～0.09 cGy范围内，约20%分布在0.093～0.030 cGy范围内，指出氚β射线的致畸阈值比X射线或60Co γ射线明显低。表2 出生前氚水照射对发育中中枢神经系统影响
的56项生物学指标阈剂量的分布 氚阈剂量(Gy)
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生物学指标数(个)
分布百分率(%)
0.030～0.050
23
41.1
0.051～0.092
22
39.3
0.093～0.300
11
19.6
讨论
, http://www.100md.com 在核燃料再加工和核发电生产，特别是重水反应堆以及核裂变反应堆中，氚是非常重要的原料之一。如果使用氚作为原料进行核反应堆发电，那么大气和水中氚浓度比正常环境中的本底值增加10倍，如果是事故释放，总氚排放量更不容忽视。因此，氚对健康的影响引起了公众的关注。
一、整体研究
1.氚的分布和转移
氚通常以水的形式存在在环境中，很容易通过饮水和食物链进入人体内。当皮肤受伤时，氚水也容易通过受伤的皮肤进入人体内。氚易与细胞核结合。氚通过胎盘和乳汁可以从母体转移给胎儿和新生动物，这在辐射防护研究中非常值得重视。因为当细胞增殖和分化旺盛时期，氚照射可以产生大量的氚结合到生物分子中并引起高的生物危害度。本研究结果显示在哺乳动物和新生动物体内氚分布不同可能是由于两种生理学特殊不同，例如生长率、代谢和水含量等的不同所致。需要在这些特殊生理条件下做进一步的研究。
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2.遗传学和生殖学效应
本研究选用小鼠骨骼系统估算氚水照射的遗传疾病的危险度。在许多情况下，小鼠骨骼异常与人类少见的显性疾病和不规则疾病非常相似，因此选用该指标作为终点进行研究。但是骨骼系统只是整体组织器官中一部分，所以采用系数为2。由于半数骨骼突变在临床上没有显著意义，因此采用相对因子为0.5。当这些资料外推到人的时候，应当考虑到由于剂量和剂量率的不同，产生的某些效应也不同。
3.致畸效应
动物实验研究表明，宫内受到急性X、γ射线或中子照射时，引起生理发育、行为和脑发育明显变化的剂量不低于10 cGy。关于日本原子弹爆炸幸存者的研究资料显示出有阈值的存在。本研究显示出低于10 cGy宫内氚照射可以引起显著的病理学、发育学及行为的改变。出生前氚β射线照射的致畸效应比同样水平的急性X或γ射线照射的效应明显。低水平氚照射很难直接杀死细胞或者干扰细胞转移。受氚照射的多数细胞可能通过一个周期阻滞，然后迁移到他们的固定地点，其中一些细胞最后死亡。后期细胞凋亡可能是引起出生后行为变化的重要原因。关于发育延缓、组织学缺陷、神经生化学改变以及功能失调的结果彼此呼应，不同水平的宫内氚照射显示出的异常效应二者有非常好的拟合关系。氚造成的脑病理学改变可以直接影响到发育迟缓以及功能的改变。然而，直接的因果关系、相互作用以及其机理还需要进一步研究。总之，本研究为今后进一步研究提供了重要基础。
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二、离体研究
MBC培养体系具有组织类型、化学重组和成熟的广泛表现。因此，它是发育研究的一个de novo体系(体内及体外增殖、分化模式基本一致)。结果显示细胞分化是比细胞增殖更敏感的生物终点。OBT的抑制效率依赖于化合物的种类。接受X射线照射和氚照射比接受单独一种照射所引起的细胞增殖抑制效率高。分化中的细胞的放射高敏感性可表现为细胞密度下降、细胞聚集的干扰、细胞表面结构的损伤以及残存的细胞之间相互作用的影响等。
离子通道是膜活动和电活动的基础。海马神经元Ca2+电流的下降表明出生前HTO照射可影响Ca2+通道的状态。这必然导致与Ca2+活动有关的其他生理过程的改变。电生理的改变提供了研究细胞膜信息改变的直接分子手段。
氚导致培养基中的细胞凋亡和氚照射后的凋亡现象随细胞类型不同而不同。培养的中脑细胞p53蛋白的增高是照射后两种不同细胞反应的重要中介，即G1阻滞或/和细胞凋亡。DNA损伤应该存在损伤阈值，如果超过阈值不可避免的导致细胞死亡。这并不意味着氚照射后DNA损伤阈值低于X或γ射线照射。少量的DNA损伤可迅速修复，所以它不可能直接的杀死细胞。在一些细胞中，诱导细胞凋亡的许多直接或间接信号中，氚β射线导致的分子损伤可作为诱导细胞凋亡的一个途径。相关研究值得进一步探讨。
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分别以整体研究的遗传和生殖，以离体研究的细胞增殖和分化参数作为生物终点并获得的氚β射线RBE值变化在2.24到2.99，4.6到8.7范围内。以点突变为生物终点获得的氚RBE值比细胞杀死的RBE值高。但是，研究结果表明的某些体外研究的遗传、发育和行为参数也是非常敏感的生物学指标。
氚RBE值分布范围大的原因可能是由于实验条件不同造成，主要取决于参考射线的种类，氚的剂量和剂量率及实验条件、生物终点的选择和氚化合物存在的形式等。辐射剂量当然是最重要的因素之一，它必须经过详细的设计与β射线照射相一致，以避免错误的解释和错误的理解。为了辐射防护的目的，由ICRP推荐200 kV X射线作为标准的参考射线。然而，在这个条件下，随着剂量和剂量率降低，RBE值升高。把β粒子短射程考虑在内，氚剂量是另外一个重要问题，因为氚标记化合物与氚水分布不同而具有高的危险性。因此，它们的剂量估算和危险度评价也成为非常大的困难。氚RBE值多数资料是在没有精确剂量率模拟情况下获得的。在这样的条件下，确切地选择生物终点及氚化合物形式是非常重要的因素。
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三、致畸阈值
人类出生前受照射后脑辐射损伤的危险度定量估计值所依据的人类资料主要来自日本广岛和长崎原子弹爆炸时宫内受照射幸存者的调查。资料显示：妊娠8～15周脑发育比受精后8周内及16～25周对辐射更为敏感。ICRP和UNSCEAR认为妊娠16～25周受照射的损伤效应是存在阈值的，其阈值为0.64～0.70 Gy，其95% CI下界为0.21 Gy；而妊娠8～15周受照射的脑发育虽然对辐射相当敏感，但是否存在阈值，还不能凭已有的流行病学资料及实验资料解决。随着研究的深入，国内外许多研究者对此给以极大关注并陆续报告了许多宝贵的实验资料。就外照射资料而言，Jensh等[23，24]用0.2 Gy及以上剂量的X射线照射Wistar大鼠，通过神经行为等生物指标观察，认为所采用的参数在0.2或0.2 Gy以上时都有阈值。Yamamoto等[25]研究中经口给小鼠氚水连续照射整个生存期间，发现肿瘤发生率的氚剂量阈值为0.9 mGy/d，寿命缩短的阈值为2 mGy/d。
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近10年来，作者选用C57BL/6J小鼠及Wistar大鼠两种哺乳类动物在相等活度的低水平氚水照射下，从整体、组织、细胞及Ca2+电流等56项生物指标的剂量-响应关系及与对照组相比出现显著性差异的最低剂量。从本实验获得和阈剂量主要在0.03～0.092 Gy，较多数实验报道为低。这可能由于不同的实验动物对辐射所具有的敏感性存在差异；加之本实验以氚水为辐射源，根据以往研究的结果，氚在低剂量下具有较大的RBE值的缘故。鉴于中枢神经系统调控机体的特殊性，其本身结构的复杂性及不同测试指标存在着辐射敏感性差异，有关出生前氚水照射对发育中的中枢神经系统影响及其阈剂量研究对定量估计辐射危险度意义重大，利用多种实验动物模型，加强氚致脑细胞分子学及基因水平研究，将为探讨机理及积累低水平氚阈值提供理想的研究手段。
结论
本文系统的研究结果显示氚照射与氚代谢以及氚本身的放射生物学特点所产生的一些健康问题相关。选用实验动物模型和细胞培养系统研究了事故情况下释放大量氚和平时状况下核反应堆连续运转释放小剂量氚照射所产生的生物效应是非常重要的。选用系统的生物终点进行系统研究值得推荐。在本系统研究中，特别是出生前氚照射胚胎效应的研究对氚危险度估计提供重要资料。虽然还不适宜将这些资料外推于人，但结果显示受氚照射的人，特别是怀孕期间职业妇女工作者应该尽可能注意保护。
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作者衷心感谢魏履新教授、吴德昌院士和沈恂教授等在全部研究工作中给以热情的支持和帮助；也感谢日本放射线综合医学研究所的武田洋、大山和早田勇博士等对这项研究工作的支持和提供的方便；作者还要特别感谢山田武教授，对他的一些建议以及推动双方氚生物效应的深入研究和氚的学术交流深表感谢■
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39170274)；卫生部科学研究基金资助项目(88204094，94-1-096，96-2-050)
参考文献
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收稿日期:1999-06-10, http://www.100md.com
单位：周湘艳 高卫民 吕慧敏 董金婵(北京，卫生部工业卫生实验所 100088)；王冰(日本科技厅放射线医学综合研究所)
关键词：氚；低剂量；Ca2+电流；p53表达；细胞凋亡；致畸阈值
中华放射医学与防护杂志000102 【摘要】 目的 综合概括了过去十几年所作的氚照射生物效应系统研究的实验结果。 方法该研究着重于低剂量氚照射对健康造成可能影响的实验研究，研究了氚在妊娠和哺乳动物体内的分布、代谢和剂量估算；遗传学效应(初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率、卵母细胞或精母细胞的显性致死突变、精原细胞显性骨骼突变。通过C-分带Giemsa染色，分析了精母细胞中期-1的染色体畸变)；致畸效应(生长发育、神经行为、脑细胞学和脑神经递质)，同时也研究了离体氚水和有机结合氚对脑细胞增殖、分化、Ca2+电流、细胞周期、p53表达以及细胞凋亡的诱导等。结果 选用多项生物终点进行了氚β射线与γ射线或X射线的比较研究，估算了氚β射线遗传危险度〔以精原细胞的显性骨骼突变作为生物终点，氚β射线剂量为0.19、0.38、0.66和1.01 Gy时，突变率(×104/106 Gy)分别为2.7298、0.8062、0.6843和1.3042〕、相对生物效能(分别以整体研究的遗传和生殖、以离体研究的细胞增殖和分化参数作为生物终点并获得的氚β射线RBE值变化在2.24到2.99，4.6到8.7范围内)以及致畸阈值(以大鼠和小鼠为实验对象观察的56项生物学指标中氚致畸阈剂量约80%指标分布在0.03～0.09 cGy范围内，约20%分布在0.093～0.030 cGy范围内)。结论 低剂量氚产生的健康损害不容忽视。
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A review of experimental studies on biological effects of tritium exposure
ZHOU Xiangyan WANG Bing GAO Weimin et al.
(Laboratory of Industrial Hygiene,Ministry of Health,Beijing 100088,China)
【Abstract】 Objective This review briefly describes the basic experimental results of a systemic study on radiobiological effects of tritium,which was carried out by the Group of Tritium Study at Laboratory of Industrial Hygiene for over 10 years. Methods The study focused on the possible health effects from low dose level tritium exposure and investigations covered many aspects including distribution,metabolism,dosimetry,genetic damage(primary oocyte survival and spermatogonia survival rates,dominant lethal mutations of oocytes or spermatocytes, and dominant skeleton mutations of spermatocytes,chromosomal aberrations analyzed by C-banding of spermatocytes at metaphase-Ⅰ),teratogenic effect (postnatal development,neurobehavoiral changes,cellular changes of brain and neuropeptide) after exposure to tritiated water (HTO) in vivo,and effects of tritium exposure from HTO or organically bound tritiated compounds (OBT) on cellular proliferation and differentiation,Ca2+ conductance,cell cycle,p53 expression,and apoptosis induction in neurons in vitro. Results Many biological endpoints were used to estimate the genetic risk (when using dominant skeleton mutations of spermatocytes as the biological endpoint,the mutation rates (×104/106 Gy) of 0.19,0.38，0.66 and 1.01 Gy groups were 2.7298,0.8062,0.6843 and 1.3042,respectively),relative biological effectiveness (a variety of RBE values for tritium were obtained ranging from 2.24 to 2.99 and from 4.6 to 8.7 by using in vivo genetic and reproductive effects,and in vitro cellular proliferation and differentiation parameters as the biological endpoints,respectively),and teratogenetic threshold (in about 80% of the observed 56 parameters in rats and mice indicating that the threshold dose for prenatal HTO exposure ranged from 0.03 Gy to 0.092 Gy,and from 0.093 to 0.30 Gy for the other 20% parameters). Conclusion The damage induced by low dose tritium cannot be ignored.
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【Key words】 Tritium; Low dose; Ca2+conductance; p53 expression; Apoptosis; Teratogenetic threshold▲
发电厂使用石油或者煤炭燃料所造成的有毒气体及废物排放，造成了非常严重的环境污染。作为国家的政策将逐步取消使用燃烧石油和煤炭的发电厂以解决燃料短缺而采用核反应堆发电已经成为国家的一个重要决策之一。自从1991年中国第一座核电站即秦山核电站投入运行以来，现有3座核反应堆正在审理筹建中。氚是放射性废物之一，有长的半衰期，同时又作为核反应堆的基本原料。由于它可以产生对健康的损害而导致公众及学术界的极大关注。自从70年代初期，世界上某些经济发达国家迅速发展核能事业的同时，也在这些国家如加拿大、美国、欧洲及日本等进行了氚对健康危害的广泛研究。1993年美国《保健物理》杂志发表了关于氚研究的专集[1]，反映出当时这一领域的研究水平。在中国最早氚研究是始于70年代末、80年代初。最先由王樟龄等1982年提交报告[2]。在此之后，进行了一些关于氚致癌的研究[3，4]。随后作者受国家自然科学基金及卫生部科学研究基金的资助于1988年以来进行了氚生物效应的实验研究，着重氚对妊娠和哺乳动物影响的实验研究，获得了许多有价值的研究结果，包括氚在妊娠和哺乳动物体内转移、遗传学效应，相对生物效能(RBE)以及离体培养细胞的增殖、分化、细胞凋亡、Ca2+电流及p53表达等研究并估算了氚β射线的遗传危险度，RBE值以及氚致畸阈值等。近40篇的论文先后发表在国内、外杂志上。本文作者对过去十几年氚系统生物效应的实验研究进行简要概述。
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材料和方法
一、整体研究
1.动物
选用动物有C57BL/6J、LACA、NIH纯系小鼠及Wistar品种的大鼠。动物饲养在室温(24±2)℃，相对湿度为(55±5)%，每天照明从早7：00到晚7：00。雌鼠与雄鼠合笼后发现阴栓确定为妊娠0 d，怀孕动物单独喂养。每组出生后的仔鼠进行调整，每窝仔鼠数为8只，仔鼠性别的数量基本相等。动物处理是按照规定的管理办法实施。
2.氚照射和参考辐射
氚水用蒸馏水稀释到合适浓度经液闪标定，单次腹腔注入体内或饮水连续摄入。生物效应研究中氚水给入时间和持续时间在另处有详细报道。在生长发育效应的研究中，分别是在小鼠妊娠12.5 d和大鼠妊娠13.0 d时注射氚水。
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选用X射线或60Co γ射线做为参考辐射。γ射线照射是模拟氚水单次注入体内剂量率呈指数函数下降或恒定剂量率的照射方式进行外照射。
3.组织氚活度测量
动物经麻醉或在脱颈情况下活杀收集生物样品，样品称重处理后，通过液闪测定总氚活度。
4.组织水分含量测定
采用冷冻干燥法。妊娠小鼠、胎儿、哺乳小鼠和新生仔鼠体内水分含量的平均值分别是82%、96%、78%和81%。
5.氚生物半衰期的计算
动物湿组织中总氚生物半衰期(Tb)是通过氚存留曲线计算的，即收集组织样品时氚活度与注射氚活度的百分率。单次腹腔注入氚水，妊娠和哺乳小鼠的Tb值分别是1.59和1.69 d，成年雄性和雌性小鼠的Tb值分别是1.96和2.06 d。
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6.氚剂量估算
胎儿体内水含量几乎占100%。孕鼠单次腹腔注射氚水后，仔鼠体内总氚累积吸收剂量(DT)应为宫内胎儿接受氚照射的吸收剂量(DF)和出生后某一时期氚吸收剂量(DN)的总和。此时，通过乳汁和有机结合氚的剂量可以忽略。计算公式如下[5，6]：
7.致畸效应的研究
通过脑重和体重评价仔代的生长发育。通过病理切片及显微镜观察，研究了神经管和脑神经元的增殖、分化和迁移。神经元细胞(大脑锥体细胞和小脑蒲氏细胞)和凋亡细胞分别采用COXS和HE方法染色[7]。海马锥体细胞采用Cresyl violet方法染色[8]。受检查的每个组织至少有3个样品，每张片子观察250个细胞。
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出生后的发育状况是通过检测新生反射(平面翻正，空中翻正，负趋地性，悬崖回避和抓握反射)，生理指标(开眼，张耳、睾丸下降、阴道开口和出牙)，感觉功能(听觉惊愕、定向反应、痛觉和趋母性实验)[9-11]以及脑神经介质的研究(脑垂体生长抑素和下丘脑精氨酸加压素)[12]。
神经行为的研究采用一系列行为指标：如一般指标，非强迫性行为(旷场试验和探孔试验)、复杂的肌肉神经协调动作(前足悬挂、回避运动、足趾展开、连续通道活动和水迷宫试验)和学习记忆功能(电击回避试验和食物迷宫等)[6，13，14]。
8.妊娠和哺乳期氚分布和转移
妊娠第1天的小鼠每克体重单次腹腔注射氚水活度为1.82×105 Bq,收集妊娠鼠及胎儿的组织样品并测量氚浓度，研究了氚在妊娠鼠体内的分布及通过胎盘向胎体转移的规律。
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哺乳第1天的动物每克体重单次腹腔注射氚水活度为1.85×105 Bq，研究了氚通过乳汁向仔代转移的规律。
怀孕不同时间的孕鼠单次腹腔注射氚水，收集分娩3.5 d哺乳鼠和受乳鼠的生物样品并测量氚活度。
9.遗传和生殖效应的研究
小鼠连续接受氚水照射10 d后的不同时间，检查受照射小鼠初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率、精母细胞的显性致死突变。通过C-分带Giemsa染色，分析了精母细胞中期-Ⅰ的染色体畸变，主要有多价体、断片、常染色体分离和X/Y性染色体分离等。
二、离体研究
1.胎鼠中脑细胞培养
取出胎龄11 d的胎鼠中脑。中脑细胞的制备和培养，细胞的增殖和分化，DAN和蛋白含量的测定均按Flint和Wang方法[15，16]。
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2.氚照射和剂量
氚水、氚标记胸腺嘧啶(3H-TdR)、3H-尿嘧啶、3H-赖氨酸和3H-谷氨酸嘧啶，用培养基稀释到合适浓度并用液闪标定。氚照射通过HTO和OBT放在培养的中脑细胞中。X射线作为参考照射。
按照NCRP 63号报告书[17]中描述的公式估算了细胞或核的总的吸收剂量。为了排除边缘效应，采用0.8校正系数估算了3H-TdR对细胞核的吸收剂量。估算了3H每衰变一次对细胞和细胞核的剂量贡献分别为0.1242 cGy和0.1424 cGy。
3.细胞凋亡的检测
细胞凋亡的检测[18]通过培养的中脑细胞形态学的观察包括染色质浓缩以及用生化方法检测DNA电泳梯状图形变化。细胞凋亡定量变化是在显微镜下进行的，p53蛋白的检测是采用Western blotting方法。细胞周期的分布是采用流式细胞仪的方法测量。
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4.海马神经元的培养及观察
当日出生的Wistar仔鼠3只，取出海马，制成含有单个细胞的混悬液，将细胞密度调整到5×105细胞/ml。在37 ℃，体积分数为5%的CO2饱和湿度条件下生长。培养过程中加入5-氟尿嘧啶抑制神经胶质细胞生长。海马神经元体外培养第6、8、10和12 d在放大300倍视野下进行形态观察及细胞计数[14]。
5.电生理记录
采用膜片钳(patch clamp)技术，在AXOPATCH-1D膜片钳放大器上，用全细胞记录方式(whole-cell recording)测定海马神经元最大Ca2+电流[14]。实验中电极电阻为4～6 MΩ。为了获得理想的Ca2+电流，用细胞外液的TTX阻断钠电流，用电极内液中的CsCl阻断钾电流。将膜电位钳制在-70 mV,从-50 mV开始刺激。以10 mV步幅递增的去极化刺激后可得到一系列Ca2+电流。实验结果显示于Tektronix 5111A记忆示波器上，控制程序为pClamp 5.5.1。
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6.RBE
选用遗传学、发育行为、细胞增殖和分化等指标作为生物终点研究氚β射线与60Co γ射线或X射线比较的RBE值。
结果
一、整体研究
1.妊娠和哺乳期氚的分布和转移
妊娠第1天的母鼠单次腹腔注射氚水后，测量妊娠和胚胎小鼠组织样品的氚活度，发现氚是均匀分布的。注射第2天，给入氚水量的51%滞留在体内，到第20天体内仅存留1.5%被检测到。在同样取样时间，胎盘和胚胎中氚活度与孕鼠组织中氚活度近似。没有显示出胎盘对氚转移的屏蔽作用。妊娠0 d接受氚水照射后5、10和20 d通过胎盘转移到胚胎的系数分别为0.96、0.97和1.06[19]。哺乳当天接受氚水照射后10、15和20 d通过乳汁转移到仔鼠的系数分别为1.30、1.89和2.10[20]。获得了哺乳动物体内的氚通过乳汁向正在哺乳的仔代转移的结果，通过胎盘和乳汁联合转移的氚表现出受乳的仔代比哺乳的亲代高出1.3～2倍。
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2.遗传和生殖效应
氚β射线和60Co γ射线照射的剂量以指数递减规律下降，选用卵母细胞的显性致死突变、精原细胞的显性骨骼突变、初级卵母细胞存活率、精原细胞存活率和精母细胞的染色体畸变等为生物终点，获得有关的剂量-效应结果。关于染色体畸变主要以多价体为主。选用γ射线作为参考射线以精原细胞的显性骨骼突变作为生物终点，估算了遗传危险度的结果分别是：氚β射线剂量为0.19、0.38、0.66和1.01 Gy时，突变率(×104/106 Gy)分别为2.7298、0.8062、0.6843和1.3042；60Co γ射线剂量为0.74、1.59、2.07和2.87 Gy时，突变率(×103/106 Gy)分别为5.089、2.519、3.040和2.968。
3.致畸效应
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观察到体重和脑重发育延迟，新生反射迟缓、生理标志出现以及感觉功能的迟缓。同时也发现最低剂量诱发上述这些指标出现明显改变的阈剂量，并且小鼠低于大鼠。
活动行为检测表明出生前宫内受照射的仔鼠。在幼小时期表现为兴奋状态，在青年时期行为表现有所变化，到成年时期行为表现为抑制。通过对学习及记忆功能的检测结果分析，发现宫内氚吸收剂量达到7.1 cGy时，学习和记忆功能产生困难。对一些指标，宫内受到3.6 cGy照射时，可以产生一定的行为变化；生长抑素升高和精氨加压素降低的剂量分别在7.1和21.3 cGy。在大鼠，引起行为变化的最低剂量是4.6 cGy，比小鼠稍高。
观察了宫内氚水照射对脑神经元和皮肤黑色素细胞增殖和分化的干扰。注射氚水后的胚胎第1天，观察到神经管的细胞凋亡数明显增加。发现X射线照射后4 h，细胞凋亡数增加更明显。出生前受到3.6 cGy氚水照射与受到10 cGy X射线照射时比较，出生后6 d时的大脑皮层第Ⅴ层细胞凋亡的百分数明显增加。
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许多资料表明，氚β射线RBE值(以X射线或γ射线作为参考辐射)高于1。以遗传效应和生殖效应为生物终点的氚β射线的RBE值分别为2.99～2.51(氚指数剂量率照射)和2.65～2.24(氚恒定剂量率照射)[21]。
二、离体研究
中脑细胞的培养表现出种植后2～20 h对辐射更为敏感。OBT所产生的氚活度决定于对细胞增殖和分化的抑制，但效率不同。对细胞分化的抑制大于对细胞增殖的抑制。在4种OBT中，3H-TdR表现出最明显的抑制效应，依次为3H-尿嘧啶、3H-精氨酸嘧啶和3H-谷氨酸嘧啶。但是，选用确定效应的吸收剂量做比较时，除3H-TdR以外，3种OBT表现的效应并无明显差异。也观察了3H活度和吸收剂量决定OBT对DNA和蛋白合成的抑制作用。
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发现X射线和任何一种OBT复合照射的情况下对细胞分化的抑制作用比单一的X射线或单一的OBT都会产生更强的抑制效果。任何2种OBT复合照射。特别3H-TdR和氚化尿嘧啶组合照射时引起更明显的抑制效果。当总剂量低于5 cGy时，任何2种复合照射都可以检测明显的抑制效果。
氚照射引起培养的中脑细胞凋亡并产生明显的梯状DNA图形，但是伴有不典型的染色质浓缩。另外，DNA断片在氚照射下要大于X射线照射下的断片。培养中受3H-TdR(21.0 kBq/ml)或HTO(5.616 MBq/ml)照射时，培养后12 h与对照组相比，凋亡的百分数明显升高，接着持续升高。在培养中接受3.65 Gy X射线照射后4 h，细胞凋亡的百分数达到峰值，接着很快下降并在整个培养期维持恒定。培养脑细胞中受到氚照射通过流式细胞仪观察G1期细胞凋亡明显增加之前，p53蛋白出现明显增加。
培养7～10 d后，海马神经元呈锥体或星状，胞体逐渐长大，胞核及核仁清楚可见，表面光滑，边缘清晰，胞体晕光明显，折光性强，突起丰富，变粗变长并有分枝，形成明显的神经网络。9.2 cGy和27.3 cGy照射组海马神经元的体外培养相同时间，与对照组相比，生长缓慢，胞体较小，视野中细胞数较少，并在2周开始退化。27.3 cGy氚水照射组海马神经元的最大Ca2+电流比对照组显著下降。
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表1列出了OBT的氚β射线对细胞增殖、分化和DNA以及蛋白定量变化作为终点，以急性X射线作为参考辐射的氚RBE值。每一个RBE都高于1，这些RBE值都是因为OBT的种类和生物终点不同而不同。3H-TdR表现最高的RBE值，而氚标记谷氨酸嘧啶的RBE值最低。
表1 培养的中脑细胞中氚(OBT)β射线与
X射线比较的RBE值 OBT
生物终点
细胞增殖
细胞分化
DNA含量
蛋白含量
3H-TdR
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7.8
8.7
8.6
8.3
3H-精氨酸嘧啶
5.4
5.5
5.9
5.6
3H-尿嘧啶
7.8
8.5
7.9
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8.0
3H-谷氨酸嘧啶
4.6
4.7
4.6
4.6
三、致畸阈值
表2列出了以大鼠和小鼠为实验对象观察的56项生物指标中氚致畸阈剂量[22]。结果发现约80%指标分布在0.03～0.09 cGy范围内，约20%分布在0.093～0.030 cGy范围内，指出氚β射线的致畸阈值比X射线或60Co γ射线明显低。表2 出生前氚水照射对发育中中枢神经系统影响
的56项生物学指标阈剂量的分布 氚阈剂量(Gy)
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生物学指标数(个)
分布百分率(%)
0.030～0.050
23
41.1
0.051～0.092
22
39.3
0.093～0.300
11
19.6
讨论
, http://www.100md.com 在核燃料再加工和核发电生产，特别是重水反应堆以及核裂变反应堆中，氚是非常重要的原料之一。如果使用氚作为原料进行核反应堆发电，那么大气和水中氚浓度比正常环境中的本底值增加10倍，如果是事故释放，总氚排放量更不容忽视。因此，氚对健康的影响引起了公众的关注。
一、整体研究
1.氚的分布和转移
氚通常以水的形式存在在环境中，很容易通过饮水和食物链进入人体内。当皮肤受伤时，氚水也容易通过受伤的皮肤进入人体内。氚易与细胞核结合。氚通过胎盘和乳汁可以从母体转移给胎儿和新生动物，这在辐射防护研究中非常值得重视。因为当细胞增殖和分化旺盛时期，氚照射可以产生大量的氚结合到生物分子中并引起高的生物危害度。本研究结果显示在哺乳动物和新生动物体内氚分布不同可能是由于两种生理学特殊不同，例如生长率、代谢和水含量等的不同所致。需要在这些特殊生理条件下做进一步的研究。
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2.遗传学和生殖学效应
本研究选用小鼠骨骼系统估算氚水照射的遗传疾病的危险度。在许多情况下，小鼠骨骼异常与人类少见的显性疾病和不规则疾病非常相似，因此选用该指标作为终点进行研究。但是骨骼系统只是整体组织器官中一部分，所以采用系数为2。由于半数骨骼突变在临床上没有显著意义，因此采用相对因子为0.5。当这些资料外推到人的时候，应当考虑到由于剂量和剂量率的不同，产生的某些效应也不同。
3.致畸效应
动物实验研究表明，宫内受到急性X、γ射线或中子照射时，引起生理发育、行为和脑发育明显变化的剂量不低于10 cGy。关于日本原子弹爆炸幸存者的研究资料显示出有阈值的存在。本研究显示出低于10 cGy宫内氚照射可以引起显著的病理学、发育学及行为的改变。出生前氚β射线照射的致畸效应比同样水平的急性X或γ射线照射的效应明显。低水平氚照射很难直接杀死细胞或者干扰细胞转移。受氚照射的多数细胞可能通过一个周期阻滞，然后迁移到他们的固定地点，其中一些细胞最后死亡。后期细胞凋亡可能是引起出生后行为变化的重要原因。关于发育延缓、组织学缺陷、神经生化学改变以及功能失调的结果彼此呼应，不同水平的宫内氚照射显示出的异常效应二者有非常好的拟合关系。氚造成的脑病理学改变可以直接影响到发育迟缓以及功能的改变。然而，直接的因果关系、相互作用以及其机理还需要进一步研究。总之，本研究为今后进一步研究提供了重要基础。
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二、离体研究
MBC培养体系具有组织类型、化学重组和成熟的广泛表现。因此，它是发育研究的一个de novo体系(体内及体外增殖、分化模式基本一致)。结果显示细胞分化是比细胞增殖更敏感的生物终点。OBT的抑制效率依赖于化合物的种类。接受X射线照射和氚照射比接受单独一种照射所引起的细胞增殖抑制效率高。分化中的细胞的放射高敏感性可表现为细胞密度下降、细胞聚集的干扰、细胞表面结构的损伤以及残存的细胞之间相互作用的影响等。
离子通道是膜活动和电活动的基础。海马神经元Ca2+电流的下降表明出生前HTO照射可影响Ca2+通道的状态。这必然导致与Ca2+活动有关的其他生理过程的改变。电生理的改变提供了研究细胞膜信息改变的直接分子手段。
氚导致培养基中的细胞凋亡和氚照射后的凋亡现象随细胞类型不同而不同。培养的中脑细胞p53蛋白的增高是照射后两种不同细胞反应的重要中介，即G1阻滞或/和细胞凋亡。DNA损伤应该存在损伤阈值，如果超过阈值不可避免的导致细胞死亡。这并不意味着氚照射后DNA损伤阈值低于X或γ射线照射。少量的DNA损伤可迅速修复，所以它不可能直接的杀死细胞。在一些细胞中，诱导细胞凋亡的许多直接或间接信号中，氚β射线导致的分子损伤可作为诱导细胞凋亡的一个途径。相关研究值得进一步探讨。
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分别以整体研究的遗传和生殖，以离体研究的细胞增殖和分化参数作为生物终点并获得的氚β射线RBE值变化在2.24到2.99，4.6到8.7范围内。以点突变为生物终点获得的氚RBE值比细胞杀死的RBE值高。但是，研究结果表明的某些体外研究的遗传、发育和行为参数也是非常敏感的生物学指标。
氚RBE值分布范围大的原因可能是由于实验条件不同造成，主要取决于参考射线的种类，氚的剂量和剂量率及实验条件、生物终点的选择和氚化合物存在的形式等。辐射剂量当然是最重要的因素之一，它必须经过详细的设计与β射线照射相一致，以避免错误的解释和错误的理解。为了辐射防护的目的，由ICRP推荐200 kV X射线作为标准的参考射线。然而，在这个条件下，随着剂量和剂量率降低，RBE值升高。把β粒子短射程考虑在内，氚剂量是另外一个重要问题，因为氚标记化合物与氚水分布不同而具有高的危险性。因此，它们的剂量估算和危险度评价也成为非常大的困难。氚RBE值多数资料是在没有精确剂量率模拟情况下获得的。在这样的条件下，确切地选择生物终点及氚化合物形式是非常重要的因素。
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三、致畸阈值
人类出生前受照射后脑辐射损伤的危险度定量估计值所依据的人类资料主要来自日本广岛和长崎原子弹爆炸时宫内受照射幸存者的调查。资料显示：妊娠8～15周脑发育比受精后8周内及16～25周对辐射更为敏感。ICRP和UNSCEAR认为妊娠16～25周受照射的损伤效应是存在阈值的，其阈值为0.64～0.70 Gy，其95% CI下界为0.21 Gy；而妊娠8～15周受照射的脑发育虽然对辐射相当敏感，但是否存在阈值，还不能凭已有的流行病学资料及实验资料解决。随着研究的深入，国内外许多研究者对此给以极大关注并陆续报告了许多宝贵的实验资料。就外照射资料而言，Jensh等[23，24]用0.2 Gy及以上剂量的X射线照射Wistar大鼠，通过神经行为等生物指标观察，认为所采用的参数在0.2或0.2 Gy以上时都有阈值。Yamamoto等[25]研究中经口给小鼠氚水连续照射整个生存期间，发现肿瘤发生率的氚剂量阈值为0.9 mGy/d，寿命缩短的阈值为2 mGy/d。
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近10年来，作者选用C57BL/6J小鼠及Wistar大鼠两种哺乳类动物在相等活度的低水平氚水照射下，从整体、组织、细胞及Ca2+电流等56项生物指标的剂量-响应关系及与对照组相比出现显著性差异的最低剂量。从本实验获得和阈剂量主要在0.03～0.092 Gy，较多数实验报道为低。这可能由于不同的实验动物对辐射所具有的敏感性存在差异；加之本实验以氚水为辐射源，根据以往研究的结果，氚在低剂量下具有较大的RBE值的缘故。鉴于中枢神经系统调控机体的特殊性，其本身结构的复杂性及不同测试指标存在着辐射敏感性差异，有关出生前氚水照射对发育中的中枢神经系统影响及其阈剂量研究对定量估计辐射危险度意义重大，利用多种实验动物模型，加强氚致脑细胞分子学及基因水平研究，将为探讨机理及积累低水平氚阈值提供理想的研究手段。
结论
本文系统的研究结果显示氚照射与氚代谢以及氚本身的放射生物学特点所产生的一些健康问题相关。选用实验动物模型和细胞培养系统研究了事故情况下释放大量氚和平时状况下核反应堆连续运转释放小剂量氚照射所产生的生物效应是非常重要的。选用系统的生物终点进行系统研究值得推荐。在本系统研究中，特别是出生前氚照射胚胎效应的研究对氚危险度估计提供重要资料。虽然还不适宜将这些资料外推于人，但结果显示受氚照射的人，特别是怀孕期间职业妇女工作者应该尽可能注意保护。
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作者衷心感谢魏履新教授、吴德昌院士和沈恂教授等在全部研究工作中给以热情的支持和帮助；也感谢日本放射线综合医学研究所的武田洋、大山和早田勇博士等对这项研究工作的支持和提供的方便；作者还要特别感谢山田武教授，对他的一些建议以及推动双方氚生物效应的深入研究和氚的学术交流深表感谢■
基金项目：国家自然科学基金资助项目(39170274)；卫生部科学研究基金资助项目(88204094，94-1-096，96-2-050)
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收稿日期:1999-06-10, http://www.100md.com