賈蓉 蘇鋒濤 胡步榮

（1. 中國科學(xué)院重離子輻射生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅省空間輻射生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000；2. 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院腫瘤研究所，上海 200032；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

重離子是指重于元素周期表中2號元素氦并被電離的粒子。線性能量傳遞（Linear energy transfer，LET），又稱為傳能線密度，是描寫射線性質(zhì)的一種物理量，單位為J/m，常用keV/μm表示，指的是電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量，即電離輻射貫穿物質(zhì)時，因碰撞而發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。重離子屬于高LET類型的粒子，這種粒子在其穿透的路徑上，產(chǎn)生很強(qiáng)的局部電離，與傳統(tǒng)的光子輻射（如X、γ射線）相比，會誘導(dǎo)更嚴(yán)重的輻射損傷生物效應(yīng)。外太空中存在著高能量的質(zhì)子和重離子，它們對生命體細(xì)胞會產(chǎn)生嚴(yán)重的電離作用，導(dǎo)致細(xì)胞死亡、染色體畸變和癌癥發(fā)生，影響著外太空航天員的健康安全［1］。在近層宇宙空間（即距離地球100 km到幾百公里的空間）中，由于地球磁場的捕獲作用（Van Allen Belt，范艾倫輻射帶），這些高能的質(zhì)子與重離子被屏蔽，因此，生活在地面的人們，處在一個相對安全的環(huán)境［2］。隨著核科學(xué)研究的需要和核技術(shù)的發(fā)展，人們在地面建立了重離子加速器裝置，這種裝置的建立，不僅大大促進(jìn)了核科學(xué)的研究與相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了核技術(shù)在生命科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用領(lǐng)域的研究，更好的理解DNA團(tuán)簇?fù)p傷與修復(fù)機(jī)制及重離子在生命科學(xué)中的應(yīng)用，能為未來研究方向提供方便，促進(jìn)對重離子輻射危害的評估與防護(hù)策略的建立，以及其得到更好的應(yīng)用。

1 高能重離子誘導(dǎo)的DNA損傷

1.1 高能重離子誘導(dǎo)DNA團(tuán)簇?fù)p傷

電離輻射通過射線的直接作用和間接作用引起DNA分子發(fā)生多種類型損傷，包括如圖1所示的堿基位點(diǎn)損傷（Apurinic/apyrimidinic sites，APs），損傷堿基（Oxidized purines or pyrimidines），單鏈斷裂（Single-strand breaks，SSBs）或雙鏈斷裂（Double-strand breaks，DSBs）［3］。DSBs損傷是輻射引起的各種生物效應(yīng)中最重要的原初損傷之一，無論是光子（如X或γ射線）還是帶電粒子誘導(dǎo)的未修復(fù)的或錯誤修復(fù)的DSBs，均會導(dǎo)致細(xì)胞毒性、突變和輻射致癌效應(yīng)［4-5］。一系列的證據(jù)揭示高LET輻射誘導(dǎo)細(xì)胞在DNA局部一到兩個螺旋（約10 nm）之間出現(xiàn)2個或更多個損傷（單一或復(fù)合類型損傷）［6］，這種密集的損傷類型被稱之為DNA團(tuán)簇?fù)p傷（又稱之為復(fù)雜的或簇集DNA損傷，Clustered DNA damage，圖2）。DNA團(tuán)簇?fù)p傷比單個獨(dú)立的DSBs更難以修復(fù)，有的情況下更是不可修復(fù)［7-15］，這是高LET輻射比低LET輻射有更高的相對生物學(xué)效應(yīng)（如細(xì)胞殺傷、染色體畸變、突變和致癌形成）的一個主要原因［16-18］。利用識別DNA損傷不同類型的抗體，不同熒光素結(jié)合的二抗，進(jìn)行免疫熒光染色，激光共聚焦顯微鏡細(xì)胞三維成像，可直觀地觀察到DNA團(tuán)簇?fù)p傷的不同類型（hOGG1-堿基損傷，XRCC1-單鏈損傷，53BP1-雙鏈損傷；如圖3所示）高度共定位。這些團(tuán)簇?fù)p傷復(fù)雜、修復(fù)困難，致使細(xì)胞周期停止時間長，導(dǎo)致更多的染色體發(fā)生畸變（圖4）［19］。軟瓊脂囊球?qū)嶒?yàn)表明DNA團(tuán)簇?fù)p傷將會引發(fā)更多的細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化事件［20］。但為什么DNA團(tuán)簇?fù)p傷難以修復(fù)以及這些損傷激發(fā)的癌癥形成事件的機(jī)制還不十分清楚，還需要繼續(xù)深入研究。

David-Cordonnier等的研究顯示，在DNA團(tuán)簇?fù)p傷區(qū)域內(nèi)，當(dāng)有第二個AP位點(diǎn)或單鏈斷裂存在時，第一個AP位點(diǎn)的切開以便于修復(fù)的效率顯著地降低［23］。一系列研究也顯示，不論是利用哺乳動物細(xì)胞提取物還是純化的修復(fù)酶，對DNA團(tuán)簇?fù)p傷中AP位點(diǎn)或8-氧鳥嘌呤位點(diǎn)（8-oxoguanine，8-OxoG）的修復(fù)，都不起作用［23-25］。在大腸桿菌和哺乳動物細(xì)胞中，一些DNA團(tuán)簇?fù)p傷位點(diǎn)的單個損傷類型在試圖進(jìn)行修復(fù)時，也可能導(dǎo)致致命的DSBs［3，26-30］。DNA團(tuán)簇?fù)p傷中不同損傷類型的空間分布和在細(xì)胞核內(nèi)（常染色質(zhì)或異染色質(zhì)上）損傷的實(shí)際位置可能影響細(xì)胞DNA團(tuán)簇?fù)p傷的修復(fù)能力。用分子動力學(xué)模擬的方法，已經(jīng)能檢驗(yàn)帶有一個堿基或8-氧鳥嘌呤的DNA團(tuán)簇?fù)p傷分子的構(gòu)象變化及其能荷特性，其結(jié)果顯示，含有團(tuán)簇?fù)p傷的DNA分子具有特殊的性能特點(diǎn)：在損傷位點(diǎn)能劇烈地彎曲，8-氧鳥嘌呤和互補(bǔ)鏈的堿基之間的靜電相互作用能削弱或徹底失去［31］。這些構(gòu)象可能使得修復(fù)酶與損傷區(qū)域的結(jié)合變得困難，也可能由于DNA團(tuán)簇?fù)p傷中多種損傷的致密空間分布使修復(fù)酶不能結(jié)合于某種損傷類型位點(diǎn)，從而導(dǎo)致修復(fù)能力的下降［13］。研究顯示，非雙鏈斷裂的簇集損傷類型（如單鏈斷裂、堿基損傷），如果沒有修復(fù)，也會導(dǎo)致基因突變和染色體異常［32］。

圖1 電離輻射誘導(dǎo)的DNA損傷類型

圖2 電離輻射誘導(dǎo)的DNA損傷

圖3 低LET與高LET輻射誘導(dǎo)的DNA損傷類型與差異

圖4 低LET與高LET輻射誘導(dǎo)的染色體畸變類型與差異

1.2 重離子誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)途徑

重離子誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷包括兩個基本組成類型：DSBs和非DSBs。DSBs的正確修復(fù)對細(xì)胞生存和基因組完整性至關(guān)重要［33］。在哺乳動物細(xì)胞，DSBs主要由兩個明確的途徑被修復(fù)：非同源末端連接修復(fù)（Non-homologous end-joining repair，NHEJ）和同源重組修復(fù)（Homologous recombination repair，HR）［34］（圖 5）。這兩條途徑有著不同的底物需求，按不同的修復(fù)動力學(xué)進(jìn)行，并且在細(xì)胞周期的不同時期被區(qū)別使用［35］。HR和NHEJ被看成是相互競爭的通路，但是最新的證據(jù)表明，這兩條途徑的結(jié)合可以增強(qiáng)所有DNA的修復(fù)，并且保護(hù)基因組的完整性［33，36-37］。在HR修復(fù)途徑，斷裂的基因組以另一條完整的姐妹染色單體作為模板來填補(bǔ)缺口，會出現(xiàn)基因轉(zhuǎn)換［34］，因此這一途徑被認(rèn)為是無錯修復(fù)途徑。相比于HR，NHEJ很少利用同源的模板來延伸DNA斷端［38］，在只有一個染色體拷貝的情況下也能正常進(jìn)行修復(fù)。與高保真的HR修復(fù)相反，NHEJ可以是高保真的，也可以帶來大量的突變。NHEJ是G1與早S期細(xì)胞首選的DSBs修復(fù)途徑，而對于晚S期與G2期的DSBs修復(fù)，HR與NHEJ均有貢獻(xiàn)［39］。NHEJ途徑缺陷型哺乳動物細(xì)胞對X和γ射線極為敏感，DSBs大量積聚［40］，表明NHEJ在低LET輻射誘導(dǎo)的DSBs 修復(fù)中占支配地位。對α-粒子和高能重離子輻射來說，NHEJ途徑缺陷型哺乳動物細(xì)胞的相對敏感性程度低于X射線，表明DNA修復(fù)的NHEJ途徑在高LET輻射誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)中作用受限［7，14-15，40］。研究認(rèn)為，高LET射線作用于細(xì)胞后，在DNA分子中產(chǎn)生一定密度的不均勻能量沉積，其結(jié)果是在局部范圍內(nèi)形成的DNA損傷不止一種，而是幾種類型損傷的簇集，這種局部多重?fù)p傷位點(diǎn)（Multiple damage sites，MDS）及斷裂的小片段DNA碎片影響Ku70/80修復(fù)蛋白結(jié)合到DNA斷端上（NHEJ的啟動步驟），導(dǎo)致由NHEJ介導(dǎo)的DSBs修復(fù)的抑制［41-42］，限制了NHEJ途徑的進(jìn)程。

圖5 DNA雙鍵斷裂修復(fù)的兩種途徑：HR和NHEJ

圖6 不同修復(fù)通路缺陷性細(xì)胞系對不同射線、離子敏感度分析［51］

表1 輻射誘導(dǎo)的染色單體及染色體畸變

研究顯示，在整個細(xì)胞周期過程中，NHEJ和HR修復(fù)途徑對X和γ射線誘導(dǎo)的DSBs修復(fù)都是需要的，HR與NHEJ在低LET輻射誘導(dǎo)的DSBs修復(fù)中相互協(xié)作［44-49］。有幾篇報道揭示HR修復(fù)因子，包括Rad54和Rad51同系物（Rad51D和XRCC3）缺陷型哺乳動物細(xì)胞系對高能重離子輻射敏感，出現(xiàn)較高的細(xì)胞毒性和遺傳突變性（圖6）［7，50-51］。進(jìn)一步，HR缺陷型細(xì)胞在S期時表現(xiàn)更為敏感（此時HR是DSB修復(fù)的主要途徑），這一結(jié)果強(qiáng)烈暗示HR在復(fù)雜DSBs修復(fù)中作用關(guān)鍵。

對于低LET輻射誘發(fā)的DSBs而言，NHEJ是主要的修復(fù)方式［52］，但是能夠精確地處理DNA團(tuán)簇?fù)p傷的DSB修復(fù)途徑還不清楚。有報道指出，在處理HZE粒子誘導(dǎo)的DNA損傷中需要RAD51介導(dǎo)的DNA修復(fù)（HR）［53-54］。另有研究顯示，范可尼貧血癥（Fanconi anemia，F(xiàn)A）蛋白通路可能與HR因子協(xié)調(diào)作用，并且在高LET的Fe離子輻射誘發(fā)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)中起著非常重要的作用［55］。而且，涉及到多種DNA修復(fù)過程的Mre11、WRN和Artemis核酸酶，在由重離子誘導(dǎo)的DNA復(fù)雜損傷末端的修復(fù)過程中可能均有重要作用［56-58］。盡管Mre11和WRN在響應(yīng)離子輻射時能結(jié)合在DNA損傷位點(diǎn)，但在修復(fù)通路選擇的機(jī)制，與其在響應(yīng)DNA團(tuán)簇?fù)p傷過程中蛋白質(zhì)的精確作用這些方面，現(xiàn)在依然有很多不清楚的地方。這就要求將來能確定涉及DNA團(tuán)簇?fù)p傷過程中的多蛋白復(fù)合體。

2 重離子輻射在生命科學(xué)中的應(yīng)用

電離輻射能夠誘導(dǎo)生命體細(xì)胞的DNA損傷，這種損傷能夠正確修復(fù)的，將幸存下來；無法修復(fù)的，細(xì)胞死亡或凋亡；不能正確修復(fù)的，引起突變，僥幸存活，成為突變株。為了在較短時間內(nèi)培育出優(yōu)良高性能突變品種，X或γ射線已經(jīng)成為開展輻射誘變育種的常規(guī)手段，但仍存在突變率低，所產(chǎn)生的變異絕大多數(shù)不能穩(wěn)定遺傳等問題。重離子具有高LET，接觸受體樣品后首先會引起細(xì)胞表面穿孔的物理過程［59］，甚至可直接穿透植物或微生物，在此過程中伴隨著能量的局部沉積，對生物體作用區(qū)域更集中，對作用部位細(xì)胞的損傷比X或γ射線顯著增加，而且集中受損的區(qū)域可隨離子能級控制，因此，重離子束用于誘變育種，能誘發(fā)基因組當(dāng)代可遺傳變異，并具有較高的突變率，在生物品種改良方面具有突出優(yōu)勢，在微生物、植物等生物品種選育中已經(jīng)取得了良好的效益［59-63］。

低LET的X或γ射線因其有效的細(xì)胞殺傷作用，已普遍應(yīng)用于臨床實(shí)體腫瘤的治療。然而，這其中也存在一些問題，如劑量主要損失在人體淺表部位、適型性不好，對腫瘤周圍健康組織損傷較大，對乏氧的腫瘤細(xì)胞抗拒、治療周期長、缺乏在線實(shí)時觀察手段等缺點(diǎn)。高LET的高能重離子誘導(dǎo)的DNA損傷很難修復(fù)，因此在殺死腫瘤細(xì)胞中是更有效的。更為重要的是，帶電粒子的物理特征允許其靶向腫瘤，傳遞更高劑量和能量的粒子，減少對周圍正常組織的損傷。如高LET的碳離子束，已經(jīng)應(yīng)用于幾個國家的放射治療中，取得了很好的治療效果［63］。

2.1 重離子輻射在植物育種中的應(yīng)用

重離子輻照作為誘變育種的一種新方法，已經(jīng)被應(yīng)用到作物育種和模式植物功能基因的研究中。早在1986年，我國余增亮研究員等就發(fā)現(xiàn)了重離子注入水稻的誘變效應(yīng)［64］。先后成功選育出抗病蟲S9042、優(yōu)質(zhì)D9055 和早秈14、高產(chǎn)中粳63、晚粳M3122、高產(chǎn)早熟晚粳48和晚粳M1148等不同特點(diǎn)的水稻品種［65］。近年來，中國科學(xué)院近代物理研究所用重離子輻照植物獲得了多個有利突變體。如在小麥中選育出了矮稈、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的春小麥M-920和豐產(chǎn)、高蛋白含量、抗黑穗病的隴輻2號［66-67］。在能源植物方面選育出了豐產(chǎn)、早熟、抗逆、含糖量高的甜高粱突變體“近甜1號”，為我國甜高粱乙醇燃料產(chǎn)業(yè)提供新思路［68］。在花卉方面通過重離子輻照選育出了葉片細(xì)胞色素定位發(fā)生變化的白花紫露草突變體“冬花夏草”［69］，并且通過RAPD技術(shù)分析，選育出較母本株DNA片段新增的深紅色和鮮紅色花朵的一串紅突變體［70］與花色發(fā)生變化的天竺葵突變體［71］。還選育出了花盤增大的萬壽菊突變體，花色和花葉都改變的雞冠花突變體，矮桿、花色變異、花期提前的大麗花芽突變體，并且得到“新興紅”和“新興白”兩個新品系［72］。通過重離子輻照，百脈根形態(tài)學(xué)突變頻率約5.14%，但其DNA多態(tài)率僅0.567%，其具體機(jī)制還有待研究［73］。

國外重離子輻照植物誘變育種及其機(jī)理方面也有很多研究成果，如在水稻中選育出了一個DNA片段缺失的葉綠素缺失突變體CDM［74］，OsSPY轉(zhuǎn)錄水平明顯增加的半矮水稻突變體PKOS1、HyKOS1，14-3-3表達(dá)量增加最多的細(xì)長型水稻突變體TKOS4［75］；在擬南芥中選育出了種皮呈現(xiàn)紫紅色斑點(diǎn)的與花青素合成有關(guān)的突變體ast［76］。在花卉方面選育出了花色發(fā)生變化的菊花突變體［77］。并且通過對小麥的重離子輻照，發(fā)現(xiàn)了可能與選擇性非同源末端連接相關(guān)的兩種DNA修復(fù)基因，這對重離子輻照獲得小麥突變體的機(jī)制研究有很大貢獻(xiàn)［78］。

2.2 重離子輻射在微生物育種中的應(yīng)用

近年來重離子在輻照藥用微生物誘變育種方面也廣受研究者的關(guān)注，尤其是我國在這方面有很多突出貢獻(xiàn)。微生物優(yōu)良菌種的選育在微生物藥物的研究開發(fā)中很關(guān)鍵，利用不同吸收劑量的12C6+離子束輻照斜蓋菇屬真菌原生質(zhì)體，選育出了截短側(cè)耳素高產(chǎn)變異株C.pin15I5E和C.pin15II6B，其產(chǎn)量較出發(fā)菌株分別提高16.17%和15.47%［79］。重離子誘變處理慶大霉素生產(chǎn)菌絳紅色小單孢菌與阿維菌素生產(chǎn)菌阿維鏈霉菌等，其代謝產(chǎn)物產(chǎn)量也有一定提高［80-81］。并且得到了土曲霉突變株 Z15-7［82］，還能通過負(fù)調(diào)控突變菌株基因缺失導(dǎo)致代謝過程中蛋白表達(dá)上調(diào)來提高阿維菌素B1a的生產(chǎn)，而且能夠穩(wěn)定遺傳［83］。在食品工業(yè)方面，重離子輻照也同樣獲得了高轉(zhuǎn)化率的發(fā)酵新菌種，并使之產(chǎn)業(yè)化。如重離子輻照黑曲霉、釀酒酵母等，已篩選獲得高產(chǎn)穩(wěn)定菌株［84-85］。利用重離子輻照黑曲霉菌，胡偉等最終成功選育出一株檸檬酸生產(chǎn)菌高產(chǎn)突變菌株H4002，此菌株產(chǎn)檸檬酸能力，是目前國際上的最好水平，在生產(chǎn)中大大提高了經(jīng)濟(jì)效益［85-86］。重離子束輻照處理3株乳酸菌菌株，得到了乳酸產(chǎn)量比原菌株顯著提高的突變菌株，且遺傳穩(wěn)定性良好［87］。而且還通過輻照篩選出了高產(chǎn)β-葡聚糖的面包酵母突變菌株，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵條件優(yōu)化，產(chǎn)量較出發(fā)菌株YS-00可以提高1.73倍［88］。在微生物能源方面，利用重離子束輻照誘變得到了PHB 高產(chǎn)株菌G15［89］，產(chǎn)油微藻突變株 D90G-19［90］，兩株生長速率明顯加快的微擬球藻突變株HP-1和HP-2［91］，建立了磺基-磷-香草醛快速篩選高產(chǎn)油脂酵母菌模型，最終篩選出一株突變菌株M16［92］；并且利用離子束輻照酪丁酸梭菌ATCC 25755，能顯著改善以葡萄糖為底物的丁酸生產(chǎn)率［93］。

2.3 重離子輻射在癌癥治療中的應(yīng)用

使用帶電的或者高LET粒子的放射療法已經(jīng)有很久的歷史了，如使用質(zhì)子有將近60年，使用重離子也有將近30年［94-95］。1954年，在美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的第一次粒子治療是粒子療法的開始。

由于用于重離子治療必需的加速器非常昂貴，而且在臨床方面因相對生物學(xué)效應(yīng)的難題需要不斷探索分析，所以與質(zhì)子治療設(shè)備的發(fā)展相比，重離子治療設(shè)備發(fā)展得非常慢。在重離子治療方面，主要的開創(chuàng)性工作是在1977-1992年間，勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室對許多病人采用了氦和氖離子治療［95-96］。1994年在日本千葉市（Chiba）的國立放射學(xué)研究所（NIRS），開始了全面用碳離子治療的臨床研究。1977年， 德 國 Darmstadt的 GSI（Gesellschaft für Schwerionenforschung）開始嘗試用碳離子進(jìn)行臨床治療試驗(yàn)，但隨后終止了其臨床應(yīng)用。不過，海德堡重離子束治療中心（HIT）的腫瘤治療實(shí)驗(yàn)在2009年獲得成功［97］。2001年，在NIRS支持下的第一個商業(yè)性的重離子放射治療中心，日本兵庫縣離子束醫(yī)學(xué)中心（HIBMC）建立［98］。位于中國蘭州，有著重離子加速器的中國科學(xué)院近代物理研究所，于2006年開始開展重離子癌癥治療臨床前期研究。目前，全世界開展重離子放射治療的主要國家及設(shè)施如表2所示。全世界利用重離子開展治療的患者的數(shù)量在穩(wěn)定增長，到目前為止［99］，10 000多名患者已經(jīng)在日本國立放射學(xué)研究所獲得治療，超過5 000名患者在海德爾堡重離子束治療中心獲得治療。中科院近代物理研究所與當(dāng)?shù)蒯t(yī)院合作自1996年即開始國內(nèi)首例碳離子治療癌癥病例，目前已有103例淺層腫瘤、110例深部腫瘤治療案例。復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院分院——質(zhì)子重離子醫(yī)院目前已收治900多病例。這些病例均有很好的治療效果［100］。

在腫瘤治療方面，一個關(guān)鍵問題是在盡可能保護(hù)正常組織的前提下有效地殺死腫瘤細(xì)胞。重離子貫穿靶物質(zhì)時，通過與靶原子核外電子的碰撞損失其能量，并且這種碰撞的幾率隨離子能量的降低而增大。因此，離子在接近其射程末端時損失其大部分初始動能，形成一個高劑量的能量損失峰，這就是布拉格峰（Bragg peak，以學(xué)者威廉·布拉格名字命名，他測定出α粒子在空氣中的射程末端，電離作用增加）。在其射程末端之后，即布拉格峰之后很少有劑量吸收；同時，離子在其入射通道上損失的能量較小，因而形成一個低劑量的坪區(qū)。對于常規(guī)輻射（X射線、γ射線、電子束和中子束），這就是重離子束特有的倒置深度劑量分布（圖7）。常規(guī)輻射呈指數(shù)衰減型劑量分布，無法控制將其大部分劑量調(diào)整到深部腫瘤上，而且損傷總是表皮淺層最大，直至較深處健康組織仍能受到較大傷害。離子束布拉格峰位的深度還可以通過改變?nèi)肷潆x子束的能量來調(diào)節(jié)，因而治療時布拉格峰位可精確地調(diào)整在腫瘤靶區(qū)上。同時，為達(dá)到對實(shí)體瘤的治療，可以實(shí)施不同能量離子束對靶區(qū)的照射，從而形成不同布拉格峰在靶區(qū)的疊加，即布拉格峰展寬技術(shù)［103］。通過設(shè)計可以做到展寬區(qū)域的物理劑量或生物劑量分布均勻（盡管通過此技術(shù)會導(dǎo)致峰坪劑量比減小，但疊加的深度劑量分布仍遠(yuǎn)好于常規(guī)輻射治療）。

表2 迄今世界主要重離子放射治療設(shè)備［101-102］

重離子的倒轉(zhuǎn)劑量分布，以及在進(jìn)入組織的入口通道處（即粒子徑跡的坪區(qū)）劑量低、在束流的末端很少有劑量吸收的特性，對于處于深部的、具有輻射抗性的腫瘤細(xì)胞來說，這是一個最佳的殺滅方式（圖7）。另一方面，DNA是電離輻射使細(xì)胞失活的主要靶點(diǎn)。前面已分析過，重離子比低LET輻射能誘導(dǎo)更多的DNA團(tuán)簇?fù)p傷。在低劑量的X射線下，主要產(chǎn)生如單鏈破壞的獨(dú)立損傷。對于這種損傷，甚至是DNA雙鏈損傷，細(xì)胞都有非常有效的修復(fù)系統(tǒng)，DNA都能被高保真的修復(fù)。但是如果損傷部位發(fā)生了更復(fù)雜的DNA損傷（團(tuán)簇?fù)p傷），就不太可能修復(fù)了。DNA團(tuán)簇?fù)p傷是致密電離輻射的相對生物學(xué)效應(yīng)高的主要原因［104］。通常腫瘤細(xì)胞，特別是乏氧的腫瘤細(xì)胞是非常抗輻射的，但是由于重離子輻射誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷難修復(fù)，氧增比（Oxygen enhancement ratio，OER）依賴性低［105］，所以在重離子下就變得非常敏感，對常規(guī)射線治療抗拒的腫瘤乏氧細(xì)胞、腫瘤干細(xì)胞殺傷效果好［106］。而且利用重離子的散射特性，還可建立實(shí)時在線的治療觀察手段。重離子治療特別適宜治療外科手術(shù)無法實(shí)施、化療、常規(guī)放療無效或易復(fù)發(fā)的難治病例［107］。因此，以碳離子為代表的重離子射線，正成為腫瘤放射治療發(fā)展的新方向，被認(rèn)為是最有前景的放療手段。2000年9月第145次與2013年10月第472次的“香山科學(xué)會議”均認(rèn)為：“盡管道路曲折，但重離子束治癌最科學(xué)、最先進(jìn)，前景好”。

圖7 不同類型射線的深度劑量分布

3 結(jié)語

重離子因其致密的電離輻射特性，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生復(fù)雜的DNA團(tuán)簇?fù)p傷并難以正確修復(fù)，易產(chǎn)生突變株，使其在輻射生物突變育種方面，具有明顯的優(yōu)勢，這對創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)與食品工業(yè)的發(fā)展將有很大的幫助。未來除了繼續(xù)根據(jù)需要，選取不同品種的植物種子和微生物菌株，進(jìn)行重離子的單次或累進(jìn)多次輻射，優(yōu)化選育條件，篩選突變株并改善生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)之外，對突變選育的品種，應(yīng)加強(qiáng)突變株與對照組的基因組、蛋白質(zhì)組與代謝組學(xué)等大數(shù)據(jù)分析，為物種的發(fā)育進(jìn)化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對突變株中與高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)相關(guān)的關(guān)鍵基因進(jìn)行深入研究，將其與遺傳工程技術(shù)（如最新的CRISPR技術(shù)［108-111］）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對更多的品種進(jìn)行定點(diǎn)定向突變，使育種工作變得更省時、低成本和低工作量。

重離子誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷難以修復(fù)并且具有倒轉(zhuǎn)的劑量分布特性，利用碳離子束治療癌癥被認(rèn)為是最有前景的放療手段。未來重離子治癌技術(shù)的提高主要包括：（1）加強(qiáng)硬件設(shè)施的建設(shè)以便降低成本，諸如建造重離子加速器的材料技術(shù)性能提高；加速器的緊湊小型化、低成本、產(chǎn)業(yè)化等。（2）腫瘤位置的精準(zhǔn)成像與精確定位研究；不同腫瘤類型細(xì)胞的重離子殺傷效應(yīng)與輻照劑量的相關(guān)性研究等；依據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，開展重離子放射治療程序軟件的自主編制與優(yōu)化，以提高粒子的精確靶向性和高效性。

在碳離子誘導(dǎo)生物效應(yīng)的機(jī)理認(rèn)識、增強(qiáng)碳離子輻射增敏效果等生物學(xué)基礎(chǔ)研究方面也有需要提高的地方。雖然低LET電離輻射產(chǎn)生的簡單DSBs損傷HR修復(fù)機(jī)制目前已經(jīng)較清楚，但是對于重離子引起的多損傷類型的DNA團(tuán)簇?fù)p傷，HR通路的作用和機(jī)理還有待進(jìn)一步闡釋，如在碳離子輻射誘導(dǎo)復(fù)雜DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)中，復(fù)雜的多類型損傷末端如何剪切；不同損傷如何協(xié)同修復(fù)；除了已知HR修復(fù)蛋白分子外，是否還有新的蛋白分子參與及參與程度與重要性如何；它們之間的相互作用關(guān)系又是怎樣的；它們?nèi)绾斡绊憟F(tuán)簇?fù)p傷Rad51-ssDNA核蛋白絲修復(fù)復(fù)合體的形成。我們初步的研究顯示，組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶SET8響應(yīng)輻射應(yīng)激，其表達(dá)抑制，增加了包括重（碳）離子在內(nèi)的細(xì)胞輻射敏感性。SET8調(diào)控組蛋白單甲基化水平，這些結(jié)果暗示染色體重塑對DNA的損傷修復(fù)也起著重要作用，那么染色體重塑因子對重離子DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)影響的程度與具體機(jī)理又如何。

揭示以上重離子誘導(dǎo)DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)新機(jī)制，不僅有助于提高對重離子輻射生物效應(yīng)的認(rèn)識，豐富輻射生物學(xué)基礎(chǔ)知識，而且有助于更好地認(rèn)識和評估空間重離子對航天員的輻射危害。依賴對DNA團(tuán)簇?fù)p傷修復(fù)新機(jī)制的研究突破，研發(fā)相關(guān)抑制劑，與碳離子束聯(lián)用，建立重離子放療腫瘤細(xì)胞增敏新方法，可實(shí)現(xiàn)既能靶向放射增敏腫瘤細(xì)胞又能同時更好地降低對正常組織的損傷，促進(jìn)重離子治癌技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，以及為太空航天員的輻射防護(hù)策略制定提供理論依據(jù)。

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