空間輻射環(huán)境的生物學(xué)效應(yīng)

空間輻射環(huán)境的生物學(xué)效應(yīng)

1空間輻射的生物效應(yīng)和健康危害研究空間科學(xué)研究計(jì)劃的快速發(fā)展，使人們逐步從事著總空間和空間規(guī)劃。從10小時(shí)到7個(gè)月，他離開了天空。隨著登月工程、火星探測(cè)等一系列深空探測(cè)計(jì)劃的啟動(dòng)和穩(wěn)步推進(jìn),未來(lái)人類飛行太空的頻次會(huì)更多,駐留太空的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此,空間復(fù)雜的輻射環(huán)境對(duì)航天員健康的影響,是人類發(fā)展空間技術(shù)、開發(fā)太空資源所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。美國(guó)、歐盟、俄羅斯等具有空間技術(shù)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家,以及共同體組織,加緊了這方面的研究。美國(guó)航天太空總署(NASA)于2003年7月在Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)建立了空間輻射實(shí)驗(yàn)室(NSRL),作為空間輻射生命科學(xué)與物理學(xué)研究中心。利用地面模擬太空輻射的技術(shù)平臺(tái),深入系統(tǒng)地開展空間輻射的健康危害性的測(cè)試和評(píng)價(jià)。從質(zhì)子到離子束(能量范圍為40MeV~1GeV),研究其對(duì)DNA和細(xì)胞的損傷效應(yīng)和機(jī)理,開發(fā)空間輻射的屏蔽技術(shù)措施,評(píng)價(jià)空間輻射生物效應(yīng)和健康危害。“神舟7號(hào)”載人飛船成功遨游太空,不僅實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天員出艙活動(dòng)的歷史性突破,而且加速了我國(guó)空間輻射生物學(xué)研究發(fā)展的步伐。目前,雖然人們對(duì)空間輻射環(huán)境和空間輻射生物效應(yīng)有了一些認(rèn)識(shí),但還有很多有待研究解決的理論和實(shí)踐問(wèn)題。2空間環(huán)境輻射的主要特征特性空間輻射的來(lái)源復(fù)雜,其中電離輻射的來(lái)源可分為3個(gè)方面:(1)俘獲帶輻射。在地球磁場(chǎng)區(qū)捕獲的來(lái)自太陽(yáng)高能帶電粒子形成的近地空間輻射環(huán)境,其由內(nèi)、外兩個(gè)輻射帶和一個(gè)輻射異常區(qū)組成。內(nèi)輻射帶主要含能量超過(guò)10MeV的質(zhì)子,外輻射帶主要是含能量低于10MeV的電子。對(duì)于在低軌道飛行的航天飛機(jī),遭遇來(lái)自俘獲帶的輻照劑量是相當(dāng)?shù)偷摹?2)銀河宇宙輻射(GCR)。銀河宇宙輻射是由來(lái)自外層空間太陽(yáng)系的粒子組成,所含的電離原子范圍為單個(gè)質(zhì)子至元素鈾核。主要成分是質(zhì)子,約占87%,其能量譜峰約為1GeV;其次是α粒子,約占14%;重離子約占1.3%。(3)太陽(yáng)粒子事件(SPE)。由太陽(yáng)磁暴引起太陽(yáng)耀斑爆發(fā),向太陽(yáng)系空間發(fā)射出大量的帶電粒子,如質(zhì)子、α粒子和重離子。太陽(yáng)粒子事件隨太陽(yáng)活動(dòng)表現(xiàn)出很大的變異性,但有近似周期性質(zhì)的變化。在太陽(yáng)寧?kù)o、太陽(yáng)耀斑爆發(fā)和日冕大噴發(fā)期間,這種輻射量有很大差異。Townsend等研究表明,一次特大型SPE中,當(dāng)能量大于30MeV,質(zhì)子注量可達(dá)到109cm2量級(jí),其輻射劑量能威脅航天員的生命安全。曾志等對(duì)特大SPE所致航天員輻射劑量估算研究的結(jié)果表明,當(dāng)SPE產(chǎn)生的能量大于30MeV、質(zhì)子積分注量達(dá)到1.88×1010cm2時(shí),即使通過(guò)10gcm2的屏蔽層后,太陽(yáng)質(zhì)子能譜為譜型Ⅰ時(shí),對(duì)皮膚的照射劑量達(dá)到20Gy,對(duì)紅骨髓的照射劑量達(dá)到2.5Gy;譜型Ⅱ時(shí),皮膚的吸收劑量會(huì)達(dá)到2.6Gy,紅骨髓的吸收劑量達(dá)到0.17Gy?？臻g環(huán)境輻射成分既有低LET輻射,也有高LET輻射。來(lái)源于銀河宇宙射線、SPE及地球輻射帶的高LET輻射,主要為高能質(zhì)子、α粒子、重離子和中子等。雖然空間環(huán)境中重離子所占比例不高,但在空間輻射生物學(xué)效應(yīng)中有著重要的意義。盡管航天飛行器上采取了某些屏蔽措施,仍然會(huì)有相當(dāng)一部分輻射源進(jìn)入艙內(nèi)。這些屏蔽措施對(duì)中子的屏蔽是有限的。更重要的是,空間輻射中的高能粒子,與屏蔽層物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的次級(jí)粒子[4~7]。有研究顯示[5~7],國(guó)際空間站內(nèi)部的輻射,主要源自重離子等撞擊空間站外殼鋁板,向站內(nèi)生命區(qū)釋放出來(lái)大量的次級(jí)粒子布流,在某些情況下,次級(jí)粒子布流產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)可能會(huì)更高。3有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的流行病學(xué)數(shù)據(jù)過(guò)去40年,有太空飛行經(jīng)歷的航天員只有350多人,關(guān)于他們的健康狀態(tài)只有個(gè)案報(bào)道,很難就此獲得有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的流行病學(xué)數(shù)據(jù)。目前有關(guān)空間輻射生物效應(yīng)的大部分資料和報(bào)道是地面模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,其中大多是關(guān)于低劑量輻射生物效應(yīng)的研究。3.1高引導(dǎo)輻射檢測(cè)細(xì)胞生物學(xué)和細(xì)胞學(xué)結(jié)果近年來(lái)對(duì)高LET重離子生物效應(yīng)的研究有新的發(fā)現(xiàn),重離子與物質(zhì)作用的物理機(jī)制不同于低LET的光子(如X射線和γ射線),對(duì)生物體DNA損傷的物理化學(xué)與生化機(jī)制也有所不同。重離子輻射對(duì)生物體產(chǎn)生的危害效應(yīng)顯著高于低LET輻射,很容易造成細(xì)胞DNA的集簇性復(fù)雜損傷,甚至被高LET輻射擊中一次就可能誘發(fā)嚴(yán)重的DNA損傷和細(xì)胞學(xué)后果,有發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的可能性[8~14]。對(duì)包括細(xì)胞死亡、凋亡、基因突變、癌變、染色體畸變等在內(nèi)的生物效應(yīng),高LET輻射比低LET輻射的效應(yīng)更強(qiáng)。Rithidech等研究56Fe照射CBACaJ鼠的生物效應(yīng),結(jié)果表明,56Fe照射產(chǎn)生的損傷明顯大于137Seγ輻射效應(yīng),其中,染色體交換是1.6倍,異常細(xì)胞是4.3倍,單體型和染色體型的斷裂是4.2倍。吸收劑量相同的情況下,高LET輻射比低LET輻射能誘導(dǎo)更多的染色體斷裂及復(fù)雜的染色體重組,多數(shù)情況下能導(dǎo)致細(xì)胞死亡。有些染色體損傷可使細(xì)胞獲得增殖優(yōu)勢(shì),并導(dǎo)致細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化和腫瘤發(fā)生的傾向性。因此,正確認(rèn)識(shí)高能粒子暴露的DNA損傷效應(yīng)和細(xì)胞反應(yīng)機(jī)制,對(duì)于空間輻射危害評(píng)價(jià)及輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化有重要意義。3.2微織構(gòu)空間微核試驗(yàn)特征空間輻射作用具有不同輻射源復(fù)合照射、低劑量與低劑量率、慢性暴露,以及與空間微重力等因素復(fù)合作用等特征。近年來(lái)對(duì)低劑量和低劑量率的低LETX射線和γ射線的生物效應(yīng)有新的認(rèn)識(shí),并產(chǎn)生了如下學(xué)術(shù)觀點(diǎn)或概念:(1)電離輻射給予細(xì)胞生長(zhǎng)的適應(yīng)性指細(xì)胞預(yù)先接受低劑量刺激,隨后在一定時(shí)間內(nèi)能夠?qū)Υ髣┝枯椪债a(chǎn)生一定的保護(hù)作用,主要表現(xiàn)在細(xì)胞遺傳損傷(染色體畸變)和基因突變,誘導(dǎo)這種適應(yīng)性反應(yīng)的劑量一般是數(shù)個(gè)cGy。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,低劑量或低劑量率的電離輻射所誘發(fā)的適應(yīng)性反應(yīng)是普遍存在的,這種反應(yīng)表現(xiàn)為細(xì)胞對(duì)隨后作用的高劑量輻射所導(dǎo)致的細(xì)胞遺傳損傷效應(yīng)減弱,包括染色體損傷的減少、基因突變率甚至細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化率或腫瘤生長(zhǎng)速率的降低、DNA修復(fù)和細(xì)胞周期調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)變化等。低劑量適應(yīng)性反應(yīng)主要發(fā)生在X射線、γ射線或氚標(biāo)記的DNA合成前體化合物處理的細(xì)胞,尚沒有關(guān)于中子、α粒子、高能帶電核素(HZE)等輻射誘發(fā)適應(yīng)性反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。(2)急性損傷效應(yīng)低劑量輻射超敏感性指一定范圍的低劑量照射所表現(xiàn)出來(lái)的單位劑量的急性損傷效應(yīng)比較高劑量照射損傷的更大,產(chǎn)生這種效應(yīng)的劑量通常為0.2~0.5Gy。此后,隨著劑量的增加,細(xì)胞對(duì)輻射的誘導(dǎo)抵抗性也逐漸增強(qiáng),出現(xiàn)增加的輻射耐受性現(xiàn)象。(3)旁效應(yīng)的概念由于微束照射技術(shù)的應(yīng)用,可以精確地將單個(gè)α粒子定點(diǎn)注入某個(gè)細(xì)胞的特定部位,由此而觀察到周圍臨近的未受照射細(xì)胞也產(chǎn)生類似的輻射效應(yīng),如基因突變、細(xì)胞凋亡等,從而導(dǎo)致總體輻射效應(yīng)高于常規(guī)理論預(yù)期的輻射損傷效應(yīng),這就是旁效應(yīng)。目前大部分的報(bào)道是關(guān)于α粒子的。質(zhì)子、重離子等照射細(xì)胞產(chǎn)生的旁效應(yīng),在空間輻射生物效應(yīng)中的貢獻(xiàn)需要重視。Mothersill等研究發(fā)現(xiàn),將輻射粒子打在細(xì)胞胞漿部位而非傳統(tǒng)認(rèn)為的細(xì)胞核內(nèi)DNA靶分子,同樣能產(chǎn)生輻射旁效應(yīng),由此提出了電離輻射的非靶效應(yīng)概念。確定輻射的DNA靶效應(yīng)和非靶效應(yīng),對(duì)評(píng)價(jià)航天員空間飛行的輻射危害、設(shè)計(jì)屏蔽措施,以及評(píng)價(jià)屏蔽措施效果都有重要的意義。(4)劑量閾值的影響目前,人們對(duì)低劑量率的X、γ射線輻射生物效應(yīng)已普遍認(rèn)為,同等劑量條件下,劑量率越低對(duì)生物體的損傷效應(yīng)(確定性效應(yīng)或組織損傷)相對(duì)要弱,發(fā)生某種確定性損傷效應(yīng)的劑量閾值越高。但是,對(duì)于低劑量率的高LET輻射而言,其效應(yīng)就不同了。Zaichkina等研究報(bào)道,在屏蔽環(huán)境下用70GeV能量質(zhì)子連續(xù)照射小鼠15~31d,累計(jì)輻射劑量為11.5~31.5cGy,結(jié)果表明,骨髓的細(xì)胞遺傳損傷增加,沒有觀察到適應(yīng)性反應(yīng)。另外,采用質(zhì)子單次預(yù)先照射11.5cGy,增加了對(duì)隨后1.5Gy照射的敏感性。3.3重離子復(fù)合照射由于空間環(huán)境中包含多種輻射,其復(fù)合作用的生物效應(yīng)已引起關(guān)注。Thirsk等通過(guò)模擬測(cè)試的結(jié)果指出,經(jīng)歷為期3a的深空飛行,如火星探測(cè),盡管采取屏蔽措施,人體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞核仍會(huì)受到400個(gè)質(zhì)子、0.6個(gè)碳核子、0.03個(gè)鐵核子的轟擊。Cucinotta等根據(jù)數(shù)學(xué)模型推算,航天員飛向火星的旅途中,體內(nèi)每個(gè)細(xì)胞在數(shù)天時(shí)間內(nèi)將遭遇到1次質(zhì)子事件或次級(jí)電子攻擊;1個(gè)月將遭遇到1次高能帶電核素輻射事件。Bennett等研究了質(zhì)子與重離子鐵或鈦復(fù)合作用對(duì)人的原代成纖維細(xì)胞的體外轉(zhuǎn)化效應(yīng),結(jié)果表明:(1)質(zhì)子或者重離子分兩次分割照射,劑量為40cGy,相隔15min,各自引起的細(xì)胞轉(zhuǎn)化率與一次照射基本相同;(2)質(zhì)子與重離子各20cGy相隔15min照射,復(fù)合照射共同引起的細(xì)胞轉(zhuǎn)化率顯著增加,兩者之和的預(yù)測(cè)值由40.7×10-5上升到73.8×10-5;(3)1cGy的質(zhì)子照射,對(duì)重離子照射的轉(zhuǎn)化效率也有顯著協(xié)同作用。Zhou等研究復(fù)合照射對(duì)原代培養(yǎng)的人類細(xì)胞轉(zhuǎn)化效應(yīng)的影響,結(jié)果表明,按照先質(zhì)子照射,后重離子(鐵或鈦)照射的順序,其復(fù)合照射有協(xié)同效應(yīng)(增加了3倍),而且受間隔時(shí)間的影響,時(shí)間窗約為2.5min~1h。在時(shí)間窗以外的間隔點(diǎn)復(fù)合照射只產(chǎn)生簡(jiǎn)單的相加效應(yīng)。如果按照先重離子照射,后質(zhì)子照射的順序,只產(chǎn)生一點(diǎn)相加效應(yīng)。Hada等先用質(zhì)子(1GeV核子)2Gy照射正常人上皮細(xì)胞,2~60min后,再用鐵離子(1GeV核子)照射0.75Gy,結(jié)果表明,兩次照射的時(shí)間間隔在30min以內(nèi),產(chǎn)生的染色體畸變率大于2種照射單獨(dú)產(chǎn)生的染色體畸變率的相加值。4不同途徑輻射對(duì)微重力的影響空間環(huán)境還包括極端溫度、高真空、周期節(jié)律改變、微重力、噪聲、電離層等離子體等,這些因素都會(huì)對(duì)航天員構(gòu)成威脅。由于研究條件的限制,輻射與其它因素的復(fù)合作用的研究報(bào)道較少。溫度變化對(duì)組織、細(xì)胞輻射效應(yīng)的影響的研究報(bào)道要多,但未涉及空間環(huán)境輻射源和極端溫度變化。微重力是航天員空間飛行的失重環(huán)境,其明確的健康危害包括骨組織中鈣和礦物質(zhì)的丟失、骨骼肌萎縮、免疫抑制等。Mognato等研究觀察模擬微重力環(huán)境下對(duì)受照人外周血淋巴細(xì)胞輻射效應(yīng)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),微重力促使受照射細(xì)胞的存活率降低、HPRT基因突變?cè)黾印Ｔ撗芯拷M進(jìn)一步利用免疫熒光檢測(cè)γH2AX焦點(diǎn)法和脈沖電場(chǎng)凝膠電泳法(PFGE)分析細(xì)胞DNA雙鏈斷裂損傷與修復(fù),結(jié)果發(fā)現(xiàn),人外周血淋巴細(xì)胞5Gy(γH2AX法)或10Gy(PF-GE法)γ射線照射后,在模擬微重力環(huán)境下的DNA雙鏈斷裂修復(fù)速率顯著降低,同時(shí),細(xì)胞凋亡率上升。Hamilton等對(duì)雌性C57BL6小鼠分別用γ射線、質(zhì)子、碳和鐵離子進(jìn)行照射,照射劑量均為2Gy,第110d分析近端脛骨和股骨骨干的骨小梁體積。結(jié)果表明,所有類型輻射都能造成骨丟失,丟失程度依次為碳(39%)>質(zhì)子(35%)>鐵(34%)>γ射線(29%),由此認(rèn)為,空間輻射可能會(huì)加劇微重力導(dǎo)致航天員骨丟失的發(fā)生。王瀟等研究微重力和7Li離子輻射致HeLa細(xì)胞的協(xié)同損傷效應(yīng),結(jié)果表明,在模擬失重條件下培養(yǎng)的HeLa細(xì)胞,增殖減緩、克隆形成力