碳离子束对肝癌细胞和正常肝细胞的放射生物学效应ahref=

中国科学G辑物理学力学天文学2005,35(6):561~565561SCIENCEINCHINASer.GPhysics,Mechanics&Astronomy*杨建设①②**李文建①金晓东①荆西刚①郭传玲①②魏巍①高清祥③(①中国科学院近代物理研究所,兰州730000;②西北师范大学生命科学学院,兰州730070;③兰州大学生命科学学院,兰州730000)摘要用兰州重离子加速器产生的12C6+离子和γ射线照射人类正常肝细胞系L02和肝癌细胞系SMMC7721,用早熟染色体凝集技术来检测染色体断裂.发现:细胞经照射后两种细胞内的原初染色体断裂类型有染色单体断裂和等点染色单体断裂;两种类型染色体断裂的数目与吸收剂量之间呈良好的线性正相关关系;碳离子照射后染色体断裂的数目均高于γ射线照射产生的染色体断裂数;碳离子照射后细胞内染色体断裂的类型以等点染色单体断裂为主,而γ射线照射后则以染色单体断裂为主;碳离子诱发原初染色体断裂的相对生物学效应约为2.5.关键词生物学效应肝癌细胞肝细胞重离子兰州重离子加速器重离子束流具有优越的放射生物学效应,如高的相对生物学效应、低氧增比、低修复效应等,因此成为肿瘤放射治疗计划中束流的最佳选择[1].辐射诱发的染色体断裂被认为是导致细胞死亡的主要因素.Kawata等人[2]的研究发现高线性传能密度(linearenergytransfer,LET)的射线照射细胞产生的主要是等点染色单体断裂,而低LET射线作用于细胞则主要诱发染色单体断裂.我们先前的研究发现染色单体断裂比等点染色单体断裂易于修复[3].兰州重离子加速器(HeavyIonResearchFacilityinLanzhou,HIRFL)浅层治癌装置已进入最后调试阶段,即将接收第一位肿瘤患者.为积累基础数据,建立一套肿瘤细胞辐射敏感性的快速预测方法,在此应用早熟染色体凝集(prematurely2005-05-25收稿,2005-09-14收修改稿*国家自然科学基金重点项目基金(批准号:10335050)、科技部重大基础研究前期研究专项基金(批准号:2003CCB00200)资助项目**E-mail:[e-mail]562中国科学G辑物理学力学天文学第35卷SCIENCEINCHINASer.GPhysics,Mechanics&Astronomychromosomecondensation,PCC)技术来研究人类正常肝细胞和肝癌细胞系接受碳离子照射后的染色体断裂,计算碳离子束诱发原初染色体断裂的相对生物学效应.1材料和方法1.1细胞培养及辐照人正常肝细胞系L02和肝癌细胞系(购自中国典型培养物保藏中心)用含有10%胎牛血清的RMPI-1640培养液在37℃,5%CO2的恒温培养箱内培养,L02培养基内另加入胰岛素0.25U/mL.处于对数生长期的细胞分别用60Co产生的γ射线和HIRFL产生的碳离子束照射,照射剂量为0,0.5,1,2,4,6,8Gy,被照射样品处于束流Bragg峰区.碳离子束的初始能量为80.55MeV/U,经13.58mmLucite(ρ=1.2g/cm3)降能,最后达到细胞表面的总能量为240MeV,在水中射程1.41mm,LET为96.05keV/μm.用空气电离室监测束流剂量.1.2早熟凝集染色体制备方法Calyculin-A(购自美国BIOMOL公司)是一种良好的PCC诱导剂,将其溶于100%的乙醇里制成1mmol/L的储存液.照射前将加入需照射细胞的培养液内,终浓度为50nmol/L.细胞经照射后在37℃,5%CO2的恒温培养箱内继续培养30min.收集细胞,75mmol/LKCl低渗处理20min,卡诺氏液固定,最后以少量固定液悬浮细胞,滴片,在热蒸汽上烘干,5%Giemsa染色.按照Savage[4]报道的标准,每个剂量点观察不少于40个的G2期细胞,求出这些细胞内染色单体和等点染色单体的平均断裂数,即为该剂量点的染色单体和等点染色单体断裂数,每个等点染色单体断裂被计为两个断裂.1.3统计处理数据采用SPSS软件进行统计分析,结果以均值±标准差表示.2结果2.1原初染色单体断裂和等点染色单体断裂图1为L02细胞和SMMC7721细胞在接受碳离子和γ射线照射后染色单体断裂和等点染色单体断裂与吸收剂量之间的相关关系.细胞在经过两种射线照射后,随着吸收剂量的增加,染色单体断裂和等点染色单体断裂的数目呈线性地增加.不论哪种类型的染色体断裂,在接受γ射线照射后其产额要比细胞接受碳离子照射后少,两者相比具有显著的差异.第6期杨建设等:碳离子束对肝癌细胞和正常肝细胞的放射生物学效应563细胞染色单体断裂;B为γ射线照射时L02细胞等点染色单体断裂;C为碳离子照射时L02细胞染色单体断裂;D为碳离子照射时L02细胞等点染色单体断裂;E为γ射线照射时SMMC7721细胞染色单体断裂;F为γ射线照射时SMMC7721细胞等点染色单体断裂;G为碳离子照射时SMMC7721细胞染色单体断裂;H为碳离子照射时SMMC7721细胞等点染色单体断裂.2.2染色单体断裂的类型分布图2显示了细胞在接受两种射线照射后发生染色体断裂的类型分布.从图2中可以看出,在γ射线和碳离子照射后,细胞内均有两种类型的染色单体断裂产生.但是,在接受碳离子照射后,细胞内诱发染色体断裂的类型主要是等点染色单体断裂,而γ射线照射所诱发的主要是染色单体断裂.图2L02细胞和SMMC7721细胞接受两种射线照射后染色体断裂类型的分布564中国科学G辑物理学力学天文学第35卷SCIENCEINCHINASer.GPhysics,Mechanics&Astronomy2.3碳离子的相对生物学效应依据下面的公式可以计算出碳离子诱发原初染色体断裂的相对生物学效应值为2.5.γ.RBE=重离子射线染色单体断裂数量染色单体断裂数量3讨论与结论相对于X射线、γ射线等低LET射线,重离子能够更加有效地杀伤肿瘤细胞,这与重离子的生物物理学特性是密切相关的.Kawata等人[2]发现人类成纤维细胞AG1552在接受高LET的碳离子束照射后其细胞存活率比接受同等剂量γ射线照射要低得多.此次研究结果显示两种染色体断裂的产额随着碳离子照射剂量的增加呈线性增加趋势,并且在接受碳离子照射后两种染色体断裂的产额都显著地高于γ射线照射的结果.这与他人的研究结果相一致[2,5~7].γ射线是一种稀疏的电离辐射,穿透能力强,但是能量沉积效应较弱,而高LET射线的物理特性与其相反,见图3[1].因此,在单位射程内损失的能量高LET射线显著多于低LET射线,高LET射线能够同时击穿姊妹染色体的作用截面大图3不同LET射线在介质中的能量沉积X射线、γ射线和18MeV的光子属于低LET射线,沉积在水中的能量大部分在其射程的开始;而C离子是高LET射线,它在水中射程的开始能量沉积很少,在其射程末端,由于速度降低,与介质的作用截面增大,能量损失突然增强,形成Bragg峰第6期杨建设等:碳离子束对肝癌细胞和正常肝细胞的放射生物学效应565射线,故易于产生等点染色单体断裂,而低LET射线与染色体作用产生的断裂多为染色单体断裂.单核能为80.55MeV的碳离子相对低能的γ射线而言,在其射程末端Bragg峰区损失的能量将大得多,一定数量的碳离子所能诱发的染色体断裂也将会比相同数量的γ光子多,这是碳离子具有高的相对生物学效应的根本原因.HIRFL产生的碳离子可以高效地杀伤肿瘤细胞,在诱发染色体断裂方面具有高的相对生物学效应.重离子诱发的染色体断裂与肿瘤细胞辐射敏感性密切相关.致谢HIRFL,.1KraftG.Tumortherapywithheavychargedparticles.ProgressinParticleNuclearPhysics,2000,45(5):473~544[DOI]2KawataT,DuranteM,FrusawaY,etal.Dose-responseofinitialG2-chromatidbreaksinducedinnormalhumanfibroblastsbyheavyions.IntJRadiatBiol,2001,77:165~174[DOI]3YangJS,LiWJ,ZhouGM,etal.Acomparativestudyonradiosensitivityofvarioustumorcellsandhumannormallivercells.WorldJGastroenterol,2005,11:4098~41014SavageJR.Classificationandrelationshipsofinducedchromosomalstructuralchanges.JMedGenet,1976,13:103~1225KawataT,GotohE,DuranteM,etal.High-LETradiation-inducedaberrationsinprematurelycondensedG2chromosomeofhumanfibroblasts.IntJRadiatBiol,2000,76:929~937[DOI]6KawataT,DuranteM,FurusawaY,etal.RejoiningofisochromatidbreaksinducedbyheavyionsinG2-phasenormalhumanfibroblasts.RadiatRes,2001,156:598~6027KawataT,ItoH,UnoT,etal.G2chromatiddamageandrepairkineticsinnormalhumanfibroblastcellsexposedtolow-orhigh-LETradiation.CytogenetGenomeRes,2004,104:211~225[DOI]