高LET辐射致DNA和生物体损伤的机制及其防护研究

论文摘要

脱氧核糖核酸（DNA）是辐射生物学效应的最重要和灵敏的靶分子。电离辐射通过直接作用和自由基的间接作用可引起DNA分子多种类型的损伤，如碱基损伤、糖基损伤、单链和双链断裂以及DNA交联等。其中双链断裂（DSBs）是最关键的损伤类型，它的正确和完全修复可保证细胞的存活，而错误修复和残余DNA损伤将导致细胞的死亡、突变和转化。重离子和质子是具有高传能线密度（LET）的辐射。与低LET辐射相比，其能量沉积密集，通过物质时有着完全不同结构的电离径迹，径迹结构复杂，能引起较高的相对生物学效应（RBE）。在辐射生物学实验中，具有高LET的粒子的使用，为研究不同离子密度和生物学系统之间的相互关系及证实模型和理论的物理基础提供了基本和良好的工具。研究高LET辐射与生物物质的相互作用对于重离子和质子在放射治癌中的应用具有十分重要的意义，同时对于暴露于高LET辐射情形下，如太空辐射及核辐射环境下人员的危险性评估和辐射防护也是十分必要的。本研究利用原子力显微镜（AFM）技术和凝胶电泳方法，在分子水平上研究了具有高LET的重离子辐射中直接和间接作用致DNA链断裂的物理化学机理及自由基清除剂的辐射防护作用。利用光学显微镜手段，在细胞水平上观测了质子辐射诱发的一些生物学效应。以期为重离子和质子治癌、太空辐射和核辐射的危险性评估及其防护等提供有价值的实验依据。选用HI-13串列加速器加速的具有不同LET值的7Li和12C重离子，以不同的剂量分别对干状及不含和含自由基清除剂的水溶液pUC19质粒DNA进行了辐照。使用AFM在纳米尺度上直接观测了辐射诱发的DNA碎片及分子形态的变化。得到了DNA碎片长度的分布和双链断裂数目随辐射剂量的变化规律，评估了自由基清除剂甘露醇和维生素C的抗辐射能力。同时，使用凝胶电泳方法分析了实验样品，对AFM的结果进行了验证和补充。研究结果表明：对于水溶液pUC19质粒DNA，具有110keV／μm左右LET值的7Li离子诱发的生物效应最为严重。与具有低LET的电子和高LET的中子（55keV／μm）相比，在相近剂量下，具有较高LET的7Li离子可诱发DNA分子发生集团损伤，即形成更多和更短的DNA小碎片，从而使DSB的分布更局部和更密集；干状DNA及DNA水溶液浓度和自由基清除剂对DNA链断裂产额的影响均暗示，在水溶液环境下，7Li离子辐射诱发的DNA链断裂是直接作用和自由基的间接作用的共同结果，而自由基的作用为主导因素；在7Li和12C重离子辐射中，自由基清除剂甘露醇和维生素C均能与DNA分子竞争自由基，清除辐射过程中产生的自由基，有效地减少重离子诱发的DNA链断裂的产生，具有一定的重离子辐射防护能力：与γ辐射相比，自由基清除剂对重离子辐射诱发产生的DSB的清除能力略小，表明重离子辐射可诱发更多的不能清除的DSB，这些DSB主要由直接作用和局部多重损伤位点（LMDS）所引起；质子辐射诱发ICR小鼠的皮肤及心肌、肝和肺等深层组织发生了病理性改变。这些结果为进一步深入研究质子辐射致生物体损伤机理提出了挑战。总之，传统的核物理实验技术与先进的AFM技术和现代分子生物学技术的成功结合，为辐射生物损伤机制及其防护的研究提供了一种重要和有力的研究手段，可实现在分子水平上获得高LET辐射致DNA损伤及其防护的更为精细的信息和丰富的实验数据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1. 引言
• 1.1 高LET辐射致DNA和生物体损伤的机制及其防护研究的意义
• 1.2 国内外的研究现状和研究方法
• 2. 电离辐射致生物体的损伤及其防护
• 2.1 自由基与辐射损伤
• 2.1.1 辐射过程中自由基的产生与作用
• 2.1.2 自由基对DNA的损伤
• 2.1.3 自由基对生物膜的损伤
• 2.1.4 自由基对蛋白质和酶的损伤
• 2.2 传能线密度与相对生物效应
• 2.3 辐射防护
• 2.3.1 自由基清除剂的作用机理
• 2.3.2 自由基清除剂的种类与作用
• 3. 研究方法和内容及实验装置和条件
• 3.1 研究方法和内容
• 3.1.1 研究方法
• 3.1.2 研究内容
• 3.2 实验装置和研究条件
• 3.2.1 辐照装置及条件—HI-13串列加速器及其实验终端
• 3.2.2 分析辐照后生物DNA样品的实验装置与条件
• 4. 重离子辐射致 DNA链断裂损伤的机制及其防护
• 4.1 重离子辐射致pUC19质粒DNA损伤研究
• 4.1.1 重离子辐照实验的准备工作
• 4.1.2 材料和方法
• 4.1.2.1 辐照实验用DNA溶液及其制备
• 4.1.2.2 辐照实验用干DNA样品制备
• 4.1.3 实验用仪器及设备
• 4.1.4 实验
• 4.1.4.1 DNA样品的重离子辐照
• 4.1.4.2 AFM成像及DNA碎片长度测量
• 4.1.4.3 凝胶电泳分析
• 4.1.5 结果和讨论
• 7Li离子致DNA损伤的AFM观测结果'>4.1.5.1⁷Li离子致DNA损伤的AFM观测结果
• 4.1.5.1.1 剂量对水溶液DNA损伤的影响
• 4.1.5.1.2 剂量对干DNA损伤的影响
• 4.1.5.1.3 DNA浓度对水溶液DNA损伤的影响
• 4.1.5.1.4 LET对DNA损伤的影响
• 12C离子致DNA损伤的AFM观测结果'>4.1.5.2¹²C离子致DNA损伤的AFM观测结果
• 7Li离子致DNA损伤的凝胶电泳分析结果'>4.1.5.3⁷Li离子致DNA损伤的凝胶电泳分析结果
• 12C离子致 DNA损伤的凝胶电泳分析结果'>4.1.5.4¹²C离子致 DNA损伤的凝胶电泳分析结果
• 4.1.6 小结
• 4.2 自由基清除剂对重离子致质粒 DNA损伤的保护作用研究
• 4.2.1 设计辐照实验方案
• 4.2.2 材料和方法
• 4.2.2.1 辐照实验用自由基清除剂
• 4.2.2.2 辐照实验用含自由基清除剂的DNA样品制备
• 4.2.3 实验用仪器及设备
• 4.2.4 实验
• 4.2.4.1 辐照
• 4.2.4.2 AFM观测
• 4.2.4.3 凝胶电泳分析
• 4.2.5 结果与讨论
• 7Li致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果'>4.2.5.1 甘露醇对⁷Li致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果
• 12C致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果'>4.2.5.2 甘露醇对¹²C致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果
• 7Li致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果'>4.2.5.3 不同种类自由基清除剂对⁷Li致DNA损伤的保护作用的AFM观测结果
• 7Li致DNA损伤的保护作用的电泳分析结果'>4.2.5.4 甘露醇对⁷Li致DNA损伤的保护作用的电泳分析结果
• 4.2.6 小结
• 5. 质子致生物体辐射损伤的初步研究
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 实验动物
• 5.1.2 质子辐照
• 5.1.3 分析与观测
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 辐射后小鼠外周血液细胞的动态变化
• 5.2.2 辐射后小鼠的存活率及组织细胞的变化
• 5.3 小结
• 6. 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢