耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素的研究進展

蔣佳寧 韓萬春 許鵬

【摘 要】核電廠從事輻射相關工作的人員，在工作中會受到低劑量的照射。α粒子和β電子衰變過程中會在機體內發生電離效應，伴隨著產生自由基，這些自由基會攻擊細胞。攻擊產生的受損細胞在代謝作用下使損傷“擴大”，最終表現出可觀察到的生物損傷。開發一種能夠減小內照射效應的保健食品顯得十分重要。近年來科研人員對耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素——deinoxanthin進行了大量研究，研究結果表明耐輻射奇球菌中的類胡蘿卜素具有清除活性氧自由基的功能，且耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素無毒無害，在長壽人群體內的宏基因組測序中也發現了該菌的存在，其作為保健食品開發存在可行性。

【關鍵詞】耐輻射奇球菌；類胡蘿卜素；核電廠；保健食品

中圖分類號： Q93 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0212-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.098

【Abstract】The personnel engage in radiation related work will be affected by low dose irradiation in nuclear power plant.Alpha and beta particles in the process of the electron decay that the ionization effect would occur in the body， accompanied by produce free radicals， they can attack the cells. The damaged cells under the effect of metabolic make damage "expand"， finally show the biological damage that can be observed. So to develop a can reduce the radiation effect of health food is very important. In recent years， lots of work on carotenoids——deinoxanthin from Deinococcus radiodurans by the researchers. The research results show that the carotenoids from Deinococcus radiodurans have the function to scavenge the free radicals and it has non-toxic and harmless. In the longevity personnel is also found Deinococcus radiodurans by the macro genome sequencing. So the deinoxanthin as health foods from Deinococcus radiodurans is feasible.

【Key words】Deinococcus radiodurans；Carotenoids；Nuclear power plant；Health foods

美國三里島、切爾諾貝利、日本福島核事故對核工業發展以及人們的生活產生了巨大的影響。這些核事故使人們逐漸明白了輻射防護研究的重要性[1-3]。這些事件要求從事輻射防護研究的研究人員，不但要在人員操作的機器設備上更加人工智能，而且也要對操作人員的防護更加到位。對輻射工作人員的保健食品的開發目前還比較有限[4]。在核電廠從事輻射相關工作的人員（特別是大修期間的運行和維修人員），在工作中難免會受到低劑量的照射。開發一種能夠減小內照射效應的保健食品顯得很急切。近年來對耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素——deinoxanthin進行了大量研究，研究結果表明其在保健食品開發中可行性[5-6]。

1 電離輻射對機體作用

1.1 原發作用

原發作用相對比較簡單，就是指射線直接用于機體，在細胞內進行能量的吸收、傳遞與轉化，這些過程中伴隨著生物大分子和細胞微結構的損傷和破壞。此過程包括三個階段：物理階段、化學階段、物理化學階段[7]。

1.2 繼發作用

繼發作用是在原發作用的基礎上，發生在機體內的脫氧核苷酸（DNA）、核苷酸（RNA）、蛋白質以及脂類等大分子的損傷。例如，DNA分子發生單鏈斷裂（single strand break， SSB）與雙鏈斷裂（double strand break， DSB）等[8]；RNA分子發生水解，導致其翻譯功能的喪失；蛋白質發生變性，導致活性喪失。在能量的吸收和傳遞過程中，生物大分子被激發和電離，自由基連鎖反應由此產生。

1.3 直接作用

直接作用是指機體受射線照射后，機體直接能夠吸收并沉積射線能量，這些能量直接在生物大分子上，使其發生電離和激發或者化學鍵的斷裂，導致生物大分子的正常活性功能的喪失。直接作用包括3個步驟：能量的吸收、傳遞和形成穩定分子。

射線的能量傳遞有一定的趨向性和能量沉積的不均勻的現象，造成生物大分子的損傷往往都是在較弱的化學鍵上。它們處于不穩定狀態，很容易受到射線類型、照射劑量、靶核的狀態、水分和氧等因素的影響。自由基在直接作用過程中占有重要地位。

1.4 間接作用

間接作用是指輻射作用于細胞內的溶劑分子上形成具有活性的物質，這些活性物質由于要回到穩定狀態，再作用于溶質分子使其發生破壞。在人體中，水占70%左右。在電離輻射過程中，輻射能量直接作用于水分子上，引起水的分解與活化，產生多種、多樣的高活性的、高毒性的自由基和過氧化物，這些自由基不穩定，且化學性質活潑極易與周圍的生物大分子的弱化學鍵作用，造成生物大分子活性喪失。電離輻射產生的約80%DNA損傷是由于水解產生的活性氧自由基攻擊DNA造成的[9]。

2 耐輻射奇球菌的相關研究

耐輻射奇球菌最早是由美國科學家Anderson于1956年在經過高劑量電離輻射滅菌的肉罐頭中發現。它是一種紅色的非致病細菌，最佳生長溫度為30℃，研究發現當低于4℃或者高于42℃時，耐輻射奇球菌會停止生長[10]。在穩定生長期時，耐輻射奇球菌生長比較穩定，每個細胞中包含4套相似基因組，這樣在發生DNA修復的時候可以提供可靠的模板，而處于對數生長期的細胞生長旺盛，每個細胞中含有8-10套基因組。研究表明人的急性照射半致死劑量只有3-5Gy，而耐輻射奇球菌在急性照射15kGy條件下仍然可以生存，其輻射抗性是人的3000倍。耐輻射奇球菌在受到劑量率為60Gy/h的劑量時，仍然可以正常生長，顯示出耐輻射奇球菌在面對電離輻射時超強的抗性。除電離輻射抗性以外，其在1000J/m2紫外輻照條件下任然可以存活，顯示出超強的紫外輻射抗性。同時，耐輻射奇球菌對化學誘變劑絲裂霉素C也表現出較強的抗性。耐輻射奇球菌可以在干燥器內存活六年且保持10%存活率。由于其具有超強的電離輻射抗性，紫外抗性，化學誘變劑抗性及干燥抗性，耐輻射奇球菌被作為模式生物用于抗性機制研究。相應的研究結果也被逐漸用于輻射環境污染修復、農業和軍事輻射防護等相關領域[11-12]。

3 耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素

Lemee實驗室在1997年報道了耐輻射奇球菌體內的類胡蘿卜素——deinoxanthin，其化學結構如圖1所示[13-14]。目前為止，此種結構的類胡蘿卜素只存在于耐輻射奇球菌中，其含有13個共軛雙鍵，在C2和C1處各含有一個羥基。研究表明位于C1及C1位點處的共軛雙鍵和羥基基團對自由基的清除貢獻重大。通過魯米諾化學發光對deinoxanthin、番茄紅素、β-胡蘿卜素、葉黃素等色素清除H2O2自由基及單線態氧1O2的能力進行綜合比較，發現deinoxanthin具有較高的清除活性氧自由基的能力，且清除效率與其濃度成正比[15-17]。同時表明deinoxanthin在抗氧化作用中起到了重要作用。

Deinoxanthin作為耐輻射奇球菌中主要的色素產物，對其生物合成途徑的研究有利于明白類胡蘿卜素在耐輻射奇球菌抗性機制中的地位，為進一步闡明耐輻射奇球菌的極端抗性機理提供依據，為構建工程菌產生deinoxanthin提供理論依據[18-21]。

4 耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素對輻射工作人員的防護作用

一方面，電離輻射過程產生的大約80%DNA損傷是由于水解產生的活性氧自由基攻擊DNA所造成的，機體內負責清理活性氧自由基的抗氧化系統對耐輻射奇球菌的輻射抗性有著重要的貢獻[22-23]。類胡蘿卜素作為抗氧化系統非酶類的一種，能有效的清除單線態氧（1O2）等活性氧自由基物質[24]。而作為耐輻射奇球菌類胡蘿卜素主要成分的deinoxanthin對生物大分子氧化損傷的抑制作用隨濃度的升高而增強[25-26]。

另一方面，輻射的生物效應當中的隨機性效應顯示，輻射可能造成軀體細胞不斷復制，最終導致癌癥的發生。對耐輻射奇球菌類胡蘿卜素進行分離提純，以小牛血清（fetal bovine serum，FBS）做溶劑，避免了四氫呋喃的毒性，且能夠保證deinoxanthin的穩定性與可溶性，能夠保證癌細胞對其的吸收量。當deinoxanthin濃度大于1μmol/L時，顯示出對人卵巢癌細胞的抑制作用[27]。

內照射、外照射及混合照射在人體內主要產生大量的活性氧自由基，給輻射工作人員及時服用特定濃度的deinoxanthin和涂抹含有特定濃度的deinoxanthin可以及時清除活性氧自由基保證工作人員的身體健康。

5 總結與展望

隨核電產業的快速發展，對于一線的運行和檢修人員的身體保健也越來越受到重視。類胡蘿卜素對于清除內照射、外照射以及混合照射產生的自由基具有高效清除率。對耐輻射奇球菌中類胡蘿卜素保健品的開發可以彌補國內輻射保健物品的短板。而且類胡蘿卜素對白內障、心血管疾病，機體衰老都有作用，特別是提高人體免疫力方面，也有很大的應用價值。但是由于藥品的開發流程很漫長，踏上臨床還有很長的一段路要走。

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