氚水致癌、致突變和致畸效應(yīng)研究進展

李圣日，崔鳳梅，劉玉龍，涂 彧

(1.蘇州大學放射醫(yī)學與防護學院，江蘇 蘇州，215123；2.蘇州大學附屬第二醫(yī)院，江蘇 蘇州，215004)

中圖分類號：Q345+.1文獻標識碼：A文章編號：1004-6356(2019)05-0032-04

氚是氫的放射性同位素，β衰變，半衰期為12.3年[1]。氚有兩方面的來源，一是天然產(chǎn)生的，二是人類活動產(chǎn)生的。天然產(chǎn)生的氚微少，可以忽略不計。環(huán)境中的氚主要來自于人類活動，在各種核試驗和核動力活動中作為一種副產(chǎn)物出現(xiàn)。由于氚與氫具有非常相似的化學性質(zhì)，氚可以通過與氫發(fā)生同位素交換反應(yīng)參與到物質(zhì)分子中，從而參與到自然界的生物循環(huán)之中被生物攝取。氚主要以三種化學形態(tài)存在于自然界中，分別是氚氣(HT)、氚水(HTO)和氚化甲烷(CH3T)。氚具有比活度較高且毒性較低、價格低廉和放射性自顯影良好等優(yōu)點，在軍事、工業(yè)、水文、醫(yī)學，以及各個學科研究領(lǐng)域里均起著重要作用。隨著氚在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是核能工業(yè)的蓬勃發(fā)展，其被排放到環(huán)境中的量快速增加，有可能對人類及其后代造成危害。氚不會對生物體造成外照射損傷，這是因為氚衰變的β射線射程很短(氚在空氣中的最大射程是5 mm，在人體皮膚中的射程是6 μm，在水中的射程約為0.56 μm)，它們大多通過被吸入、食入和皮膚等途徑進入機體，然后在機體中進行內(nèi)照射，從而產(chǎn)生生物學效應(yīng)。氚進入生物體后，其造成的損害程度與多種因素有關(guān)，比如攝入氚的含量、途徑以及氚的化學形態(tài)等。氚的毒性主要來自于氚的輻射效應(yīng)，包括確定性效應(yīng)和隨機性效應(yīng)[2-10]。

本文介紹了氚水所導致的生物學效應(yīng)中的致癌效應(yīng)、致畸效應(yīng)和致突變效應(yīng)研究進展，以期為氚水的毒理學機制研究提供參考。

1 氚的致癌效應(yīng)

Seyama等[11]向4組BCF1系小鼠腹腔內(nèi)分別注射4種不同濃度的氚水(HTO)(140、280、560和740 MBq/只)。結(jié)果顯示，所有暴露組在500 d時的腫瘤總發(fā)生率相似。接受單次腹腔注射HTO的小鼠一生中腫瘤累積發(fā)生率為80%～90%，而對照組<5%。在注射HTO后400 d時，140 MBq組、280 MBq組、560 MBq組和740 MBq組小鼠的腫瘤累積發(fā)生率分別為4%、8%、18%和24%。

Yin等[12]研究氚化物在小鼠體內(nèi)的致癌率，給C3H/HeN雌雄幼鼠分別注射不同濃度HTO(0、0.23、0.92和3.70 MBq/只)，觀察14個月。結(jié)果表明，在雄性小鼠中，0.23 MBq組、0.92 MBq組和3.70 MBq組的肝臟腫瘤發(fā)生率分別為51.8%、68.0%和91.7%，與對照組相比均有統(tǒng)計學差異。3.70 MBq組的肝腫瘤發(fā)生率與Seyama等[11]實驗中80%～90%的腫瘤發(fā)生率基本一致，值得注意的是C3H/HEN小鼠自發(fā)性肝腫瘤發(fā)生率極高。然而雌性小鼠的所有劑量組都沒有觀察到肝臟腫瘤的發(fā)生，只有在最高劑量3.70 MBq組有卵巢腫瘤的發(fā)生，發(fā)生率為70%。

為了研究氚水的劑量分割效應(yīng)，Seyama等[11]對比了單次注射氚水和分次注射氚水后小鼠的腫瘤發(fā)生率。單次注射實驗：BCF1系小鼠單次腹腔注射氚水(HTO)，注射量分別為560、740 MBq/只。分次注射實驗：C57BL/6NxC3H/He系小鼠分次腹腔注射HTO，每周1次，共4次，注射量分別為140、190 MBq/只/次，4周后總注射量為560、760 MBq。結(jié)果對比：在分次注射760 MBq組中，大約220 d時腫瘤累積發(fā)生率為80%，而同樣是在大約230 d時，單次注射740 MBq組的小鼠的腫瘤發(fā)生率只有10%，表明劑量分割有很明顯的增強效應(yīng)。但這一增強效應(yīng)在分次注射560 MBq組和單次注射560 MBq組之間卻不明顯，在注射氚水390 d后，分次注射560 MBq組的腫瘤發(fā)生率約為28%，而單次注射560 MBq組的腫瘤發(fā)生率約為15%，沒有統(tǒng)計學差異。然而，在另一個實驗中，C57BL/6N系小鼠單次注射740 MBq HTO后20 d內(nèi)全部死亡，值得注意的是，這個品系的小鼠與上述單次注射組和分次注射組的小鼠品系不同。

Revina等[13]以Wistar大鼠為研究對象，對比了氚水和γ射線的致癌效應(yīng)。大鼠分為3組，對照組、氚水實驗組和γ射線組。對照組有140只大鼠；γ射線實驗組的39只大鼠長期暴露于137Cs的γ射線；氚水實驗組45只大鼠，在6個月內(nèi)每周給大鼠灌胃給藥5次，氚水濃度為0.037 MBq/g(體重)。在實驗結(jié)束測定小鼠的腫瘤發(fā)生率時，氚水暴露組的累積劑量為25.3 Gy，γ射線組的累積劑量為24.8 Gy。實驗結(jié)果表明，氚水暴露組的大鼠腫瘤發(fā)生率為78%，γ射線組為87%，對照組為78%。與對照組相比，每單位劑量下暴露組動物的生存時間的縮短也沒有顯著差異，氚水暴露組為9.3 d/Gy,γ射線組為10.6 d/Gy。即使是患有惡性腫瘤的大鼠的平均存活時間也沒有顯著差異，氚水暴露組為538天，γ射線暴露組為513天。值得注意的是，本實驗中對照組的惡性腫瘤發(fā)生率很高(78%)，這與其他大多數(shù)研究者的研究結(jié)果相沖突。

2 氚的致突變效應(yīng)

姊妹染色單體交換(SCE)頻率的分析是常用的快速檢測染色體損傷很敏感的指標，Hagger等[14]研究氚水對海洋軟體生物早期生長發(fā)育的影響，將出生后1小時的貽貝胚胎暴露于不同濃度(0.37、3.7、37和370 kBq/mL)的HTO中，暴露在這些濃度下的實驗組的累積劑量為0.02～21.41 mGy。實驗結(jié)果表明，HTO誘導了貽貝幼蟲的SCEs，并且SCEs的頻率隨著HTO活度的增加而增加，呈現(xiàn)劑量依賴性增高。

Natarajan等[15]研究認為，來自外照射的低LET電離輻射很難誘導SCEs。Straume等[16]也報告了小鼠在攝入111 kBq/mL HTO的81～216 d后，骨髓細胞中SCEs的顯著增加。Hagger等[14]研究中，HTO暴露組的畸變細胞誘導和總畸變數(shù)也顯著增加。在對照組中，染色單體類型的畸變占總畸變數(shù)的31.8%，而在HTO暴露組中，染色單體類型的畸變率從45.2%上升到67.9%。將遺傳生物標志物與胚胎幼蟲生物測定聯(lián)系起來表明，HTO導致的極低劑量的電離輻射即可在海生貽貝的胚胎期誘導遺傳損傷，并且這種損傷可能在細胞和個體水平上累積。這種方法可以應(yīng)用于其他無脊椎動物的早期生命階段，從而建立劑量-效應(yīng)關(guān)系，因為生物群受照劑量的估算及其影響在自然環(huán)境輻射防護標準中是非常重要的。

崔鳳梅等[17]給3組小鼠分別注入不同濃度的氚水，注入量分別為0.185、0.555、1.665 MBq/g(體重)，10天后的累積劑量分別為40.68、122.05、366.16 mGy；5組小鼠注射相同濃度的氚水〔0.555 MBq/g(體重)〕，然后在2、4、6、10、28 d分別觀察外周白細胞總數(shù)和骨髓嗜多染紅細胞微核率。結(jié)果表明，隨著氚水初始注入量的增加，骨髓嗜多染紅細胞微核率相應(yīng)增高，外周血白細胞總數(shù)相應(yīng)降低，但只有1.665 MBq/g(體重)組差異有統(tǒng)計學意義。氚水初始注入量相同時，隨著注入后時間延長，骨髓嗜多染紅細胞微核率持續(xù)增加，外周血白細胞總數(shù)第2 d至第6 d持續(xù)下降，第10 d后已恢復。這種回升現(xiàn)象可能是因為氚水染毒劑量較低，屬于可恢復的劑量。骨髓嗜多染紅細胞微核率與氚水初始注入量呈劑量依賴性升高。

郭豐莉等[18]從SD大鼠出生后40 d起，每天給大鼠喂食氚水直至死亡，高劑量組大鼠的飲水氚的活性為0.481 MBq/mL，低劑量組為0.222 MBq/mL。大鼠自然死亡后檢查微核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，高劑量組和低劑量組的骨髓嗜多染紅細胞的微核細胞率都明顯增高，外周血淋巴細胞的染色體畸變細胞數(shù)也都明顯增高，且差異顯著。

3 氚的致畸效應(yīng)

高衛(wèi)民等[19]將不同濃度的氚水〔0.2409、0.4848、0.1445 MBq/g(體重)〕經(jīng)過腹腔注射一次性注入妊娠13 d的成年Wistar大鼠體內(nèi)，各組仔鼠在出生后三天的氚累積吸收劑量分別為0.044、0.088、0.264 Gy。實驗結(jié)果證明，大鼠在妊娠時接受氚水的持續(xù)照射，其仔鼠會產(chǎn)生致畸。實驗中，0.044 Gy組的仔鼠連續(xù)通道活動轉(zhuǎn)彎數(shù)明顯減少，并有劑量依賴性，劑量越大效應(yīng)越明顯。從0.088 Gy起，仔鼠出牙與對照組相比明顯延遲，聽覺驚愕與平面翻正的達標天數(shù)明顯較多，并都有劑量依賴性增加。氚水照射還可導致仔鼠智力遲鈍，0.044 Gy組的仔鼠出現(xiàn)了初級學習記憶能力的損傷；高級學習能力方面，0.088 Gy組和0.264 Gy組的仔鼠的條件反射達標率明顯低于對照組。高等人的研究是在行為致畸方面比較全面的研究，而行為致畸可能是仔鼠在出生之后可以觀察到的最早的、最微妙的畸形。該研究，仔鼠的各項指標的效應(yīng)都有劑量依賴性，為劑量-效應(yīng)模型的建立帶來了一定的思考。

姚曉波等[20]將3.7 MBq/g(體重)氚水經(jīng)過腹腔注射一次性注入孕齡10 d的SD雌性大鼠體內(nèi)，觀察仔鼠受照后腦機能受損情況。從未出生到出生后90 d，仔鼠受照總天數(shù)為101.5 d，累積受照劑量為1.289 Gy。用Morris水迷宮的方法測定仔鼠的智力發(fā)育狀況，結(jié)果表明，與對照組相比，仔鼠在受照之后逃避潛伏期明顯延長，平臺象限停留時間顯著降低。可見，氚水照射使得仔鼠的腦機能發(fā)育異常以致于空間學習能力明顯受損，結(jié)論支持了高衛(wèi)民等[19]的氚水影響大鼠大腦發(fā)育的實驗結(jié)果。

4 展望

隨著核能工業(yè)的快速發(fā)展，排放到環(huán)境中的氚越來越多，它們通過各種循環(huán)進入生物體內(nèi)從而可能造成的危害是絕對不能忽視的。氚的生物學效應(yīng)研究涉及了遺傳學、細胞生物學、放射毒理學、生物化學和分子生物學等多門學科，這些學科相互聯(lián)系，相互滲透，為氚的生物學效應(yīng)研究，特別是氚的作用機制的探討提供了有效的研究途徑與手段。本文介紹的實驗研究，提示氚水的致癌、致突變和致畸效應(yīng)不容忽視，氚水的環(huán)境毒性仍有很多值得深入探討和思考。將來，對氚的生物學效應(yīng)研究必將更加深入和全面，從而為人類健康和環(huán)境生態(tài)的評估帶來巨大幫助。