重离子束与其他辐射(x， ，中子，电子等)相比，在放射生物学和放射物理学方面具有独

重离子束与其他辐射(x， ，中子，电子等)相比，在放射生物学和放射物理学方面具有独

特的优势

第11卷第9期 自然科学进展 2001年9月

*专题评述*

重离子束辐照分子改性的研究动态

袁世斌 卫增泉蔡喜臣 梁剑平 陈卫强

中国科学院近代物理研究所．兰州730000

摘要 重离子束生物学研究始于20世纪6o年代，至今已经成为一门重要的交叉

学科．与其他辐射相比，重离子束具有许多独特的优势，特别是它不仅有能量沉积效

应，还有质量沉积效应，这使其更适于分子改性研究．重离子束分子改性可应用于新

药及其先导化合物的研制、基因工程、蛋白质工程和太空放射生物学等研究领域．对

研究动态进行了回厩和展望．

关键词 重离子束生物学效应分子改性质■沉积效应

美国于20世纪5O年代率先建成大型重离子加速器，开始了重离子束生物效应的研究工

作，后来联邦德国、前苏联、日本和法国等少数发达国家也相继开展了重离子束生物学的研究

工作，特别是在中、高能重离子束治癌及载人太空飞行中辐射防护等的应用基础理论研究方

面．1986年我国率先开展超低能重离子束注入水稻的诱变育种研究并取得成功，后来相继推

广到其他作物、微生物和动物的诱变育种、细胞加工和转基因等方面，开辟了超低能和低能重

离子束与生物体相互作用的全新研究方向，建立了质量、能量、电荷3园子作用机制体系1～ ．

在质量沉积方面，我国科学工作者的研究工作已初步证实重离子注入生物和药物小分子引起

的质量沉积过程，并在此基础上开展了重离子束辐照生物、药物分子改性和生物分子进化的研

究[1， 10]

．

1 重离子束的特征

1895年R曲t鲫发现x射线，1898年Curie夫妇发现镭放射性，继而奠定了放射生物学及

放射医学的基础．20世纪5O年代美国率先建成大型重离子加速器，实现了带电重离子的加

速；60年代航天事业迅猛发展，空间重离子被发现，从此，重离子束生物医学很快发展成为放

射生物医学中一个新兴的重要分支学科．

重离子束与其他辐射(x， ，中子，电子等)相比，在放射生物学和放射物理学方面具有独

特的优势：(1)重离子是高传能线密度(Ⅱ1T)粒子，在其射程末端具有Brag 峰，因此它同生物

分子和细胞相互作用可得到较高的突变率，而且它作用到生物分子和细胞所造成的损伤通常

2(](]o-o9—12牧藉，2o01472-~ 收修改稿

*国家自然科学基金资助项目(批准号：19975060)

**E-mail：~byuan-2O01@ slna．eona

自然科学进展 第11卷

不易修复，即生理生化作用强烈、突变体稳定较快；(2)重离子诱变参数多样．包括离子种类

(即质量数)、离子电荷态、离子具有的能量以及离子束的通量密度(即剂量、剂量率)等，通过不

同参数组合的选择，就能为拓宽突变谱创造有利条件；(3)利用重离子束的集束性可实现微束

乃至单离子照射，且其能量沉积具有高度的空间分辨性，这为细胞精细加工和定点定位定向诱

变创造了条件；(4)重离子束的能量可调，当活性离子能量不足以贯穿生物材料时，将与生物

分子基团的断位键、离子键等结合，或填充空位，形成新的分子基团而沉积下来，亦可通过与生

物分子的“掺杂”，改变生物分子的化学环境等，导致生物代谢途径改变或遗传变异 ，⋯．

2 重离子束质量沉积效应

2．1 基本概念

质量沉积效应在重离子束生物学发展早期就被提出来了，它能解释一些经典辐射生物学

所不能解释的现象 J．一般认为，所谓重离子注入质量沉积效应，是指在重离子束生物学研

究中，注入离子在生物系统中慢化后成为生物样品分子的组成部分而引起的生物学效应，如致

突、致畸、失活和致死等_l ．

2．2 研究动态

由于超低能和低能离子的射程很短，其质量沉积显然是非均匀和局部化的．在低能重离

子束生物学研究中，经常应用的注量高达10 一10”离子／era2，从而使局部具有相当高的沉积

产物浓度．据报道，氮离子束注入固态胸腺嘧啶后，氮元素含量约增加33％ ，光声光谱分析表

明样品中产生了新的含氮基团，这说明质量沉积效应是不可忽视的 5,6,8]．正是因为重离子束

注人生物分子不仅具有其他辐射所具有的能量沉积过程，还有质量沉积过程，使得重离子束辐

照生物和药物分子改性研究得到广泛重视【 ．

虽然前人的研究中已经提到质量沉积或质量沉积效应，但仍是初步的、间接的、假设性的

或推论性的．注人生物材料中的重离子去向、分布等问题目前仍是困扰国内外科学工作者的

一

个重要科学闻题，有必要系统深入开展重离子注入质量沉积及由质量沉积引起的生物学效

应的研究．另外，迄今未见选取处于生命状态下的活生物体组织细胞和生物大分子进行有关

研究的报道，所以前人的研究仅停留在重离子注入离体小分子质量沉积的研究阶段．还投有真

正触及质量沉积效应．另外他们常用碳、氮、氧等重离子束，而分析这些生物体或生物分子所

固有元素的离子的沉积行为相当困难，难 排除生物材料中的碳、氮、氧等原子经过一些复杂

的过程而掺人的可能性，所得结论的可靠性和普遍性相应地受到一定的影响，所以至今还投有

至少是生化基础上的实验结果说明注入离子在生物体中的实际行为．

3 重离子束辐照分子改性的研究进展

3．1 重离子束辐照生物分子改性研究

随着重离子束在生物学方面应用的开展，重离子束对遗传物质基本单位核酸碱基的影响，

也开始受到人们的重视，并且试图在机理方面有所突破．德国Schaefer等[13】于1986年开始应

用ESR渡谱仪研究重离子束辐照导致核酸碱基自由基的结果表明，相同剂量的重离子束辐照

产生的自由基比x射线辐照产生的自由基少，并且发现在固体样品中，在小剂量照射下，自由

基的浓度与剂量基本上呈线性关系，在高剂量照射下，自由基浓度达到饱和形成一个平台，这

第9期 袁世斌等：重离子束辐照分子改性的研究动态899

一

变化曲线可以用如下公式描述

C = C (1一exp(一D／D”))。

其中C是自由基浓度，D是重离子束辐照剂量，D 是自由基浓度减少到饱和浓度的63％时的剂

量，c 是自由基饱和浓度．但不同种类、不同能量的重离子束产生的自由基浓度是不一样的_j-．

余增亮等以离体生物分子如l一萘乙酸、氨基酸、核苷和核苷酸等为生物材料，用超低能氮

离子束注入，对荷能重离子在这些生物小分子中的能量沉积、质量沉积做了初步研究，推测了

新分子形成的可能机理．他们的研究结果也表明离子注入固态5'-dTMP时自由基的作用很

小 ， ．

陈卫强等用色质谱联用技术，测出甘氨酸水溶液经质子束辐照后的稳定产物甘甘二肽，并

在此基础上提出了采用带电粒子辐照生物分子改性研究的新思路”．

蔡喜臣等人开展了中能重离子柬辐照甘氨酸、胸腺嘧啶和脱氧胸苷等生物分子的改性研

究，着重利用多种先进的分析仪器对中能 o8 重离子束辐照胸腺嘧啶N20饱和水溶液产生的

羟基加成产物等多种产物进行了鉴别，计算了各种产物的G值，对重离子束与 射线辐照的

结果进行了比较．气相色谱和紫外光谱分析结果见图l和图2．由图2可见，重离子束对生物

分子的损伤随着剂量的增大而加大．与 射线对生物分子的损伤相比，重离子束与生物分子

相互作用时不仅有能量沉积，还会有质量沉积、电荷转移等作用发生，由此引起的生物分子结

构的改变将对生物体产生重要的影响，因此，重离子生物效应会表现得更加严重．在研究太空

生物效应时，重离子虽然数量很少，但它们的生物效应是不容忽视的，因此，加强重离子束对生

物分子影响的基础研究具有重要的理论和实际意义⋯．

时间

图1 胸腺嘧啶被印hkv／u oB 重离子柬(剂量为

3 156×1 Gy)辐照后的气相色谱

峰l：胸脾嘧啶；峰2：5． 二氢胸腺嘧啶；峰3：5-羟基{一甲

基一乙内酰脲；峰4：5-羟基一 氢胸腺嘧啶；峰5：5-氲_6一羟基

胸腺畸碇；峰6：5-羟甲基睬嘧啶；峰7．9：反式—胸腺畸啶二

醇；峰8．10：顺式一脚腺嘧碇二醇峰1l下产物的分析较田

难，但根据文献报道分析可能是二禀体产物

3．2 重离子束辐照有机分子改性研究

2[H] 250 300 350 400

，Ylm

图2 胸腺嘧啶被∞ MeV／u o8 重离子柬辐照前

后的紫外光谱

1：对照胸腺嘧睫样品；2：剂量为1 097 x105~ 3：剂量为

3 156x105嘶

王相勤等的研究表明，氮离子束注入甲酸盐、乙酸盐不仅能形成腈基，而且能形成环状

1)陈卫强．带电粒子辐腻生物分子改性的研究中国科学院近代物理研究所硕士学位论文．1997

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自然科学进展 第11卷

氨，溶于水后形成了新的氨基酸，认为原始大气中的氮电离后，注入并沉积到地表有机盐分子

中引起分子改性，可能是最初生物小分子的形成途径之一，土壤可能是生命起源的重要场所，

所以荷能离子在生物分子进化过程中很可能起着重要的作用 ·-u J．

3．3 t离子柬辐照药物分子改性研究

梁剑平等开展了重离子束辐照喹乙醇等药物的分子改性研究，结果表明重离子束辐照后

15％ 以上的喹乙醇结构发生了改变，辐照后的喹乙醇抗苗作用明显增强，有望从中找出抗菌作

用很强的有效单体，为人工台成新药提供了先导化合物；初步筛选出对重离子束治癌放射增敏

效应较强、毒性反应较低、有望成为临床放射增敏药物的4种化台物(见表1)[7]

表1 重离子辐照前后喹乙醇的抑菌圈直径和最小抑菌浓度

3．4 t离子束分子改性研究技术

迄今为止，主要通过研究注入重离子(特别是碳、氮、氧离子)与氨基酸、碱基、核苷和核苷

酸等生物小分子的相互作用来研究质量沉积．对于重离子束辐照后改性产物的分析，则采用

多种较为先进的仪器分析手段，如气相色．质谱联用、气相色谱．Fourier转换红外光谱联用、x射

线光电子能谱分析、元素分析、光声光谱、红外光谱、紫外吸收光谱、激光Raman光谱、高效液

相色谱、快原子轰击质谱及核磁共振等_]．2,6-93．

3．5 问题和不足

兰州重离子研究装置(衄n．)可提供中能重离子束，其射程末端出现尖锐的Bragg峰，在

样品中的注入深度较超低能和低能重离子束有了很大提高，但由于它所能提供的重离子束流

强度和柬流时间有限，导致重离子注量有限，使得重离子柬辐照产物含量极微，给化学仪器分

析带来较大的难度，这也是目前质量沉积、生物分子和药物分子改性研究继续深入开展的一个

制约因素_】 j．另外，即使在采用离子注入机大量注入重离子进行分子改性的研究中，也未见

提纯改性产物的报道，重离子植入生物分子还没有直接的令人信服的实验证据支持．

4 展望

4．1 质量沉积效应的意义和重离子束分子改性的应用前景

质量沉积效应可能直接或间接地影响重离子束辐照所引起的生物遗传变异的结果和生物

物质的性质．质量沉积造成生物分子改性后沉积在生物体内，必将参与生物体内包括遗传物

质在内的新陈代谢过程，从而影响生物体的基因表达、修复和存活等生物学终点效应；新物质

的沉积将改变细胞内的生化环境，从而可能影响DNA的辐射损伤，还可能通过与DNA和蛋白

质等生物大分子争夺自由基而起到减轻自由基对细胞损伤的作用．因此该效应受到人们的普

遍重视_2 J．重离子束辐照分子改性可广泛应用于新药及其先导化合物的研制、基因工程、

蛋白质工程和太空放射生物学等研究领域_】 ．

第9期 袁世斌等：重离子束辐照分子改性的研究动态

4．2 研究技术的创新思考

重离子束生物学的理论研究远远滞后于应用研究，特别是在重离子束辐照所特有的质量

沉积效应、动量传递效应和电荷交换效应等方面这些过程差不多在1O ～10 s内同时发

生，很难区分各自的独立作用，许多研究者试图证明这些过程的生物学效应，但待分析生物样

品时，它们已经经过了一系列的变化，这给研究工作带来了诸多困难 ．探索全新的研究技术

途径，继续深入开展重离子束辐照多种生物小分子、大分子和药物分子的改性研究，可使质量

沉积效应在最大的程度上被认可和接受．

鉴于HIRFL有限的重离子束流强度和束流时间所致重离子注量较小和辐照产物含量较

少，给常规仪器分析带来较大难度的实际情况，可以采用具有国际先进水平的基于HIRFL的

兰州放射性束流线装置 ，以放射性重离子柬(RIB)的灵敏探针赋予质量沉积效应研究以客

观、准确、灵敏、高效的特色，使我国在重离子束生命科学研究领域占据制高点．譬如，以RIB

注入离体生物分子和药物分子(如多糖、核酸和蛋白质分子)，采用电子显微镜放射自显影技

术，可在分子水平上得出质量沉积的准确而直观的结论．

在加入适当的自由基清除剂的条件下用RIB注入离体DNA分子，然后进行一系列分子生

物学操作，如酶切、琼脂糖凝胶电泳、限制性内切酶谱分析；在台成适当的引物后，用分离纯化

的具有放射性的特异片段进行PCR扩增、序列分析以及重新导人细胞观察表型变化等，可以

深入考察质量沉积对重离子束辐照引起的生物体遗传物质DNA分子的损伤、改性及其对生物

体生理生化的影响情况．另外，可用x射线单晶衍射技术确定质量沉积的最终位点，或借助扫

描隧道显微镜观察注入重离子是否发生了“取代”和“补充”，用飞秒激光化学技术研究质量沉

积效应动力学，进一步推进重离子束辐照分子改性研究．

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