超高通量照射对辐射诱导染色体易位无特异性影响：酵母模型揭示FLASH放疗的基因组稳定性基础

《Scientific Reports》：No specific impact of ultra-high dose rates on radiation-induced chromosome rearrangements

本研究针对FLASH放疗中超高剂量率是否改变辐射遗传毒性这一关键问题，通过染色体融合捕获（CFC）技术在酵母模型中系统评估了极端剂量率（纳秒级脉冲X射线）对染色体重排的影响。结果表明，超高剂量率并未改变染色体重排频率，且氧增强效应、光子能量依赖性等与传统辐射生物学特征一致。该研究为FLASH放疗的DNA损伤机制提供了直接实验证据，提示其肿瘤杀伤效能与常规放疗相当，而保护效应可能源于其他生物学途径。

　　

当一束高能射线穿透细胞时，它会像一场微观世界的“闪电风暴”，在DNA分子上引发一系列破坏性事件。其中最严重的后果是DNA双链断裂（DSB）——两条DNA链同时被“斩断”。细胞会紧急启动修复机制，但若多个断裂同时存在，修复系统可能“忙中出错”，将不同染色体的断端错误连接，形成畸变的染色体结构。这种染色体重排正是辐射杀伤癌细胞的核心机制，也是放疗副作用的重要来源。近年来，肿瘤放疗领域涌现出革命性技术——FLASH放疗，它能在百分之一秒内释放超高剂量辐射，神奇的是，这种“闪电式”照射在有效杀灭肿瘤的同时，似乎能减轻对正常组织的损伤。然而，这种保护效应背后的机制成谜：超高剂量率是否会改变DNA损伤的本质？是否会产生更少（或更多）的染色体错误连接？这些问题直接关系到FLASH技术的安全性与有效性。

为解开这一谜题，法国原子能与替代能源委员会（CEA）的Sabrina Pobiega团队在《Scientific Reports》发表研究，利用酵母这一经典真核生物模型，开发了精妙的染色体融合捕获（CFC）检测系统。该技术通过诱导特定着丝粒（CEN6）缺失，选择性存活仅发生在发生染色体融合的细胞，从而精准量化辐射引发的染色体重排事件。研究团队系统比较了不同氧浓度（常氧与缺氧）、不同光子能量（662 keV~18 MeV）及不同剂量率（常规分钟级照射 vs 纳秒级脉冲照射）下的遗传毒性效应。

关键技术方法可概括为：利用染色体融合捕获（CFC）实验在芽殖酵母中定量辐射诱导的染色体重排；通过¹³⁷Cs伽马源、医用直线加速器（4-18 MV）及Marx发生器（纳秒级脉冲X射线）实现多模式照射；采用丙氨酸剂量计与辐射光致发光（RPL）剂量计进行吸收剂量标定；通过统计学回归分析比较不同照射条件的剂量-反应曲线差异。

氧气增强辐射诱导的染色体重排

研究首先验证CFC系统的可靠性。发现常氧条件下（21% O₂），20-40 Gy的¹³⁷Cs伽马射线可显著提高细胞在CEN6缺失后的存活率，表明辐射诱导了大量染色体重排。而缺氧条件（<1% O₂）下，同等剂量的重排频率下降约2-3倍，该氧增强比（OER）与哺乳动物细胞数据高度一致。缺乏NHEJ关键连接酶Lig4的突变体几乎未见辐射诱导存活增加，证实重排主要由NHEJ通路介导。

辐射诱导染色体重排与入射光子能量无关

团队进一步探究光子能量对重排频率的影响。结果显示，当光子能量从662 keV（¹³⁷Cs）提升至18 MeV（医用直线加速器），在相同吸收剂量下，染色体重排频率无显著差异。这表明在 keV-MeV 能量范围内，入射光子能量虽改变初始相互作用方式，但最终在细胞核内产生的能量沉积事件分布相似，不足以影响DSB的空间分布模式与重排产出。

超高剂量率下的辐射诱导染色体重排

核心实验中，团队使用Marx发生器产生单脉冲（32-52 ns）X射线（平均能量约700 keV），实现剂量率高达10⁹ Gy/s的“闪电式”照射。惊人的是，无论在常氧还是缺氧条件下，5-15 Gy剂量范围内的染色体重排频率与常规剂量率（5分钟照射）均无统计学差异。回归分析显示，两条剂量-反应曲线在截距、线性项与二次项上均无显著区别（p>0.05）。

结论与讨论

本研究通过严谨的多参数对比，明确揭示：在酵母模型中，超高剂量率照射并未改变辐射诱导染色体重排的频率或性质。这一结果暗示，即使能量沉积事件在时间上高度重叠（纳秒级），其产生的活性粒子（寿命微秒-纳秒级）扩散范围有限（纳米级），导致不同粒子径迹产生的化学产物难以发生有效交互作用。该发现具有双重意义：一方面，它支持FLASH放疗与传统放疗在肿瘤细胞杀伤效能（通过染色体畸变诱导）上具有等效性，保障了其治疗基础；另一方面，它提示FLASH特有的正常组织保护效应可能源于其他机制，如免疫调节、血管反应或细胞特异性应激应答，而非DNA损伤模式的根本性改变。研究建立的酵母CFC模型为快速、经济地筛查辐射参数遗传毒性提供了新平台，尤其适用于极端照射条件的初筛。未来研究需在哺乳动物模型中验证该结论，并探索超高剂量率下其他生物学应答的特异性，以全面揭示FLASH效应的奥秘。