X 射线辐照灭活大肠杆菌的时间 - 剂量互易新机制：解锁灭菌与治疗新策略

在紫外线（UV）灭菌中，时间 - 剂量互易（TDR）定律存在偏差，X 射线作为与 UV 同属电磁辐射但波长更短的射线，其灭菌是否也有类似情况？研究人员以大肠杆菌为模型展开研究，发现不同生长阶段的大肠杆菌对 X 射线剂量率响应不同，这为优化灭菌和治疗策略提供了依据。

　　在微生物灭菌和医疗领域，紫外线（UV）灭菌的时间 - 剂量互易（TDR）定律一直是重要理论基础。传统上，UV 灭活遵循 log(N/N0)=?Γ×DΠT 这一公式，在光反应过程如光聚合、光导、光降解以及 UV 灭菌中广泛应用。然而近年来，研究发现实际情况与该定律存在显著偏差。在相同剂量下，较低辐照度和较长照射时间的 UV 灭活效果，比高辐照度和短照射时间的效果更好，在大肠杆菌实验中，这种差异导致的灭活率比 TDR 定律预期低 1 - 2 个数量级，类似现象在枯草芽孢杆菌孢子实验中也有出现。这一偏差主要归因于两个机制：一是 UV 光子吸收导致的直接 DNA 损伤，比如胸腺嘧啶二聚体形成；二是 UV 照射过程中产生的活性氧（ROS）对 DNA 和 / 或蛋白质造成的间接损伤。

X 射线与 UV 同属电磁辐射，但 X 射线光子能量更高，能使吸收电子从轨道射出，引发分子电离。其对 DNA 的损伤包括直接作用（碱基和糖的电离）和间接作用（主要通过水中产生的 ROS）。研究表明，X 射线造成的 DNA 损伤中，约 65% 源于间接作用，35% 为直接作用。虽然 UV 和 X 射线的生物学效应有差异，但它们的灭活机制都涉及直接和间接作用，或许能在统一的物理框架下理解。那么，X 射线照射是否也会出现类似 UV 灭菌的时间 - 剂量互易偏差呢？这一疑问促使名古屋城市大学等机构的研究人员展开了深入研究。

研究人员以大肠杆菌为研究对象，分别选取了处于静止期和指数期的大肠杆菌进行实验。在实验过程中，使用 MXR226/22 X 射线源，在 220 kV 电压、10 mA 电流以及铝滤过器的条件下进行辐照，设定了 5 个不同剂量（0、50、100、150 和 200 Gy），并通过调整 X 射线源与样本的距离，得到了 3 种不同的剂量率（PH=147mGy/s、PM=35.2mGy/s、PL=15.3mGy/s） 。每次实验都在温度 22 °C、相对湿度 60% 的环境下进行，且至少独立重复 3 次，通过平板菌落计数法来测定细菌浓度，计算大肠杆菌的对数灭活率 log(Ni/N0)。

在实验结果方面，不同生长阶段的大肠杆菌呈现出截然不同的规律。对于静止期的大肠杆菌，降低剂量率会显著提高灭活率。在 200 Gy 剂量下，PL=15.3mGy/s 剂量率获得的灭活率比 PM=35.2mGy/s 约高 1.6 倍，比 PH=147mGy/s 高 3.1 倍 。观察到的灭活曲线呈现先有肩段后为线性斜率的特征，这表明是多靶点灭活过程，但这种剂量率间的灭活率差异无法仅用标准靶理论解释。研究人员认为 ROS 是造成非线性效应的原因，高剂量率下 ROS 浓度迅速上升，相互作用并破坏彼此的可能性增加，在造成生物损伤前就可能失活；而低剂量率下 ROS 产生更缓慢，相互破坏风险降低，对细胞大分子的损伤作用增强。

在指数期的大肠杆菌实验中，情况则完全相反，降低剂量率会导致灭活率降低。在 200 Gy 剂量时，PH=147mGy/s 的灭活率比 PM=35.2mGy/s 约大 7 倍，比 PL=15.3mGy/s 大 40 倍 。这一现象可以用指数期的两个竞争过程来解释：一方面是 X 射线照射导致的灭活，与静止期一样存在剂量依赖的细胞损伤和非线性效应；另一方面是细菌在营养丰富的琼脂中通过二分裂进行的复制。低剂量率下，细菌复制速率可能抵消甚至超过灭活速率，从而降低了灭活效果。

为了深入分析这些现象，研究人员引入了随机多击模型。该模型考虑了三个关键过程：一是与剂量率线性相关的项 (Γ0Pt)；二是基于 ROS 非线性相互作用的非线性相互破坏项 (Γ1Pt)；三是反映细菌在营养丰富条件下复制的二分裂复制项 (Γ2t) 。通过这个模型，研究人员能够很好地拟合实验数据，解释不同生长阶段大肠杆菌对 X 射线剂量率的不同响应。

在讨论部分，研究人员进一步探讨了剂量率有效性与复制率的关系。研究发现，在低剂量率下，灭活率受复制率影响显著，而高剂量率下则不受复制动力学影响。通过 3D 图分析不同剂量率下的理论灭活率与复制项的关系，得出了界定剂量率有效性的边界曲线。当复制率低于这些边界曲线时，低剂量率更有利于灭活；反之，高剂量率更有效。

这项研究成果发表在《Scientific Reports》上，具有重要的意义。在 γ 灭菌应用方面，对于营养匮乏的材料，如医疗设备灭菌，低剂量率、长时间的辐照方式可以用较小的总剂量达到相同的灭活效果，既节能又高效；对于营养丰富的材料，如生物制品或新鲜食品，高剂量率、短时间的辐照策略能更有效地灭菌。不过，该研究也存在一定局限性，比如未考虑 DNA 修复等重要机制，而且用含非线性项的随机模型解释实验现象可能过于简化辐射诱导的损伤效应。未来还需要通过实时检测 ROS、测定 ROS 寿命或进行清除剂实验等进一步验证。

总体而言，该研究揭示了 X 射线辐照灭活大肠杆菌过程中时间 - 剂量互易的新机制，为优化灭菌方案和放疗技术提供了重要的理论基础，对推动相关领域的发展具有积极作用。