《DNA Repair》：Neuron irradiation of
Caenorhabditis elegans by protons triggers base excision repair pathway with limited effect on behaviour
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在癌症发病率上升的背景下，全球约半数癌症患者需接受放射治疗。质子治疗因布拉格峰（Bragg peak）等物理特性可精准沉积剂量并减少周围健康组织受照，正被越来越多用于头颈肿瘤；即便如此，接受质子治疗的脑肿瘤患者仍可见脑结构与功能改变。除治疗意义外，质子辐照也是
在癌症发病率上升的背景下，全球约半数癌症患者需接受放射治疗。质子治疗因布拉格峰（Bragg peak）等物理特性可精准沉积剂量并减少周围健康组织受照，正被越来越多用于头颈肿瘤；即便如此，接受质子治疗的脑肿瘤患者仍可见脑结构与功能改变。除治疗意义外，质子辐照也是空间辐射的重要组成部分，其对正常组织特别是中枢神经系（CNS）的生物学影响引发关注，但质子辐照对成年体止分裂神经元在体（in vivo）效应仍知之甚少。研究人员利用MIRCOM微束以4 MeV质子（平均比能约82 mGy/质子，液态水LET约10 keV/μm）靶向辐照秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）头端神经环，发现辐照后2小时神经元内碱基切除修复（BER）通路基因nth-1（3.2倍）与exo-3（1.7倍）显著上调，核苷酸切除修复（NER）基因rad-23与csb-1无变化；免疫染色显示辐照后30分钟神经元核与胞质8-oxoG升高，同源重组（HR）与非同源末端连接（NHEJ）通路在神经元中均未诱导（生殖细胞则HR上调而NHEJ不诱导）。该响应局限于CNS，远端未辐照区无8-oxoG增加，无旁观者效应；辐照后24小时头部摆动、运动速度、屈曲角、倒退运动、触觉回避、觅食与习惯化等行为参数均与对照无显著差异。研究表明，在体质子微束辐照成虫神经元主要激活BER以应对氧化性碱基损伤，且单次局灶辐照不足以引起可检测的行为学改变。
研究背景方面，随着质子治疗在头颈肿瘤等疾病中的应用增加，以及质子作为空间辐射组分对正常组织的潜在威胁，学界对质子辐照后中枢神经系统（CNS）反应尤其是成年终末分化神经元在体（in vivo）DNA损伤应答的认识仍存在空白。尽管电离辐射可诱发双链断裂（DSB）、氧化碱基损伤等复杂病变，但体止分裂神经元是否及如何启动DNA修复、是否产生旁观者效应、是否引发生存期行为改变，此前缺乏在单细胞精度微束模型中的系统回答。该研究发表于《DNA Repair》，以秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）为在体模型，利用其302个神经元全图谱、透明体壁与遗传可操作性，采用MIRCOM微束（束斑2.2±0.3 μm）以4 MeV质子局灶辐照年轻成虫神经环（平均比能82 mGy/质子，LET约10 keV/μm），从转录、蛋白、氧化损伤与行为四层面评估应答。
关键技术方法上，研究人员建立同步化N2野生型及WS4581（rpa-1::yfp）、SSM264（rad-51::gfp）转基因线虫队列，经微束定点辐照神经环后，于2小时取虫头做单虫qRT-PCR与微滴数字PCR（ddPCR）定量HR（mre-11、rad-51、rad-54）、NHEJ（cku-70、cku-80、lig-4）、BER（nth-1、exo-3）、NER（rad-23、csb-1）基因；辐照后30分钟用抗8-oxoG抗体做冰冻裂纹免疫荧光定神经元核质氧化损伤；以WS4581/SSM264活体成像观察RPA-1与RAD-51灶点；辐照后24小时用WormLab量化头摆、运动速度、屈曲、倒退、触觉回避、觅食抵达率与触碰习惯化指数；剂量学由Geant4蒙特卡洛模拟校验。
研究结果部分，3.1节蒙特卡洛剂量学确认虫体位于布拉格峰外坪区，单细胞平均比能82 mGy，入胞质子动能3693 keV，液态水LET 10 keV/μm。3.2节HR与NHEJ通路显示，神经环辐照2小时头组织mre-11、rad-51、rad-54、cku-70、cku-80、lig-4均无显著变化；同剂量生殖细胞辐照则rad-51（3.05倍）、rad-54（3.4倍）上调而mre-11不显，NHEJ仍不诱导；活体WS4581/SSM264仅在生殖细胞见RPA-1::YFP与RAD-51::GFP灶点，神经元15分钟内无灶点，证神经元未启HR。3.3节BER与NER基因表达中，头组织nth-1（3.2倍）、exo-3（1.7倍）显著上调，rad-23与csb-1不变，表明BER为神经元主通路。3.4节氧化DNA损伤显示辐照30分钟神经环神经元核与胞质8-oxoG荧光强度均高于对照，远端未辐照区无增加。3.5节行为学中，头摆（p=0.79）、速度（p=0.83）、屈曲（p=0.38）、倒退（p=0.29）、触觉回避（p>0.99）、觅食30/60/90分钟抵达率（p=0.83）、习惯化触碰次数（p=0.21）均与对照无差。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出终末分化神经元不面临染色体分离压力，且NHEJ组件（CKU-70/CKU-80、DNA-PKcs）在成体神经元低表达、 checkpoint（ATM-1/ATL-1、CEP-1/p53）弱激活，故质子局灶辐照未诱DSB应答，而以BER应对8-oxoG等氧化碱基损伤，胞质8-oxoG信号或与线粒体DNA氧化相系；该响应局限CNS、无旁观者效应（远端RPA-1/Rad-51/TMRE/LGG-1均无扩散），与生殖细胞同剂量启HR但不启NHEJ形成组织对比。行为无改变说明单次220 Gy局灶神经环辐照未损运动/感觉/学习类表型，与碳离子微束研究一致，提示成虫对高LET局灶辐照具抵抗性。结论为：质子在体微束辐照秀丽隐杆线虫CNS主要激活BER通路处理氧化碱基损伤，不启HR/NHEJ，无旁观者传播，且不足以引致24小时行为学偏移；该发现为质子治疗神经认知远期风险及空间辐射防护提供在体证据，并指向促BER、自噬/线粒体生物合成为潜在药理干预轴。
