單細胞“精確制導”——單粒子亞細胞精確輻照技術，它能提供亞細胞尺度的精確輻照，誘導細胞的定位損傷，研究亞細胞尺度和低劑量帶電粒子輻照的放射生物學微觀機理，應用于放射生物物理、醫學物理等多個領域。

記者采訪了單粒子亞細胞精確輻照技術課題組的王旭飛老師，快來看看核技術與生物學能擦出什么樣的火花吧！

您能簡要介紹一下這個研究方向嗎？

粒子微束是我們實驗室開展離子束生物醫學研究的實驗平臺之一，主要用于帶電粒子的放射生物學、放射醫學和輻射防護等相關基礎研究。上世紀九十年代的流行病學統計發現，環境中低劑量氡暴露與肺癌有直接相關。由于氦有一種同位素是放射性，會衰變出α粒子，尤其是在地下，土壤、水井居多，吸入這后會對人體產生粒子照射。人體內吸入的劑量是非常低的，但是流行病學研究發現，低劑量氡暴露下的α粒子照射與肺癌有明確關聯。如果僅僅從劑量學角度來看，這個人吸進去的劑量非常小，如果從高劑量下肺部損傷曲線外推到低劑量，低劑量下應該沒影響才對，但是實際的影響并非如此。既然這種環境低劑量暴露的細胞損傷可能導致受照個體的患癌風險。那么產生了一個問題，低劑量α粒子照射是怎么引起肺癌的，這就需要有一種實驗上模擬的手段。然而傳統寬束粒子的細胞輻照實驗研究只能得出統計結果，在亞細胞層面上的微觀作用機理是不清楚的。

上世紀五十年代，已有人探索用于單細胞照射的離子微束技術，但受限于當時的計算機控制、微納加工和顯微成像等技術均不夠成熟，并未獲得理想結果。90年代之后，計算機技術、顯微成像和微納加工等技術均發展到一定水平，為單粒子微束的定量、定位精確輻照提供了必要的技術基礎。英國Gray癌癥研究所在95年前后研制成功世界上第一套用于單細胞照射的加速器單粒子微束，之后美國哥倫比亞大學，德國GSI、日本JAEA和國內中科院等單位都開始研制相應的實驗平臺，目前全世界有三十余臺這種單細胞照射微束。復旦的單粒子微束是基于實驗室2×3MV串列加速器建設的，目前獲得空間分辨在2微米左右的真空外低能質子(2~5MeV)微束，可實現亞細胞尺度的照射（細胞典型尺度~20微米），并通過核徑跡方法，驗證了該微束實施定量、定位照照射的精度指標，與國同類裝置相比，定量的精度和定位的準確度都達到了較高水準。開展真正的細胞輻照實驗，還需要完整的顯微圖形獲取與分析系統以及細胞靶點的精確瞄準系統，在顯微鏡下看到每個細胞，確定照射靶點位置，然后將微束質子一個一個精確地投射到靶細胞中，這還需要一系列終端系統的構建和調試工作。

單細胞精確輻照的是怎樣的過程？

單個活細胞受到單粒子微束的定量定位照射后會發生一系列復雜的微觀輻照損傷和修復過程。簡單而言，傳統放射生物學普遍認為DNA是細胞核里對輻照最敏感的區域，但采用單粒子微束技術，可以選擇性地打擊核外細胞質區域，這在之前的手段還是不可能實現的。研究發現細胞質的定位照射引起核內未受照射的DNA也產生了損傷。這就是技術原理進步帶來的新發現。傳統的放射源輻照手段下，每個細胞受照的粒子個數和位置都是隨機的，是無法觀察到這種新現象的。

為什么細胞質的低劑量離子輻照會引起細胞核及相鄰的細胞的DNA也產生損傷，說明細胞內部和細胞之間損傷存在信號傳遞機制。這個現象在放射生物學中稱為bystander effect（近旁效應）?？梢钥闯?，單離子微束的亞細胞精確照射為我們提供了一種更精準的技術手段，讓我們發現一些新東西。但目前低劑量輻照損傷還沒有一個統一規律。高劑量輻射損傷通常與照射劑量呈線性關系。但是低劑量輻照下，受照個體的致癌幾率和遺傳效應，目前的實驗結果還缺少統一規律，只能通過線性外推的方法作為評價和管理依據，不能作為生物上預測的方法，相關的科學問題還有很多需要進一步研究。

我們實驗的單細胞用的是什么

腫瘤細胞。我們實驗室有專門細胞培養的儀器，一般研究的都是腫瘤細胞，也比較好培養，而且繁殖的很快。

我們輻照后，怎么知道發生了損傷

細胞受到損傷有的是可以修復的，細胞有比較強的修復功能，大部分情況下細胞損傷可以被修復掉。但是有的時候會有致死損傷發生，大部分致死損傷是產生在DNA雙鏈上，雙鏈都被帶電粒子打斷了，這種情況對細胞來說是致死事件，因為遺傳物質的模板被破壞了，無法繼續復制和增殖，細胞只能啟動凋亡程序—走向死亡。致死損傷的生物學檢測，金標準是采用克隆形成方法。沒有致死損傷的細胞會繼續增殖，在顯微鏡下你就會看到繼續增殖形成的細胞群，叫做克隆，我們染色后可以看克隆的數目。原來種進去100個細胞，培養兩周，只剩七十個克隆了，說明有30個由于致死損傷死掉了，根據平均數據就可以得到細胞受照的劑量-存活率關系。這就是克隆形成檢測細胞存活率的簡單原理。

輻照損傷及損傷修復的微觀過程實際上非常復雜，不同靶分子的損傷也相應的檢測方法，比如DNA雙鏈斷裂，可以采用免疫熒光方法檢測，用熒光探針處理細胞，雙鏈斷裂的位點會與熒光探針結合，就會發出熒光。數細胞中亮點個數就可以判斷細胞中發生多少損傷。

具體地，單粒子亞細胞精確輻照技術可用于開展放射生物物理、質子重離子醫學物理及空間輻射生物學等多個領域的科學實驗研究。它不是直接用于診斷或者治療的，而是一種精確輻照的放射生物學實驗技術，但通過這個技術，可以為放射診斷和治療相關的放射生物學，放射醫學基礎問題，提供傳統方法得不到的新信息。

王旭飛

復旦大學現代物理研究所/核科學與技術系副教授，碩士生導師。

主要研究方向有質子重離子微束亞細胞定量定位精確輻照技術及生物醫學應用、納米介質放射增敏的微觀劑量學機理及其質子重離子放療應用、納米磁介導腫瘤治療及磁性藥物靶向遞送相關的醫學物理問題等。