¹²⁵I是一种人工合成的放射性核素, 由¹²⁴Xe吸收1个中子并以电子俘获方式变为 ¹²⁵I, 释放能量为27~31 keV的X射线和35 keV的γ射线。 ¹²⁵I粒子是由内含吸附有活性 ¹²⁵I的钯丝, 外壳为钛合金管并经激光焊接而成的微小颗粒。与其他放射治疗方法相比, ¹²⁵I粒子具有剂量率较低、治疗比增加、相对生物效应高的优势。这些优势是由其物理特性所决定的: ① ¹²⁵I半衰期为59.6 d, 可提供200 d左右的持续照射, 便于运输、保存和临床使用; ② ¹²⁵I属于低能放射性核素, 具有穿透到局部组织间的作用, 疗效好且损伤小; ③半价层为0.003 cm的铅, 操作人员易于防护; ④外壳为钛合金管, 辐射距离为1.7 cm, 靶治疗体积外的辐射剂量迅速衰减。

“Manchester”模型是最早的低剂量率照射体外实验模型^[8], 其所用的放射性物质是²²⁶Ra和¹⁹⁸Au。根据Manchester系统理论, 模型放射性物质以环形分布在一平面上, 放射性分布取决于D/h比值(其中, D为放射环的直径, h为放射源平面和治疗平面之间的距离)。为使治疗平面所接受的射线更加均匀, 放射源按照以下原则排列: 当D/h < 3时, 放射源以一个单环形式排列; 当3 < D/h < 6时, 除一个单环外, 还需将总剂量5%的放射源置于圆心; 当D/h > 6时, 需要两个同心圆放射环, 并在圆心放置一部分放射源, 才能达到剂量均匀分布。Goldhagen等^[9]于1982年设计了放射性粒子体外照射模型, 用于研究¹³⁷Cs及 ¹²⁵I的相对生物效应。1995年, Ling等^[10]设计的放射性粒子体外照射模型使得受照细胞可以获得较均匀的照射剂量。

根据“Manchester”模型, 为了使体外实验简单易行, 并达到更均匀分布的照射剂量, 英国的格雷实验室研制了一种专为研究 ¹²⁵I粒子持续低剂量率照射活细胞株的体外实验系统(图 1), 该实验系统包括三部分: ¹²⁵I粒子排布板、细胞盘、辐射防护装置。 ¹²⁵I粒子排布板为直径50 mm、高约5 mm的聚苯乙烯圆盘, 在距圆心30 mm处环形等距离排布8颗 ¹²⁵I粒子, 粒子置于1 mm深的凹槽内(图 1A); 细胞盘与 ¹²⁵I粒子排布板直径相当, 位于粒子上方约6 mm处; 辐射防护装置为直径116 mm、高80mm的圆柱形有盖金属铅罐, ¹²⁵I粒子排布板及细胞盘均置于其中心^[11]。

图  1  英国格雷实验室 ¹²⁵I粒子体外实验模型示意图

岳麓等^[12]对 ¹²⁵I粒子体外照射细胞的剂量分布研究表明, 1 mm厚的聚苯乙烯材料对 ¹²⁵I粒子在水中的剂量率衰减无影响。采用1 mm厚聚苯乙烯材料制成的培养皿培养的体外细胞在接受多粒 ¹²⁵I粒子照射时, 可以采用美国医学物理协会第43号报告推荐的公式计算细胞平面的剂量率, 以理论计算值代替实际测量值, 分析细胞的受照剂量^[13]。如果在细胞接受照射时间的半程, 旋转细胞培养皿22.5°, 则能够使细胞平面剂量率分布更加均匀。

目前有更简单的实验方法是直接将粒子置入已接种有肿瘤细胞的培养板内, 培养一定时间后用比色法检测细胞增殖抑制率。此种方法简便易行, 可进行较大样本量的实验, 但每孔细胞受照不均匀, 不能避免空间照射的相互影响, 而且由于培养板孔板中的癌细胞(尤其是对照组癌细胞)很快长满小孔, 实验观察时间受到限制。

国外研究显示, 凋亡可能是低剂量率辐射抑制肿瘤生长的主要机制^[14-17], 近年来国内许多学者做了相关研究, 证实凋亡是 ¹²⁵I粒子持续低剂量率照射抑制肿瘤细胞的重要途径, 并且其抑制作用与 ¹²⁵I粒子照射的时间和剂量有关。

邵文博等^[18]通过体外实验模拟 ¹²⁵I粒子在体内插植的照射模式, 观察了 ¹²⁵I粒子照射对肝癌BEL-7402细胞的早期影响, 结果表明, ¹²⁵I粒子对肝癌BEL-7402细胞的增殖有抑制作用, 且抑制作用随着照射时间的延长、剂量的累积而增强; 流式细胞仪观察照射后细胞周期的变化表明, ¹²⁵I粒子照射可改变细胞周期的分布, 使细胞周期阻滞于G₂/M期。肖建等^[19]采用流式细胞术检测 ¹²⁵I粒子诱导体外培养的人食管癌Eca-109的细胞凋亡及对细胞周期影响, 结果表明, 各实验组凋亡细胞阳性指数值均显著高于对照组, 随着粒子剂量的增加, G₂/M期细胞相应增多, S期细胞逐渐减少, 而G₀/G₁期细胞数量变化不大, 因此认为 ¹²⁵I粒子诱导凋亡的能力可能是通过把细胞阻滞在G₂/M期而实现的。陈祎阳等^[20]观察 ¹²⁵I粒子对体外培养的人脑恶性胶质瘤细胞系SHG-44的生长抑制及诱导其凋亡的作用, 结果证实, ¹²⁵I粒子以剂量、时间依赖性方式通过凋亡来抑制胶质瘤细胞的增殖, 促进细胞向凋亡方向转化; ¹²⁵I粒子诱导下的细胞系中还存在非凋亡调控的细胞程序性死亡(自噬); 胶质瘤细胞凋亡过程中有相关基因如p53/突变性共济失调性毛细血管扩张症基因通路的基因、c-myc家族、p16、Bcl-2家族等参与。

另有研究显示, ¹²⁵I粒子持续低剂量率照射较分次或单次射线照射对肿瘤细胞的抑制作用更有效。Zhuang等^[21]将结肠癌CL187细胞分别暴露于单次高剂量率⁶⁰Co辐射和持续低剂量率 ¹²⁵I粒子辐射, 评价不同剂量和剂量率辐射的效应, 结果表明, ¹²⁵I粒子对CL187细胞的抑制作用较⁶⁰Co更明显, 将细胞阻滞于G₂/M期而诱导的凋亡是 ¹²⁵I粒子持续低剂量率辐射杀伤肿瘤细胞的主要机制, ¹²⁵I持续低剂量率照射可以通过丝裂原活化蛋白激酶信号转导机制影响肿瘤细胞的增殖。Wang等^[22]亦分别以 ¹²⁵I粒子和⁶⁰Co分别照射人胰腺癌PANC-1细胞, 结果显示, ¹²⁵I粒子照射细胞的存活分数明显低于⁶⁰Co, ¹²⁵I粒子持续低剂量率照射可致细胞阻滞于G₂/M期, 并且诱导细胞凋亡。

众所周知, 肿瘤生长过程中, 只有处于活跃期的小部分细胞在持续繁殖, 在细胞G₂期及M期阶段, 辐射敏感性最高, 而其他阶段的肿瘤细胞对射线敏感性较差。 ¹²⁵I粒子照射时, 细胞周期进行到G₂/M期容易形成阻滞, 而放射性粒子的持续照射也就增加了G₂/M期的总照射剂量, 故而有助于提高射线对肿瘤细胞的杀伤效果, 提高凋亡指数。可见, 凋亡是 ¹²⁵I粒子持续性低剂量率照射导致细胞死亡的主要机制, 而照射引起的G₂/M期阻滞是细胞凋亡的主要原因。

辐射诱导的旁效应是指在受照细胞周围未接受照射的细胞受到受照细胞影响而出现诸如细胞死亡、基因突变、染色体不稳定等类似于直接受照细胞所引起的反应。1992年, Nagasawa等^[23]用α粒子照射中国仓鼠卵巢细胞时发现, 在仅有1%的细胞核直接受到单个α粒子的作用时, 却有30%的细胞呈现出姊妹染色体交换, 从而发现了辐射旁效应现象。这一现象在以后的许多实验中都得到证实并进行了深入研究, 但关于放射性粒子通过诱导辐射旁效应抑制肿瘤生长的研究甚少。

Chen等^[24]将不同辐射敏感的人肺癌A549细胞和NCL-H446细胞直接暴露于 ¹²⁵I粒子低剂量辐射, 之后与未受照射细胞共同孵育, 结果: 接受照射细胞的微核形成率和凋亡率增高, 辐射敏感性高的NCL-H446细胞微核形成率和凋亡率是A549细胞的2.1~2.8倍, 而且使未受照射NCL-H446细胞微核形成率和单个细胞磷酸化的H2AX焦点形成明显高于对照组, 证实 ¹²⁵I粒子持续低剂量率辐射诱导的旁效应具有潜在杀伤肿瘤细胞的作用, 并且补偿了辐射剂量不均匀分布对治疗的影响。

¹²⁵I粒子近距离疗法在肿瘤治疗中取得了非常理想的局部控制率, 引起了国内外许多学者的关注。与其他肿瘤治疗方法一样, 其进展需临床和基础许多领域的研究和合作。在 ¹²⁵I粒子治疗肿瘤的临床病例研究广泛报道的同时, 相关体外实验基础研究显得较少。随着基础研究的不断深入、 ¹²⁵I粒子照射抑制肿瘤细胞的机制不断明了, 这一新方法将会得到更好的应用。