◆◇研究心得◆◇ 輻射與基因 (生物組院士 彭汪嘉康) 我們醫務人員除了為病患看病治療之外，總覺得也該為全國同胞 的健康而努力。古人說"留得青山在，不怕沒柴燒"。這就是告訴我 們，只要我們身體健康，其他事都可以解決。因此我們大家都應該 一起合理去爭取對我們健康有關的國家健康決策，我們的目的就是 要增加全民的健康、提昇保健的警覺、維護我們日常生活的方式及 品質及深察危害健康的因素。我們該如何達到上述的目的呢？例如 說，今天我選了輻射與基因來做檢討的主題，輻射對人體有好的一 面，但也有危害的一面。如果我們能了解輻射的優缺點，不僅可以 享受輻射的優點，也能防止其缺點。 所以我今天要先和大家談甚麼是輻射？甚麼是基因？再來談輻射 會引起什麼樣的基因改變。 什麼是輻射？我們平日都生活在輻射範圍內，輻射是一種能源、 一種光線。自然的輻射包括看得見的陽光及看不見的紫外線等；人 造的光線，如熱源燈、微波爐、無線電、放射線及放射性元素等。 我們每天受到的輻射，絕大部分來自大自然100 millirad/年、輻射 性微塵（原子爆炸後落向地面）7 millirad/年，因醫學上如診斷或 治療而受到的X光約35 millirad/年，因職業而波及的約0.3 millirad/年及其他不知道的來源2 millirad/年，這些每年不超過 150 millirad/ 年的輻射，危害卻遠不及抽菸而引起的危害。 輻射線可以分二大類，一類為非電解性放射線（non-ionizing） 另一類為電解性放射線（ionizing）。非電解性放射線的作用只限 於局部發熱，所以危害不嚴重，但是另一種電解性放射線的作用， 就不能小看。它會破壞及撞擊基因的分子結構，當電解性放射線遇 到物質時，電子就會分離出來，而演變成不穩定的游離子（free radicals ）。這個游離子與水分子結合而引起一連串的變化演變成 電解離物，因而定名為電解性放射線，電解性與水份結合是個重要 的反應，因為在我們人體水量佔70%，所以電解性放射線的游離子與 細胞中水分子結合而能影響細胞，如果直接撞擊到細胞內的DNA（去 氧核醣核酸），會引起突變，甚而導致細胞死亡。因這點特性，電 解性放射線可以用來治療癌細胞但也會導致正常細胞惡化。 我們日常在醫院遇到的X光是光子(photons)，它有X-rays及 gamma rays, gamma rays是來自天然放射元素或人造放射線，我們 在醫學上用很多不同的放射元素是來自天然的，一旦相遇，它的能 源是無法控制，必須等它自然衰化。它的半衰期是依不同元素而不 同。如 p32是14.3天；125I是60天，131I是8.1天， 192Iridium是 74.4天，14C是5,560年， 60Co是5.24年，137Cesium是26.6年， 226Radium是1,622年，238Uranian是4億5千年。每個不同的同位素 都有自己的半衰期，例如半衰期為一星期的同位素，需要6個半衰期 才會使放射線量減至1.5%。 X-光及gamma rays使用非常普遍，X光由人造機器出來，可以分成 高能量及低能量的放射線，低能量的用來做臨床上診斷用，而高能 量的用來做治療用，其作用非常快速，在氫氣中速度為2× 10~T116S2;-2 秒；同時X-光會累積，意即在不同時間內照射，會累 積在被照射的物體或人體上。 所以電解性放射線性才是我們需要防備的放射性，它會引起細胞 的突變、染色體的破損及轉移、失落，特別在細胞惡化時更為明顯 ，也會引起免疫的功能衰竭，更會引起癌症及早老早衰。 現在讓我們來談談基因，在我們人體內有五億個細胞，這些細胞 應該做些什麼？如何做？都是受細胞核中基因的單位DNA來控制。動 物體內的細胞都有一定數量的基因單位。如人和老鼠都有3× 10~T116S2;9 bp，而人類大約有有6萬到7萬個基因，現在已知道與 人類疾病有關的基因約有5,000個左右。基因有大有小，小的基因約 含幾百個 basepairs (bp)，大的基因有的有幾萬、幾百萬個 basepair。根據去年年底美國Time雜誌上的一篇文章，我們得知目 前人類身體上起作用的基因約有1,973個，而全身最多的基因是指揮 腦的基因佔3,195個，最少的基因是紅血球佔有8個基因。 基因內含的DNA是在1953年由Nobel得獎者，Watson博士及Crick 博士提出是個雙螺旋結構(double helix)，有4個核草與五碳醣及磷 合成，常常因為單個或數個氨基酸變化而引起突變。在我們人體的 細胞核內，有46個染色體，染色體的大小依所含的基因多少而異。 細胞受到電解性放射線照射後，嚴重時會引起染色體的破裂而重整 ，輕微時則引起基因的突變。 所幸，在我們身體中有自己修補的能力，如果不能修補，也有可 以把缺陷細胞毀滅的能力。在最近發表的文獻（T. Enoch and C. Norbury TIBS 1995（237），vol 22 pp429）p53與基因修補有密切 關連，如它覺得可以修補時，它會指揮可能是GADD45來進行修補； 如果它覺得不可能修補時就可能經過另一個基因BAX而讓缺陷細胞凋 亡（apoptosis）。 例如細胞中的單根DNA因UV light損傷而引起的常見的突變。 Thymine-thymine (T-T) cyclobutane pyramidine dimer。先由 SPDE (S. pombe DNA endonuclease)把這個不正常的T-T切除，再由 DNA Polymerase修補而補上正常的DNA，再由DNA Ligase把新作的一 段DNA與原來DNA二端接上。如因放射線引起雙根DNA被破壞，則有三 種不同方法，由不同RAD基因來修補。 在一般的情形下，我們不需要以分子學方法來測量體內基因的破 壞，因為一般來說，很少會因為只破壞幾個基因而已，所以我們對 臨床上就以染色體的破損來衡量其危害的程度。主要是受危害者的 末梢血中的白血球，以體外培養（常加phytohemagglutinin PHA） 二或三天，再來分析染色體的變化：雙節形（dicentric）、環形（ ring）、細胞核碎片（micronuclei）及多套染色體polyploid。單 臂損斷( single chromatic break)、雙臂損斷(double chromatic break)、斷片(fragment)等來評估其受損的程度。雙節形染色體及 多套染色體的數量在200r之下，常常與所受放射劑量成正比。 polyploidism； Control (0.05%)，50r (0.2%), 100r(0.3%), 200r(0.5%), 350r(2.7%)等等，所以我們可以觀察染色體的破損， 依此大致可以推論所受放射量的高低。 另外我們都擔心如受到大量放射線的照射，幾年後會發生癌症及 白血病，我們現在來看看日常所受的照射會有什麼樣的影響： 紫外光線－紫外光線在實驗室中用來做消毒之用。在醫學治療上 ，也用來治療某些皮膚病，在實驗室中有些報告發現，如以紫外光 線來照射中國天竺鼠的卵巢細胞株1.34×100J/M會引起6.5%的細胞 有小細胞核碎片，如以3×1.34×100J/M則會引起45.2%的細胞內有 小細胞核碎片。 山上的硫磺泉水－發現有內含放射礦物質，如222Ra 及220Ra，在 奧國Bad Gustein的居民，研究6,500人的末梢淋巴腺，發現有很明 顯的染色體改變。 家用的微波爐－使用率已直線上升，但據報告如在10公分範圍內 以5-7 mw/cm2微波爐線，照射在猴子腎細胞株，每次連續15 分鐘， 幾天後發現會促增染色體的改變。如斷、雙節中心染色體的引成、 染色體的部份或全損等等。 磁場迴轉掃描（Magnetic Resonance Imagine）－這是在1984年 開始運用，但被照的人並無什麼副作用，發表的報告也沒引起淋巴 細胞染色體改變。 因乳炎而受電療治療：據報告顯示病人年齡在18-40歲時，曾因乳 炎而接受電療（75-1,400r），雖然在治療病人的淋巴腺內並無發現 有增加染色體的變化，但是乳癌的增加的確是被證實的。 乳癌手術後加電療的病人，如觀察其白血球的染色體變化，結果 發現如專門來觀察對雙節中心染色體的引成則與所給放射量成比， Control (1%) , 6 Gy(4%); 16 GY (9.4%), and 22 Gy(17.8%)。 一般來說，胚胎或胚胎細胞都對外來的放射線極為敏感，在所受 劑量自100-600r中間為成正比。 風濕性的脊椎炎的病人在報告文獻中有14,000病人，以20年來追 蹤發現有50例得白血病，如沒使用X光線治療，則僅有5例。 Goh et al 1976年曾報告他研究的成果在病人胸腺曾接受放射治 療，在28歲至41歲前，在他們的末梢淋巴腺顯示有很高數目的染色 體改變。 人們如接受注射顯影劑是為增加X-光片的效果。在1930 年-1947 年時用的thorotrast，於丹麥收集了1,005病例（1973），其中有 312位病例死亡，有11位病例得了白血病。研究他們的染色體，在用 過後11到33年發現染色體的改變，如依不穩定型雙節中心染色體 l 來看，會高到9.2%。 做夜光手錶的勞工，接觸到材料~T116S2;226raduim ，觀察他們 之中淋巴腺球時，他們的染色體改變成不穩定變化為 2.36%（對照 組為1.64%）而穩定的變化為10% (對照組為1.17%) 在醫療用碘131來治療甲狀腺亢進或癌染色體的改變，在短短30分 鐘內即可發現，而其變化在14年追蹤時，發現還在體內。 p32（磷同位素）－在我們的報告中顯示在239位治療患多紅血球 症的病人中發現53(22.2%)位病人，有不正常的染色體的改變，特別 有一個小的F group，後來證實為del (20)(q12)，是個常見的改變。 在採鈾礦工人，因同位素鈾的放射而受到波及，發現有高發率的 小細胞肺癌產生，而在癌細胞內，發生有del(3)(P14-21)的染色體。 在日本歷史上的一個人為的大災難，是在第二次大戰時原子彈在 Hiroshima及Nagasaki的降落(1945年8月)。在Hiroshima的原子彈， 大部分含中子(neutron)；當地居民因受原子能的照射而引起的白血 病，發現並不會因劑量增加而增加。而Nagqsaki的原子彈，大部分 含光子(photon)，其發生白血病的比率與所受的放射線劑量成正比。 75,991位受原子彈爆照受幅射後的存活人口調查中發現，有202 位(0.27%)在1950年及1985年中罹患白血病。而他們的罹患白血病的 機率也隨時間而改變；在1950年時為11.7%，如在15歲以前，高峰得 病率為5年，而如在45歲以上的人，得病的可能則在20年以後，得急 性比慢性也快1年。而到1985年時已下降到1.8%。Tokunaga等在1982 年報告發現婦女的乳癌發生率增加24位病人。在原子彈爆發當時， 約是10歲左右。其平均乳房所受照射約為125r，比起如照射在10r以 下的婦女，他們的發病率為7倍，最年輕的乳癌病患年齡為29歲。 原子彈的殘碎物也常常會對人體帶來危害。如在美國Marshall島 上試爆原子彈時，因風向改變，其爆炸殘碎物被吹向Bikini島，而 使島上51人，其中30人受到約175r-70r gamma線的全身照射，發現 他們的染色體改變為22%到21%，而對照組(沒受到放射)為9%。 另外，在美國田納西州Oakridge的原子能發電廠（Y12廠），發生 故障，使員工受到22.8-365的gamma線，經過八年後發現，在他們血 液中淋巴球的染色體改變增加到12.2%及在骨髓中也增加到27%。 輻射會使我們人體細胞中的染色體產生變化、基因受損，這是我 們大家一般最擔心的因輻射所引起不良的後果；如基因能補損，則 無礙，如不能補損，則使受損細胞死亡也可對人體無礙。依一般的 報告已經很明顯的提出如果體內所受的放射劑量不超過10r (照一張 胸部X 光的放射劑量約0.05r)，是不會因放射而引起癌症，所以在 醫療診斷上所給的放射劑量，大家是不用擔心。 我們生活在一個輻射環境內，大部分來自大自然，其他的來源如 我們能謹慎管理，加強警覺，應該是不會有危害，對胎兒或年幼兒 童應儘量避免暴露在輻射下，因為有原子彈的前例，已告知我們罹 患癌症比率比成年人高好幾倍，得病時間也較短。 讓我們大家一起來為我們的健康而努力。