单细胞“精确制导”——单粒子亚细胞精确辐照技术，它能提供亚细胞尺度的精确辐照，诱导细胞的定位损伤，研究亚细胞尺度和低剂量带电粒子辐照的放射生物学微观机理，应用于放射生物物理、医学物理等多个领域。
记者采访了单粒子亚细胞精确辐照技术课题组的王旭飞老师，快来看看核技术与生物学能擦出什么样的火花吧！
您能简要介绍一下这个研究方向吗？
粒子微束是我们实验室开展离子束生物医学研究的实验平台之一，主要用于带电粒子的放射生物学、放射医学和辐射防护等相关基础研究。上世纪九十年代的流行病学统计发现，环境中低剂量氡暴露与肺癌有直接相关。由于氦有一种同位素是放射性，会衰变出α粒子，尤其是在地下，土壤、水井居多，吸入这后会对人体产生粒子照射。人体内吸入的剂量是非常低的，但是流行病学研究发现，低剂量氡暴露下的α粒子照射与肺癌有明确关联。如果仅仅从剂量学角度来看，这个人吸进去的剂量非常小，如果从高剂量下肺部损伤曲线外推到低剂量，低剂量下应该没影响才对，但是实际的影响并非如此。既然这种环境低剂量暴露的细胞损伤可能导致受照个体的患癌风险。那么产生了一个问题，低剂量α粒子照射是怎么引起肺癌的，这就需要有一种实验上模拟的手段。然而传统宽束粒子的细胞辐照实验研究只能得出统计结果，在亚细胞层面上的微观作用机理是不清楚的。
上世纪五十年代，已有人探索用于单细胞照射的离子微束技术，但受限于当时的计算机控制、微纳加工和显微成像等技术均不够成熟，并未获得理想结果。90年代之后，计算机技术、显微成像和微纳加工等技术均发展到一定水平，为单粒子微束的定量、定位精确辐照提供了必要的技术基础。英国Gray癌症研究所在95年前后研制成功世界上第一套用于单细胞照射的加速器单粒子微束，之后美国哥伦比亚大学，德国GSI、日本JAEA和国内中科院等单位都开始研制相应的实验平台，目前全世界有三十余台这种单细胞照射微束。复旦的单粒子微束是基于实验室2×3MV串列加速器建设的，目前获得空间分辨在2微米左右的真空外低能质子(2~5MeV)微束，可实现亚细胞尺度的照射（细胞典型尺度~20微米），并通过核径迹方法，验证了该微束实施定量、定位照照射的精度指标，与国同类装置相比，定量的精度和定位的准确度都达到了较高水准。开展真正的细胞辐照实验，还需要完整的显微图形获取与分析系统以及细胞靶点的精确瞄准系统，在显微镜下看到每个细胞，确定照射靶点位置，然后将微束质子一个一个精确地投射到靶细胞中，这还需要一系列终端系统的构建和调试工作。
单细胞精确辐照的是怎样的过程？
单个活细胞受到单粒子微束的定量定位照射后会发生一系列复杂的微观辐照损伤和修复过程。简单而言，传统放射生物学普遍认为DNA是细胞核里对辐照最敏感的区域，但采用单粒子微束技术，可以选择性地打击核外细胞质区域，这在之前的手段还是不可能实现的。研究发现细胞质的定位照射引起核内未受照射的DNA也产生了损伤。这就是技术原理进步带来的新发现。传统的放射源辐照手段下，每个细胞受照的粒子个数和位置都是随机的，是无法观察到这种新现象的。
为什么细胞质的低剂量离子辐照会引起细胞核及相邻的细胞的DNA也产生损伤，说明细胞内部和细胞之间损伤存在信号传递机制。这个现象在放射生物学中称为bystander effect（近旁效应）。可以看出，单离子微束的亚细胞精确照射为我们提供了一种更精准的技术手段，让我们发现一些新东西。但目前低剂量辐照损伤还没有一个统一规律。高剂量辐射损伤通常与照射剂量呈线性关系。但是低剂量辐照下，受照个体的致癌几率和遗传效应，目前的实验结果还缺少统一规律，只能通过线性外推的方法作为评价和管理依据，不能作为生物上预测的方法，相关的科学问题还有很多需要进一步研究。
我们实验的单细胞用的是什么
肿瘤细胞。我们实验室有专门细胞培养的仪器，一般研究的都是肿瘤细胞，也比较好培养，而且繁殖的很快。
我们辐照后，怎么知道发生了损伤
细胞受到损伤有的是可以修复的，细胞有比较强的修复功能，大部分情况下细胞损伤可以被修复掉。但是有的时候会有致死损伤发生，大部分致死损伤是产生在DNA双链上，双链都被带电粒子打断了，这种情况对细胞来说是致死事件，因为遗传物质的模板被破坏了，无法继续复制和增殖，细胞只能启动凋亡程序—走向死亡。致死损伤的生物学检测，金标准是采用克隆形成方法。没有致死损伤的细胞会继续增殖，在显微镜下你就会看到继续增殖形成的细胞群，叫做克隆，我们染色后可以看克隆的数目。原来种进去100个细胞，培养两周，只剩七十个克隆了，说明有30个由于致死损伤死掉了，根据平均数据就可以得到细胞受照的剂量-存活率关系。这就是克隆形成检测细胞存活率的简单原理。
辐照损伤及损伤修复的微观过程实际上非常复杂，不同靶分子的损伤也相应的检测方法，比如DNA双链断裂，可以采用免疫荧光方法检测，用荧光探针处理细胞，双链断裂的位点会与荧光探针结合，就会发出荧光。数细胞中亮点个数就可以判断细胞中发生多少损伤。
具体地，单粒子亚细胞精确辐照技术可用于开展放射生物物理、质子重离子医学物理及空间辐射生物学等多个领域的科学实验研究。它不是直接用于诊断或者治疗的，而是一种精确辐照的放射生物学实验技术，但通过这个技术，可以为放射诊断和治疗相关的放射生物学，放射医学基础问题，提供传统方法得不到的新信息。
王旭飞
复旦大学现代物理研究所/核科学与技术系副教授，硕士生导师。
主要研究方向有质子重离子微束亚细胞定量定位精确辐照技术及生物医学应用、纳米介质放射增敏的微观剂量学机理及其质子重离子放疗应用、纳米磁介导肿瘤治疗及磁性药物靶向递送相关的医学物理问题等。
