ICRP 第148 號出版物《參考動物和植物的輻射權重》內容簡介及中國學者的貢獻

劉玉龍 王冰 崔鳳梅

1 蘇州大學附屬第二醫院腫瘤職業病科，蘇州 215004；2 日本國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構，放射線醫學研究所，千葉 263-8555；3 蘇州大學蘇州醫學院放射醫學與防護學院，放射醫學與輻射防護國家重點實驗室，蘇州 215123

國 際 放 射 防 護 委 員 會（International Commission on Radiological Protection， ICRP） 第148 號 出 版 物（ ICRP Publication 148:Radiation Weighting for Reference Animals and Plants）[1]于2021 年正式發布，其授權的中文譯本《參考動物和植物的輻射權重》[2]也于2023 年4 月由中國原子能出版社出版。該出版物的要點有以下5 個部分：（1）綜述了相對生物效能（relative biological effectiveness，RBE）的研究數據，如低能氚β 粒子和α 粒子的RBE 值。（2）物種間的RBE值沒有顯示明顯的差異，與X 射線和γ 射線相比，氚β 粒子的RBE 值分別為1.5～2 和2～2.5。通常α 粒子的RBE 值更高，約為10。（3）出于輻射防護目的，根據現有知識，將生物種群吸收劑量的RBE 權重因子指定為所有參考動物和植物（reference animals and plants，RAPs）的單一值，以適用于所有與種群相關的生物終點。（4）RBE 對RAPs 的RBE權重因子吸收劑量率應采用所有低傳能線密度（linear energy transfer，LET）的值為1 的射線和LET 的值為10 的α 粒子計算，以便與導出考慮參考水平（derived consideration reference level，DCRL）進行比較。（5）如果暴露于氚β 粒子或其他低能量、低LET 輻射的劑量在 DCRL 范圍內或接近DCRL，則可能需要進行額外審查并修改RBE 權重因子。ICRP 第148 號出版物收集了1957～2021 年64 年間世界各國有關氚β 粒子所致生物效應RBE值的研究成果，其中降低生殖功能率的RBE 值等資料均來自中國學者的貢獻。該出版物涵蓋內容豐富，本文作者在獲得ICRP 授權后，組織該領域的學者將其翻譯成了中文。本文重點介紹低能氚β 粒子對不同生物終點影響的RBE 值。

1 ICRP 第148 號出版物的主要組成部分及氚相關內容的概括性介紹

ICRP 第148 號出版物的主要組成部分包括總論、氚β 粒子的RBE 值、α 粒子的RBE 值、總體結論和建議、參考文獻、3 個附錄、詞匯表及致謝。ICRP 第148 號出版物指出，RBE 值是產生相同水平效應的輻射和低LET 參考射線的劑量比值，其是通過實驗確定的。在包括人類和動物細胞系在內的體外實驗以及動物體內實驗中，研究者對各種生物終點的RBE 值進行測量，得出生物效能的大小不僅取決于輻射的劑量、類型和能量，還取決于劑量率，最重要的是取決于被研究的生物終點的結論。將上述結論應用于人類的輻射防護，需要對RBE 數據進行匯總與分析。盡管人類輻射防護的重點是避免確定性效應和限制隨機性效應（癌癥或遺傳）的發生，但對生物種群的輻射防護主要側重于與生物種群生存能力相關的終點。ICRP 第148 號出版物綜合報道了低能氚β 粒子對不同生物終點影響的RBE值。與X 射線相比，氚β 粒子的RBE 值為1.5～2；與γ 射線相比，氚β 粒子的RBE 值為2～2.5。鑒于輻射防護目的，建議使用RBE加權吸收劑量，所有受低LET 輻射照射生物種群的RBE 權重因子為1。然而，如果估算暴露于氚β 粒子或其他低能量、低LET 輻射的劑量在DCRL 范圍內或接近DCRL，則可能需要采用更高的RBE 值進行相應的評估。

氚原子核包含1 個質子和2 個中子，其通過發射β 粒子進行衰變，物理半衰期為12.3 年，β 粒子在空氣中的傳播距離約為6.0 mm，無法穿透皮膚的角質層。因此，與氚相關的主要危害是氚進入生物體內（食入、吸入和通過皮膚吸收）并在生物體內釋放β 粒子。在活的生物組織中，氚β 粒子的傳播距離僅約6 μm（典型動物細胞的直徑為10～20 μm，細胞核的直徑為6～15 μm；植物細胞的直徑為10～100 μm），由于氚β 粒子初始能量低且射程短，因此發射的β 粒子產生的平均電離密度高于高能量β 粒子或光子產生的電離密度； LET 也是前者高于后者。

氚作為氚水在環境中最常見，其具有與水相同的化學性質，一旦進入生物體內，它就會迅速與生物體內的水分達到平衡，并均勻分布在所有軟組織中。有機結合氚（organically bound tritium，OBT）是指氚結合到碳水化合物、脂肪或蛋白質等有機分子中的一種形式，包括可交換和不可交換OBT。當氚原子與氧、硫、氮或磷原子發生鍵合時，氚很容易與水中的氫交換，因此被認為是可交換OBT。OBT 中的可交換氚表現出與氚水相似的動力學行為。當氚原子與有機分子中的碳原子鍵合時，只能通過酶反應釋放，被認為是不可交換OBT。OBT 中只有不可交換態氚才表現出有關OBT 分子的動力學特征及其在生物體內組織中的循環。在有機分子的合成過程中，少部分OBT 被非交換性地摻入其中（成為不可交換OBT）。氚也可以作為食物中的OBT 被動物攝入。氚在成年人體內的生物半排期（核素在機體中的總量減少到一半時所需的時間）：可交換性氚水為10 d，不可交換性OBT 為40 d[3]。ICRP 的一系列出版物建立了不同年齡階段人體的生物動力學和劑量學模型，并用于計算氚水、OBT 和氚化氣體攝入量系數[3-7]。當氚摻入DNA 中，如氚標記的胸腺嘧啶核苷（3H-thymidine，3H-TdR），細胞接受的β 粒子的輻射劑量將取決于其分裂周期的長短，增殖速率較大的細胞結合3H-TdR 的概率更大，但它們也會更迅速地清除3H-TdR；增殖速率較小的細胞結合3H-TdR 的概率會小得多，但其滯留時間較長。源自OBT的β 粒子輻射劑量的估算比氚水的劑量的估算具有更多的不確定性[8-9]。

2 氚β 粒子RBE 相關內容的詳細介紹

2008 年的ICRP 出版物將氚β 粒子RBE 值的生物終點分為早期死亡率、生殖功能率、發病率、染色體損傷或基因突變，其中只有前3 個生物終點被認為與生存能力有關[10]。

2.1 以早期死亡率為生物終點的RBE 值

Yamada 等[11]研究了氚β 粒子和γ 射線外照射對小鼠胚胎[BC3F1（C3H/C57BL）]存活率的影響。他們首先對原核期和兩細胞期小鼠胚胎進行體外培養，在培養液中加入氚水，使其劑量率為0.2～4.1 Gy/d（3 d 后累積劑量為0.6～16.3 Gy）；然后，以60Co γ 射線作為參考射線，劑量率為0.48 Gy/d（3 d后累積劑量為19.2 Gy），根據LD50值（殺死半數受試群體所需的劑量）計算RBE 值，原核期、早期兩細胞期和晚期兩細胞期胚胎的RBE 值分別為1.0、1.7 和1.3。

總之，所有估算氚β 粒子RBE 值的相關研究都使用氚水作為輻射源，研究對象為BC3F1 小鼠胚胎和CF1 成年小鼠，每項類似的研究都采用高劑量率和高累積劑量的慢性照射，提高死亡率的RBE 值為1.0～1.7。

2.2 以降低生殖功能率為生物終點的RBE 值

有研究者使用250 kVp 的X 射線作為參考射線，研究了氚β 粒子對成年小鼠（CBA/H）睪丸質量的影響。小鼠單次腹腔注射氚水（劑量率為0.14～0.43 Gy/d，累積劑量為1.43～4.34 Gy），10 d 后測定睪丸質量；X 射線持續照射10 d（劑量率為0.13～0.33 Gy/d，累積劑量為1.33～3.36 Gy），照射結束后測定睪丸質量。結果顯示，小鼠睪丸質量降低的RBE 值為1.07～1.40[12]。

Carr 和Nolan[13]研究了氚水和3H-TdR 對成年小鼠（CBA/H）睪丸質量的影響，并將這些影響與60Co γ 射線產生的影響進行了比較。他們采用γ 射線分割照射15 次，以模擬氚暴露（總劑量為0.578 Gy）。成年小鼠單次腹腔注射氚水或3H-TdR，平均累積劑量分別為0.145～0.58 Gy 和0.03～0.50 Gy。每個實驗組小鼠在照射開始后24 周測定睪丸質量。根據相應的劑量-反應曲線的斜率計算氚β 粒子的RBE 值（積分分數質量損失作為計算照射后10 周睪丸內平均吸收劑量的函數），并獲得氚水的RBE 值為1.43±0.19，3H-TdR 的RBE 值為2.07±0.25。值得注意的是，研究中只使用了單一劑量的60Co γ 射線，因此研究得出的RBE 值僅適用于該劑量。

Lambert[14]研究了氚β 粒子（氚水和3H-TdR）與X 射線相比殺死成年小鼠（DBA2）靜息初級精母細胞的RBE 值。一組小鼠單次腹腔注射氚水，劑量率為0.04～0.06 Gy/d（累 積 劑 量 為0.05～0.12 Gy）；3H-TdR 的 劑 量 率 為0.06～0.11 Gy/d （累積劑量為0.084～0.19 Gy）。同時，另一組小鼠在0.02 ～0.16 Gy/d 的劑量率范圍內，以遞減劑量率的X 射線慢性照射72 h（累積劑量為0.05～0.50 Gy）。在氚注射（氚水或3H-TdR）或X 射線照射后19、72 h，對小鼠靜息初級精母細胞的RBE 值進行定量，氚β 粒子的RBE 值分別為2.3和2.4，而3H-TdR 的RBE 值分別為1.3 和1.6。

Zhou 等[15]研究了氚β 粒子和γ 射線對幼年小鼠（LACA系）初級卵母細胞和精原細胞存活率的影響。研究者采用2 種不同的方法處理小鼠：（1）單次腹腔注射氚水（指數遞減劑量率）；（2）單次腹腔注射氚水后，在小鼠飲水中氚給藥（恒定劑量率）。上述細胞10 d 內從氚水β 粒子中接受的累積劑量為0.2～1.0 Gy。另一組小鼠用60Co γ 射線以指數遞減劑量率或恒定劑量率連續照射10 d（累積劑量為0.7～2.8 Gy）。在劑量率呈指數下降的情況下，根據劑量-反應曲線的斜率計算出氚β 粒子的RBE 值，初級卵母細胞存活率的RBE 值為1.4～2.0，精原細胞存活率的RBE 值為2.1～2.8。輻射以恒定劑量率進行時，初級卵母細胞存活的RBE 值為1.65，精原細胞存活的RBE 值為2.3～2.5。

Dobson 和Kwan[16]將60Co γ 射線作為參考射線，計算氚β 粒子的RBE 值，研究了氚對降低瑞士-Webster 小鼠初級卵母細胞存活率的影響。一組小鼠以2.20～19.80 mGy/d的劑量率（累積劑量為0.07～0.65 Gy）暴露于氚水中（暴露33 d，從受孕至出生后14 d）。另一組小鼠以10.08～31.92 mGy/d的劑量率（累積劑量為0.33～1.05 Gy）的60Co γ 射線慢性照射（照射33 d，從受孕至出生后14 d）。在出生后14 d，對每個實驗組小鼠的雌性后代進行初級卵母細胞數量的量化。氚β 粒子的RBE 值隨劑量的減小而增大，在參考60Co γ 射線劑量為0.4、 0.2 Gy 時，RBE 值分別為1.8、2.5。此后，Dobson 和Kwan[17]發表了一份更完整的后續研究報告。他們使用相同的實驗動物（非近交的瑞士-Webster 小鼠）和方法（從小鼠受孕到出生后14 d，接觸氚水或60Co γ 射線33 d），但劑量率不同。氚水的劑量率為24.96～51.52 mGy/d（累積劑量為0.57～0.83 Gy），60Co γ 射線的劑量率為8.0～38.0 mGy/d（累積劑量為0.26～1.25 Gy）。經估算，在低輻射劑量條件下，卵母細胞存活的氚β 粒子的RBE 值為2.5。

Satow 等[18]研究了氚β 粒子對小鼠卵母細胞存活率影響的RBE 值。他們給予14 日齡幼鼠（ICR）單次腹腔注射氚水（累積劑量為0.04～0.25 Gy，連續14 d）或137Cs γ 射線以逐漸降低的劑量率慢性照射以模擬氚水暴露（劑量率為0.03～0.09 Gy/d，連續14 d，累積劑量為0.06～0.2 Gy）。由單靶模型的生存曲線計算得到氚β 粒子的RBE 值為1.1～3.5。這與文獻[16-17]報道一致，即RBE 值隨氚β 粒子劑量的減少而增加；但在低劑量（0.04 Gy）時RBE 值最高，為3.5[18]。

Satow 等[19]研究了氚β 粒子和137Cs γ 射線對成熟大鼠（Donryu）的致畸作用。在實驗中，注入組大鼠于妊娠第8 天或第9 天單次腹腔注射氚水（劑量率為0.14～1.06 Gy/d，累積劑量為1.75～6.80 Gy）。對照組大鼠于妊娠第9～18 d 接受137Cs γ 射線慢性照射（劑量率與氚水相同，累積劑量為1.75～6.80 Gy）。計算并統計2 組大鼠胎兒存活的百分比和胎兒畸形的發生頻率。氚β 粒子注入組中產生50%和20%異常的RBE 值分別為1.8 和2.4。50%和20%存活胎兒產生異常的RBE 值分別為2.0 和2.6。

Zhou 等[20]研究了氚β 粒子和γ 射線對成年雌性小鼠（LACA）卵母細胞顯性致死突變頻率的影響。一組小鼠單次腹腔注射氚水（累積劑量為39～912 mGy）。另一組小鼠用60Co γ 射線以逐漸降低的劑量率慢性照射10 d（累積劑量為0.53～2.70 Gy）。照射后21 d，雌性小鼠與未照射的雄性小鼠交配，交配后再飼養18 d，檢查雌性小鼠卵巢中的黃體數量、活胚胎數以及早期和晚期胚胎死亡數，以估計誘發顯性致死突變頻率的劑量，最終由劑量-反應曲線斜率計算得到氚β 粒子的RBE 值為2.5。

此后，Zhou 等[15]進行了一項更完整的研究，分析了氚β 粒子和γ 射線對幼年小鼠的遺傳效應（卵母細胞、精母細胞的顯性致死突變，精原細胞的顯性致死突變）。一組小鼠單次腹腔注射氚水，劑量率呈指數遞減，氚β 粒子10 d 的累積劑量為0.2～1.0 Gy。另一組小鼠用60Co γ 射線以指數遞減或恒定劑量率慢性照射10 d，累積劑量為0.7～2.8 Gy。根據劑量-反應曲線斜率計算氚β 粒子的RBE 值，卵母細胞顯性致死突變的RBE 值為2.8～3.4，精原細胞顯性致死突變的RBE 值為3.5～3.9，精母細胞顯性致死突變的RBE 值為1.6～3.9。

綜上，大多數關于降低生殖功能率的氚β 粒子RBE 值研究的對象均為小型哺乳動物，研究人員分析了與降低生殖功能有關的幾個生物終點：生殖能力和性能、睪丸質量減輕、生殖細胞（雌性和雄性）存活和顯性致死突變。

絕大多數關于降低生殖功能率的氚β 粒子的RBE 值研究都使用γ 射線作為參考射線。在所有研究中，氚和參考射線均以2～1 700 mGy/d 的劑量率長期照射。降低生殖功能率的氚β 粒子（氚作為氚水或3H-TdR 進入體內）的RBE 值為1.0～3.9。23 個氚β 粒子的RBE 值中只有5 個大于3.0。

2.3 以發病率為生物終點的RBE 值

有研究者估算了氚β 粒子在大鼠和小鼠體內誘發癌癥的RBE 值。Gragtmans 等[21]研究了氚β 粒子和X 射線對誘導雌性大鼠（Sprague Dawley）乳腺腫瘤的影響。他們給大鼠腹腔注射氚水（間隔2 d 注射1 次，共注射4 次），以維持恒定劑量率（累積劑量為0.49～4.10 Gy）。通過劑量-反應曲線的初始斜率（最佳擬合線性關系）計算氚β 粒子的RBE 值。在接觸氚水所有劑量的大鼠中，每100 只大鼠累積乳腺腫瘤發病率對應的RBE 值為1.02±0.13；當排除最高劑量3.85 Gy 時，RBE 值為1.17±0.18。

Johnson 等[22]研究了氚β 粒子和X 射線誘導小鼠（CBA/H）髓系白血病的效能。一組小鼠單次腹腔注射氚水（累積劑量為0.85～3.04 Gy）。另一組小鼠用150～200 kVp 的X 射線慢性照射10 d，劑量率為0.24～0.72 Gy/d（累積劑量為1.06～2.64 Gy）。計算氚β 粒子的RBE 值時，考慮到每1 萬只處于風險中的小鼠發生髓系白血病的劑量反應的不同擬合度，其RBE 值為1.1～1.24，最佳RBE 值為1.2±0.3。

Seyama 等[23]研究了氚β 粒子和137Cs γ 射線對成年雌性小鼠（C57BL/6N 和BCF1）不同器官腫瘤發生發展的影響。一組小鼠單次腹腔注射氚水（累積劑量為0.27 Gy 或2.7 Gy）。另一組小鼠接受137Cs γ 射線慢性照射（累積劑量為0.27 Gy或2.7 Gy，劑量率分別為0.08 Gy/d 和0.76 Gy/d）。根據2.7 Gy照射后500 d 的腫瘤發病率計算，氚β 粒子的RBE 值為2.5。

總之，在小型哺乳動物系統中，無論是在體內（小鼠和大鼠）還是在體外（轉化細胞系，如小鼠淋巴細胞白血病、細胞系L5178Y 或中國倉鼠V79B）研究氚水的氚β 粒子照射產生致病效應的RBE 值，均選用137Cs、60Co 或226Ra γ 射線作為參考射線。在RBE 值研究中，分析了與發病率相關的幾個終點：誘導的乳腺腫瘤、髓系白血病、實驗動物組織損傷（如脾臟和胸腺萎縮）、降結腸和腸細胞存活率、59Fe 攝取抑制和轉化細胞系中的細胞存活率。綜上，用氚水處理時，大多數氚β 粒子產生致病效應的RBE 值為1.0～2.5。當選用細胞系研究生物終點時，估算的RBE 值為1.7～4.4，具體RBE 值取決于研究中的溫度、照射細胞系的時間和選用的細胞類型。

2.4 以染色體損傷或基因突變為生物終點的RBE 值

Kozlowski 等[24]評估了氚β 粒子和X 射線誘導小鼠骨髓細胞染色體畸變的情況。一組小鼠從受孕后第1 天到第20 天分娩期間給予氚水或氚化水芹，估算孕期累積劑量分別為0.6 Gy 和0.3 Gy。分娩后4 周內，氚水和氚化水芹組小鼠的總氚累積劑量均為0.1 Gy。另一組小鼠于妊娠第7 天或第14 天用250 kVp 的X 射線急性照射，總劑量為0.5 Gy。分別對氚水、氚化水芹組和X 射線照射組小鼠的母代及其子代的骨髓染色體畸變進行定量分析。他們沒有準確計算氚β 粒子的RBE 值，其估算RBE 值為1.0～2.0。

Zhou 等[15]以誘導小鼠精母細胞染色體畸變為生物終點研究了氚β 粒子的RBE 值。一組小鼠單次腹腔注射氚水，然后在飲用水中加入氚以保持劑量率恒定，β 射線的累積劑量為0.2～1.0 Gy（劑量率為0.005～0.05 Gy/d）。另一組小鼠以恒定劑量率的60Co γ 射線慢性照射10 d，累積劑量為0.43～2.04 Gy（劑量率為0.04～0.20 mGy/d），計算得出RBE 值為2.9～3.8。

Tanaka 等[25]研究了以人外周血淋巴細胞和骨髓細胞染色體畸變為生物終點的氚β 粒子的RBE 值。他們在室溫下用氚水處理外周血和骨髓樣本，劑量率為4.8 Gy/d，累積劑量為0.13～1.11 Gy；分別以60Co γ 射線（劑量率為28.8 Gy/d，累積劑量為0.25～2.0 Gy）和137Cs γ 射線（劑量率為0.29 Gy/d，累積劑量為2.0 Gy）作為參考射線。當以60Co γ 射線作為參考射線時，引發人外周血淋巴細胞染色體畸變和雙著絲點畸變的氚β 粒子的RBE 值分別為2.2～2.7 和2.1～2.3；當以137Cs γ 射線作為參考射線時，引發染色體畸變的RBE 值為2.0。在人類骨髓細胞中，當以60Co γ 射線作為參考射線時，引發染色體畸變和染色單體畸變的RBE 值分別為1.13 和3.10。

3 中國學者貢獻的簡要介紹

氚的RBE 值變化較大，其與不同組織的輻射敏感性及其對低能氚β 粒子的敏感性有關，隨選擇參考射線的能量、劑量、劑量率以及生物終點的不同而不同。在任何情況下確定RBE 值時，所有這些因素都需要盡可能保持恒定，但是在比較RBE 值時，很難確定哪個決定因素更重要。

從2021 年ICRP 第148 號出版物[1]介紹的研究氚RBE值的大量成果可以看出，氚是放射毒理學研究領域中很重要的一個組成部分。隨著核能的發展，氚生物效應的研究與核聚變反應堆的開發這一重大課題有著密切關系，這是當今它在輻射防護研究中占據重要位置的主要原因。在俄羅斯、美國和日本，氚的研究開始得比較早。我國氚的研究雖然起步相對較晚，但也有40 多年的歷史，在氚通過不同途徑進入體內的分布、代謝、轉移規律及內劑量估算[26-28]、氚對發育中的中樞神經系統的影響及機制探討[29-38]等諸多方面的研究都有中國學者的貢獻。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明 劉玉龍負責綜述的撰寫；王冰、崔鳳梅負責綜述的修改