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编号:10280380
α粒子诱发人胎永生化气管成纤维细胞体外恶性转化细胞生物学特征研究
http://www.100md.com 《中华放射医学与防护杂志》 1998年第6期
     作者:杨梅英 叶常青 刘雷华 吴德昌

    单位:(北京,北京放射医学研究所 100850)

    关键词:α粒子;人胎永生化气管成纤维细胞;恶性转化

    中华放射医学与防护杂志980602 目的 研究电离辐射在离体时诱发人细胞恶性转化。方法 选用α辐射源诱发SV40永生化的人胎气管成纤维细胞恶性转化,观察在细胞恶性转化过程中细胞生物学特性的变化。结果 经α粒子照射后细胞形态发生转化;细胞相对存活率与剂量呈依赖性,随着照射剂量的增加,存活率呈指数下降,存活曲线呈单击单靶型;早期传代细胞染色体数出现非整倍体和非稳定性畸变,同时有两个标记染色体;软琼脂克隆形成率随着照后传代次数的增加而明显增高;第40代细胞接种裸鼠长出肿瘤结节,病理诊断为纤维肉瘤。结论α粒子可诱发人胎永生化气管成纤维细胞体外恶性转化。

    The study of cell biological character in the neoplastic transformation of immortalizational human fetal tracheal fibroblasts induced by alpha-particle irradiation.
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    Yang Meiying, Ye Changqing, Liu Leihua et al.Institute of Radiation Medicine,Beijing 100850, China.

    Objective To study the neoplastic transformation of human cells in vitro induced by alpha-particle irradiation.Methods Neoplastic transformation of SV40-immortalizational human fetal tracheal fitroblast cells was induced by alpha-particle irradiation, and changes of cell biological character during the neoplastic transformation were observed. Result The cell morphology was changed after alpha-particle irradiation,the relative surviving fraction of the cells irradiated by different doses of alpha particles was dose-dependent, and the survival fraction exponential decreased with increasing alpha particles dose. The pattern of cell survival was fitted to single bit single target model. There were aneuploid and instable structure changes in chromosomes, and two marker chromosomes at the same time. The colony forming efficincy in soft agar increased with the passaging. There were 4 tumors after SC injection of the 40th passage cells in 5 nude nice.Conclusion Neoplastic transformation of immortalizational human fetal tracheal fibroblasts can be induced by alpha-particles.
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    Key words Alpha-particle irradiation Immortalizational human fetal tracheal fibroblasts Neoplastic transformation

    氡及其子体照射对人的危害,通过人群流行病学调查及动物整体实验研究均已得到肯定[1]。利用离体细胞体系进行细胞恶性转化的研究,具有定量性好、易重复、周期短的优点,可在较短的时间内为辐射致癌的分子机理提供重要的信息。已报道的诱发细胞恶性转化的细胞主要是啮齿类细胞如SHE,RTE[2]等。由于人类细胞基因稳定,单一因素作用不易使其恶性转化,近年来有少数学者[3,4]利用永生化的上皮细胞进行了α粒子所致细胞癌前和恶性转化的研究。与人类上皮细胞相比,人类成纤维细胞虽然发生恶性转化后以形成肉瘤为主,但其在离体培养寿命长,对培养基要求低,更易永生化,而且其染色体和基因组成与人类上皮细胞更相近,更适合用于离体人类细胞的恶性转化研究。
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    本研究选用SV40永生化的人胎气管成纤维细胞(SHTF)作为对象,以238PuO2为α辐射源,诱发靶细胞恶性转化,同时观察在细胞恶性转化过程中细胞生物学特性的变化。

    1 材料和方法

    细胞:SHTF由本文作者建立。细胞培养20代后,取指数生长期细胞,以1×105/皿密度接种于自制底部为厚2.0μm的Mylar膜的60mm无菌平皿中,37℃,5%CO2条件下孵育,24小时后照射。

    照射:照射源用φ=50mm的238PuO2电镀源,总活度1.96×108MBq,α粒子能量为5.34MeV,平均剂量率估算为1.9Gymin-1,吸收剂量分别设定为0,0.25,0.5,1.0,2.0Gy。
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    α粒子照射后细胞(简称αSHTF细胞)相对存活分数:照射后细胞立即用胰蛋白酶消化,所得到的受照细胞用10天克隆形成法测定受照细胞相对存活分数和转化频率。计算公式如下:

    αSHTF细胞相对存活分数,SF=αSHTF细胞接种效率/对照细胞接种效率

    转化频率,TF=转化克隆数/总克隆数

    染色体分析:照后第8,18代细胞进行染色体常规制片和G显带,观察细胞染色体数和结构的变化。

    软琼脂克隆形成率及裸鼠成瘤实验:照射后5,10,20,40代的αSHTF细胞1.5×103/30cm2密度接种平皿。顶层琼脂和底层琼脂分别为0.33%、0.5%琼脂。细胞培养14d计数克隆(>50个细胞者),并求克隆形成率。取40代的αSHTF细胞以3×107/鼠接种于4周龄裸鼠背部皮下,观察2个月,待肿瘤长出后, 处死裸鼠,肿瘤做病理学检查。
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    2 结果

    2.1 转化细胞形态

    正常人气管成纤维细胞克隆呈单层生长,细胞形态在克隆中心和克隆周边均为排列整齐的梭形。SHTF细胞克隆的细胞亦为梭形,但排列不具方向性。αSHTF细胞的转化细胞形态在克隆外周仍为梭形,但克隆中心细胞已变成上皮样,而且呈复层生长。

    2.2 存活曲线

    不同剂量α粒子照射后SHTF细胞存活曲线如附图。α粒子照射SHTF细胞后SF与剂量呈依赖性,存活曲线方程为SF=exp(-D/0.75),辐射敏感参数D37=0.75Gy, Dq=0Gy,n=1。α粒子照射SHTF细胞后随着照射剂量的增加,存活分数呈指数下降,存活曲线呈单击单靶型。
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    附图 α粒子致SHTF细胞剂量存活曲线

    2.3 α粒子诱发SHTF细胞转化效应

    α粒子照射SHTF细胞经克隆培养后,形态转化克隆数及转化频率(TF×10-3)如附表所示。

    附表 α粒子诱发SHTF细胞转化频率 剂量(Gy)

    转化克隆数

    TF(×10-3)

    0

    0

    0

    0.25
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    0

    0

    0.5

    3.00±0.50

    0.85±1.38

    1.0

    7.00±1.16

    5.06±6.18

    2.4 α粒子照射后SHTF细胞软琼脂克隆形成率

    SHTF细胞经1.0Gy α粒子照射后,以形态发生改变的转化克隆扩大培养,连续传代,取5,10,20,40代的细胞测定的软琼脂克隆形成率分别为0%,0.18%,0.51%,1.40%。用第40代细胞接种裸鼠后2个月,5只中有4只长出肿瘤结节,病理诊断为纤维肉瘤。
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    2.5 α粒子照射后SHTF细胞染色体的变化

    α粒子照射后细胞染色体以多倍体为主,第8代时为45%,第18代时为66%。染色体结构,在早期传代细胞可见到辐射所诱发的非稳定性畸变,如环、双着丝点、断片;照后第8代的细胞染色体G显带分析发现染色体核型发生变化,其中5号及22号染色体丢失,11号染色体 长臂缺失,出现两条异常染色体,其中这两条染色体在许多细胞中反复出现,故可认为它们是标记染色体。

    3 讨论

    3.1 辐射敏感性与转化率

    SV40永生化人二倍体细胞系已应用多年,本实验用SV40永生化人胎气管成纤维细胞研究α粒子诱发细胞恶性转化的量效关系及转化细胞的生物学特性。α粒子照射后,细胞存活曲线为单击靶型,Dq为0Gy,说明SHTF细胞对α粒子所致的细胞损伤修复能力差。
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    许多学者在研究细胞的辐射敏感性时曾报道SV40永生化人细胞系不仅对低LET的γ射线所致的细胞死亡效应具有一定的抗性[5],而且对高LET的α粒子所致的细胞死亡效应也较原代细胞抗性强[5]。本实验未做α粒子所致原代人气管成纤维细胞的存活效应,但应用永生化的细胞时D37为0.75Gy,高于资料所报道的人原代成纤维细胞的0.44Gy。

    本实验发现α粒子照射SHTF细胞后,经10天克隆形成实验,0.5Gy和1.0Gy照射组可出现形态转化克隆,而0.25Gy和2Gy照射组未见形态上转化的克隆出现,这可能与最佳转化剂量有关。将0.5Gy和1.0Gy剂量照射后所出现的形态转化克隆扩大培养,继续传至10代时,接种软琼脂后在软琼脂上有克隆生长,第40代接种裸鼠后可在裸鼠体内形成肿瘤,这说明细胞恶性转化并不与剂量呈完全的正相关。目前,国内外尚未见有关α粒子诱发SV40永生化人胎气管成纤维细胞恶性转化的报道。在有关低LET的γ射线和X射线诱发SV40永生化人上皮细胞恶性转化的报道中,曾观察到在一定的剂量范围内,肿瘤形成率高,如Rhim[6]报道X射线诱发SV40永生化的人角化上皮细胞系恶性转化,当2Gy或4Gy分两次照射时,细胞可形成肿瘤,而6Gy或8Gy无论是单次照射还是分两次照射,均不能形成肿瘤。
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    有关SV40永生化细胞辐射抗性和易转化特性的机理可能与SV40大T抗原有关[7]。它与抑癌基因p53蛋白相结合[8]。Kastan[9]报道,在正常情况下p53被认为是一种分子警察,监督着DNA的完整性。如果DNA破坏,p53可关闭DNA的复制[10],以利于修复。如果不能修复,p53则通过程序性死亡作用而使细胞自杀[11]。当p53与T蛋白相结合时,则不能行使此功能,从而使细胞存活率增高而染色体畸变增加,致使DNA突变增多。另外,由于野生型p53可抑制癌基因的表达[12],而与T蛋白相结合后,失去了抑制癌基因的作用。因而SV40永生化细胞当被α粒子或γ射线照射后,在一定的剂量范围内细胞的存活率较原代细胞高,而转化率也较原代细胞高。

    3.2 裸鼠成瘤性与软琼脂克隆形成率相关性

    裸鼠体内成瘤实验是判断细胞恶性转化的最有力的指标,它与软琼脂克隆形成率有一定的相关性。在啮齿类细胞中首次发现随着软琼脂克隆形成率的增高,裸鼠成瘤性增加,而且这种相关性在啮齿类细胞中最强。这种相关性也存在于人类细胞。如永生化人角质上皮细胞照射后,软琼脂克隆形成率增加,从而裸鼠体内具有致瘤性[13]。本实验SHTF细胞在照后第10代时,软琼脂上形成克隆率为0.18%,接种裸鼠后观察2个月未见肿瘤形成。40代时,软琼脂克隆形成率为1.4%,细胞接种裸鼠一个月后有肿瘤性结节形成,经病理学诊断为纤维肉瘤。同样证明人成纤维细胞在恶性转化过程中裸鼠成瘤性与软琼脂克隆形成率有一定相关性。40代的细胞为恶性转化细胞。
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    综上所述,本实验结果证明DNA肿瘤病毒和α粒子照射联合作用可诱发体外培养的人胎气管成纤维细胞发生恶性转化。在细胞恶性转化的过程中需要两种或更多的细胞生长特性改变。由SV40转染后细胞获得无限生长的能力是细胞恶性转化的先决条件。早期传代的非肿瘤性SV40永生化人胎气管成纤维细胞被α粒子照射后,细胞的生长特性进一步发生改变。细胞形态改变,软琼脂生长能力逐步增加,裸鼠体内形成恶性肿瘤是辐射诱发细胞转化的特征。

    尽管本实验证明了α粒子可诱发SV40永生化人胎气管成纤维细胞发生恶性转化,但有关α粒子诱发细胞发生恶性转化的分子机理目前仍不十分清楚。本实验为分析与辐射致癌相关的基因提供了一个良好的实验模型。

    本课题受国家自然科学基金资助 资助号:39370229

    参考文献

    1 Stather JW. Effects of α-particle irradiation on carcinogenesis. Int J Radiat Biol, 1990, 58:871.
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    2 Thomassen DG, Seiler FA, Shyr LJ, et al. Alpha particles induce preneoplastic transformation of rat epithelial cells in culture. Int J Radiat Biol, 1990, 57:395.

    3 Reddel RR, Salghetti SE, Willey JC, et al. Development of tumorigenicity in simian virus 40 immortalize human bronchial epithelial cell lines. Cancer Res, 1993, 53:985.

    4 Thraves PJ, Varghess S,Jung M,et al. Transformation of human epidermal keratinocytes with fission neutrons. Carcinogenesis, 1994, 15:2867.
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    5 Su LN, Little JB. Transformation and radiosensitivity of human diploid skin fibroblasts transfected with activated RAS oncogen and SV40 T antigen. Int J Radiat Biol, 1992, 62:201.

    6 Rhim JS, Yoo JH, Park JH, et al. Evidence for the multistep nature of in vitro human epithelial cell carcinogenesis. Cancer Res, 1990, 50:5653.

    7 Vandyke TA, Finlay C,Miller D,et al. Relationship between simian virus 40 large tumor antigen expression and tumor formation in transgenic mice. J Virol, 1987, 61:2029.
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    8 Dobbelstein M,Arthur A,Dehde S,et al. Intracistronic complementation reveals a new function of SV40T antigen that co-operates with Rb and p53 binding to stimulate DNA synthesis in quiescent cells. Oncogene, 1992,7:837.

    9 Kastan MB, Onyekwere O,Sidransky D,et al. Participation of p53 protein in the cellular response to DNA damage. Cancer Res, 1991, 51:6304.

    10 Kastan MB, Zhan Q, Eldeiry WS, et al. A mammalian cell cycle checkpoint pathway utilizing p53 and GADD45 is defective in ataxia-telangiectasia. Cell, 1992, 71:587.
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    11 Yonish-Rouach E, Resnitzky D, Loten J, et al. Wild-type p53 induces apoptosis of myeloid leucaemic cells that is inhibited by interleukin-6. Nature, 1991, 352:345.

    12 Michalovitz D, Halevy O, Oren M. Conditional inhibition of transformation and of cell proliferation by a temperature sensitive mutant of p53. Cell, 1990, 62:671.

    13 Thraves P, Salehi Z,Dritschilo A, et al. Neoplastic transformation of immortalized human epidermal keratinocytes by ionizing radiation. Proc Natl Acad Sci USA, 1990, 87:1174.

    (收稿:1998-09-05 修回:1998-11-22), 百拇医药