载能粒子辐射生物效应的理化基础及早期生物过程研究

Energetic particles exist ubiquitously in nature. Nowadays particle-radiation induced biological effects are receiving more and more attention, because on the one hand, energetic particle-radiation potentially poses constant threat to the environment and does harm to human health, and on the other hand, the particle-radiation induced bio-effects may also be utilized effectively in medicine, agriculture and other application fields (such as ion-beam cancer treatment and ion-beam breeding). Currently, however, there still remain many unsolved questions regarding the mechanism for the interaction between energetic particles and organisms, and it is basically elusive to us how the particle-radiation induces the primary physical, chemical changes and subsequent biological processes and how these early events eventually lead to significant effects. The restriction for the current research is largely due to the lack of effective experimental methods and/or tools for monitoring and dissecting the involved dynamic processes. In this context, therefore, our project is devoted to investigating the particle-radiation induced physico-chemical changes and biological processes which are responsible for the bio-effects, paying particular attention to the primary biochemical reactions and radiation injuries during the early stages, and focusing on the molecular basis for these reactions and effects. For this purpose, we especially put emphasis on employment of optical and spectroscopic approaches and tools, assisted by micro-beam radiation technique and other emerging new technical tools, to scrutinize the radiation induced chemical reactions of biomolecules and monitor the cellular processes in cells with micrometer resolution. As such, this study may provide an in-depth insight into the fundamental questions regarding the mechanisms for interactions between energetic particles and organisms, and make contributions to the cause of radiation protection and the development of the relative nuclear technology.

载能粒子在自然界普遍存在。目前，载能粒子对生物作用和影响的研究越来越受到重视，这是因为一方面载能粒子辐射对人类环境和健康构成威胁或危害，另一方面载能粒子生物效应也可用于造福人类，并且已经被广泛应用于医学、农业等领域（如离子束癌症治疗和离子束育种等）。但是，对于载能粒子与生物体作用过程和机理，由于受实验和观测手段制约，许多科学问题有待深入研究和阐明。为此，本项目将致力于载能粒子辐射生物效应的理化基础及生物过程的研究，特别关注辐射引起物理化学变化和早期的生物过程，由此探索载能粒子生物效应和作用机理。在方法上提出离子微束辐照技术与生物光谱技术相结合的方案，并且利用和发展一些新技术，在分子水平上研究相关辐射化学反应，在细胞水平上研究细胞早期辐射响应及微观动态过程。这项研究可有助于解决载能粒子生物效应的基本问题，并为辐射防护与载能粒子生物技术发展提供实验基础和理论依据。

载能粒子辐射与人类环境与健康密切相关，但其作用效应和机理方面还有诸多问题尚待研究和阐明。为此，本项目围绕载能粒子辐射对生物作用的理化基础及早期过程开展研究。项目按照计划进行，执行顺利；研究达到预期目的，并取得多项研究成果。主要创新性成果包括:1）发展了基于单细胞、单粒子的微流控辐照技术及相关检测技术；2）发展了基于低温等离子体放电模拟载能粒子辐照引起氧化胁迫作用的生物辐照技术，研究并揭示了辐射诱导溶液环境中活性氧（ROS）对生物作用的多种效应，包括生物损伤和刺激作用和效应；3）发展了用于观测生物辐射效应的光谱技术，包括基于同步辐射光源的细胞微观红外光谱（s-FTIR）技术，以及用于观测辐射损伤所对应生物标志物的超灵敏表面增强拉曼光谱（SERS）技术，并探测到辐射损伤早期过程中出现的细胞因子及miRNA-122等多种生物标志物；4）建立了标记细胞线粒体的细胞双荧光报告系统，并用于对辐射引起细胞凋亡的早期过程进行观测，揭示了辐射早期的线粒体生物发生与后期凋亡之间关系的新的现象和规律；5）基于荧光蛋白标记技术对重离子辐射三维结构细胞诱导的辐射旁效应进行观测，并研究了线粒体膜蛋白MAVS对辐射敏感性的影响，揭示了MAVS参与辐射诱导的细胞旁效应的规律。研究成果相继发表在相关专业的重要国际期刊上，如：Radiation Research、iScience、Analyst、International Journal of Radiation Biology等，由本基金资助并标注基金课题号(11635013)所发表的国际SCI收录及国内核心专业期刊文章达39篇。研究成果得到同行专家关注和肯定，项目负责人多次受邀参加国内外会议并做大会邀请报告。总之，在国家自然科学基金的资助和支持下，经过五年来不懈的努力，我们在载能粒子生物效应理化基础和早期生物过程及机理研究、以及粒子辐照技术、光谱技术上都得到持续进展和重要成果。另外，通过此项研究还发现了一些新的科学问题，这为以后拓展和深入关于载能粒子生物效应、方法和机理等各方面的研究打下了坚实的基础，为辐射防护生物技术发展提供实验基础和理论依据。