精准辐射保护新策略：线粒体假膜电势介导选择性自噬研究

Selectively killing cancer cells without destroy normal cells is a fundamental challenge in cancer radiotherapy. “Warburg effect”，which averred that the prime mover of cancer is defective mitochondrial respiration, in order to maintain cellular viability and support critical macromolecular needs, tumor cells chose another way of energy metabolism: glycolysis, which is different from normal cells. Therefore, the project attempt to start with the different mode of energy supply between normal cells and tumor cells, using the positive charge of MitoQ to targeted intervene the mitochondrial membrane potential, blocked proton reflux, influenced mitochondrial ATP synthesis, which made normal cells hungered and induced autophagy. Autophagy is an effective way to remove the damaged biomolecules, relieve the damage of ionizing radiation, and play the role of radioprotection. However, the ATP of tumor cells is mainly derived from the glycolytic pathway independent of mitochondria. So, MitoQ does not affect the energy supply of tumor cells and does not induce autophagy. By investigating kinds of cell biology end point on MitoQ and heavy ion/X ray co-treated cells, to study the selective effect of autophagy on radioprotection. On the premise of not affect radiobiological effect of tumor cells, we hope the study could help normal cells to address difficulties and acquire radioprotection by autophagy and explore a new strategy for precision radioprotection.

杀伤肿瘤细胞同时选择性防护正常细胞是肿瘤放射治疗的根本性挑战。“瓦博格效应”认为多数肿瘤细胞线粒体呼吸功能障碍，为了维持快速增殖，其能量代谢方式重编程，启动不依赖于线粒体的供能途径：糖酵解。本项目拟从正常细胞与肿瘤细胞能量供给方式的差异入手，利用MitoQ所携带正电荷靶向性插入线粒体内膜、替换膜间隙中的质子，建立起由外源性正电荷维持的“线粒体假膜电势”，影响线粒体中ATP合成、引起细胞饥饿、从而导致正常细胞自噬。自噬能够有效清除辐射受损的生物分子，缓解正常细胞电离辐射损伤应激，发挥辐射防护作用。然而，肿瘤细胞的ATP主要来源于不依赖线粒体的糖酵解途径，因此MitoQ不会对其能量供给产生影响，不会诱导肿瘤细胞自噬。最终，在不影响射线对肿瘤细胞杀伤效应的前提下，通过线粒体假膜电势选择性地引起正常细胞自噬，利用自噬对损伤应激细胞的保护作用，帮助受牵连的正常细胞度过难关，探索精准辐射防护新策略。

放射治疗过程中，肿瘤的杀伤效果与周边正常组织的保护作用一直以来都像是“硬币的正反面”：要想提高肿瘤细胞的杀伤效果，必须增大辐射剂量，与此同时，正常组织会不可避免的受牵连而被破坏；要想尽量降低正常组织的辐射损伤，减小辐射剂量，则很难将肿瘤细胞“大本营”一举歼灭，留下二次复发的隐患。因此，急需探寻合理的精准辐射防护策略或者研发有效的靶向性辐射防护药物，在既不降低辐照剂量、不减弱肿瘤治疗效果的前提下，又能够对正常组织发挥辐射保护作用。但迄今为止，仍未有一个有效的辐射防护药物投入市场，也未见一个精准防护方案适用于临床，究其主要原因还是很难做到对正常细胞与肿瘤细胞的区别化治疗。. 本项目研究发现，在对正常细胞放射线辐照之前，给予细胞亲脂性阳离子型试剂MitoQ处理，利用MitoQ替换质子构建线粒体假膜电势的特性，能够有效抑制线粒体能量代谢、减少 ATP合成，引起正常细胞饥饿，诱导自噬。此时，自噬联合射线辐照能够有效降解损伤的生物分子，缓解正常细胞电离辐射损伤应激，帮助受损细胞度过难关，发挥辐射防护作用。然而，由于恶性肿瘤细胞能量代谢方式重编程，ATP主要来源于糖酵解，MitoQ虽能富集到肿瘤细胞线粒体，但不会对ATP产量产生较大影响，因此不会诱导自噬发生。最终，通过构建线粒体假膜电势选择性地引起正常细胞自噬、发挥了辐射保护作用，而对肿瘤细胞无效。. 本研究从正常细胞与肿瘤细胞能量代谢方式差异入手：一方面，证明在辐射引起细胞损伤这种极端情况下，自噬对电离损伤的清除效果以及发挥辐射防护的潜能；另一方面，将线粒体假膜电势、选择性细胞自噬和能量代谢方式差异三者完美结合，揭示一条全新的精准辐射保护途径，这也是“线粒体假膜电势”由学术理论走向应用研究迈出的第一步。