ICRP 第148 号出版物《参考动物和植物的辐射权重》内容简介及中国学者的贡献

刘玉龙 王冰 崔凤梅

1 苏州大学附属第二医院肿瘤职业病科，苏州 215004；2 日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构，放射线医学研究所，千叶 263-8555；3 苏州大学苏州医学院放射医学与防护学院，放射医学与辐射防护国家重点实验室，苏州 215123

国 际 放 射 防 护 委 员 会（International Commission on Radiological Protection， ICRP） 第148 号 出 版 物（ ICRP Publication 148:Radiation Weighting for Reference Animals and Plants）[1]于2021 年正式发布，其授权的中文译本《参考动物和植物的辐射权重》[2]也于2023 年4 月由中国原子能出版社出版。该出版物的要点有以下5 个部分：（1）综述了相对生物效能（relative biological effectiveness，RBE）的研究数据，如低能氚β 粒子和α 粒子的RBE 值。（2）物种间的RBE值没有显示明显的差异，与X 射线和γ 射线相比，氚β 粒子的RBE 值分别为1.5～2 和2～2.5。通常α 粒子的RBE 值更高，约为10。（3）出于辐射防护目的，根据现有知识，将生物种群吸收剂量的RBE 权重因子指定为所有参考动物和植物（reference animals and plants，RAPs）的单一值，以适用于所有与种群相关的生物终点。（4）RBE 对RAPs 的RBE权重因子吸收剂量率应采用所有低传能线密度（linear energy transfer，LET）的值为1 的射线和LET 的值为10 的α 粒子计算，以便与导出考虑参考水平（derived consideration reference level，DCRL）进行比较。（5）如果暴露于氚β 粒子或其他低能量、低LET 辐射的剂量在 DCRL 范围内或接近DCRL，则可能需要进行额外审查并修改RBE 权重因子。ICRP 第148 号出版物收集了1957～2021 年64 年间世界各国有关氚β 粒子所致生物效应RBE值的研究成果，其中降低生殖功能率的RBE 值等资料均来自中国学者的贡献。该出版物涵盖内容丰富，本文作者在获得ICRP 授权后，组织该领域的学者将其翻译成了中文。本文重点介绍低能氚β 粒子对不同生物终点影响的RBE 值。

1 ICRP 第148 号出版物的主要组成部分及氚相关内容的概括性介绍

ICRP 第148 号出版物的主要组成部分包括总论、氚β 粒子的RBE 值、α 粒子的RBE 值、总体结论和建议、参考文献、3 个附录、词汇表及致谢。ICRP 第148 号出版物指出，RBE 值是产生相同水平效应的辐射和低LET 参考射线的剂量比值，其是通过实验确定的。在包括人类和动物细胞系在内的体外实验以及动物体内实验中，研究者对各种生物终点的RBE 值进行测量，得出生物效能的大小不仅取决于辐射的剂量、类型和能量，还取决于剂量率，最重要的是取决于被研究的生物终点的结论。将上述结论应用于人类的辐射防护，需要对RBE 数据进行汇总与分析。尽管人类辐射防护的重点是避免确定性效应和限制随机性效应（癌症或遗传）的发生，但对生物种群的辐射防护主要侧重于与生物种群生存能力相关的终点。ICRP 第148 号出版物综合报道了低能氚β 粒子对不同生物终点影响的RBE值。与X 射线相比，氚β 粒子的RBE 值为1.5～2；与γ 射线相比，氚β 粒子的RBE 值为2～2.5。鉴于辐射防护目的，建议使用RBE加权吸收剂量，所有受低LET 辐射照射生物种群的RBE 权重因子为1。然而，如果估算暴露于氚β 粒子或其他低能量、低LET 辐射的剂量在DCRL 范围内或接近DCRL，则可能需要采用更高的RBE 值进行相应的评估。

氚原子核包含1 个质子和2 个中子，其通过发射β 粒子进行衰变，物理半衰期为12.3 年，β 粒子在空气中的传播距离约为6.0 mm，无法穿透皮肤的角质层。因此，与氚相关的主要危害是氚进入生物体内（食入、吸入和通过皮肤吸收）并在生物体内释放β 粒子。在活的生物组织中，氚β 粒子的传播距离仅约6 μm（典型动物细胞的直径为10～20 μm，细胞核的直径为6～15 μm；植物细胞的直径为10～100 μm），由于氚β 粒子初始能量低且射程短，因此发射的β 粒子产生的平均电离密度高于高能量β 粒子或光子产生的电离密度； LET 也是前者高于后者。

氚作为氚水在环境中最常见，其具有与水相同的化学性质，一旦进入生物体内，它就会迅速与生物体内的水分达到平衡，并均匀分布在所有软组织中。有机结合氚（organically bound tritium，OBT）是指氚结合到碳水化合物、脂肪或蛋白质等有机分子中的一种形式，包括可交换和不可交换OBT。当氚原子与氧、硫、氮或磷原子发生键合时，氚很容易与水中的氢交换，因此被认为是可交换OBT。OBT 中的可交换氚表现出与氚水相似的动力学行为。当氚原子与有机分子中的碳原子键合时，只能通过酶反应释放，被认为是不可交换OBT。OBT 中只有不可交换态氚才表现出有关OBT 分子的动力学特征及其在生物体内组织中的循环。在有机分子的合成过程中，少部分OBT 被非交换性地掺入其中（成为不可交换OBT）。氚也可以作为食物中的OBT 被动物摄入。氚在成年人体内的生物半排期（核素在机体中的总量减少到一半时所需的时间）：可交换性氚水为10 d，不可交换性OBT 为40 d[3]。ICRP 的一系列出版物建立了不同年龄阶段人体的生物动力学和剂量学模型，并用于计算氚水、OBT 和氚化气体摄入量系数[3-7]。当氚掺入DNA 中，如氚标记的胸腺嘧啶核苷（3H-thymidine，3H-TdR），细胞接受的β 粒子的辐射剂量将取决于其分裂周期的长短，增殖速率较大的细胞结合3H-TdR 的概率更大，但它们也会更迅速地清除3H-TdR；增殖速率较小的细胞结合3H-TdR 的概率会小得多，但其滞留时间较长。源自OBT的β 粒子辐射剂量的估算比氚水的剂量的估算具有更多的不确定性[8-9]。

2 氚β 粒子RBE 相关内容的详细介绍

2008 年的ICRP 出版物将氚β 粒子RBE 值的生物终点分为早期死亡率、生殖功能率、发病率、染色体损伤或基因突变，其中只有前3 个生物终点被认为与生存能力有关[10]。

2.1 以早期死亡率为生物终点的RBE 值

Yamada 等[11]研究了氚β 粒子和γ 射线外照射对小鼠胚胎[BC3F1（C3H/C57BL）]存活率的影响。他们首先对原核期和两细胞期小鼠胚胎进行体外培养，在培养液中加入氚水，使其剂量率为0.2～4.1 Gy/d（3 d 后累积剂量为0.6～16.3 Gy）；然后，以60Co γ 射线作为参考射线，剂量率为0.48 Gy/d（3 d后累积剂量为19.2 Gy），根据LD50值（杀死半数受试群体所需的剂量）计算RBE 值，原核期、早期两细胞期和晚期两细胞期胚胎的RBE 值分别为1.0、1.7 和1.3。

总之，所有估算氚β 粒子RBE 值的相关研究都使用氚水作为辐射源，研究对象为BC3F1 小鼠胚胎和CF1 成年小鼠，每项类似的研究都采用高剂量率和高累积剂量的慢性照射，提高死亡率的RBE 值为1.0～1.7。

2.2 以降低生殖功能率为生物终点的RBE 值

有研究者使用250 kVp 的X 射线作为参考射线，研究了氚β 粒子对成年小鼠（CBA/H）睾丸质量的影响。小鼠单次腹腔注射氚水（剂量率为0.14～0.43 Gy/d，累积剂量为1.43～4.34 Gy），10 d 后测定睾丸质量；X 射线持续照射10 d（剂量率为0.13～0.33 Gy/d，累积剂量为1.33～3.36 Gy），照射结束后测定睾丸质量。结果显示，小鼠睾丸质量降低的RBE 值为1.07～1.40[12]。

Carr 和Nolan[13]研究了氚水和3H-TdR 对成年小鼠（CBA/H）睾丸质量的影响，并将这些影响与60Co γ 射线产生的影响进行了比较。他们采用γ 射线分割照射15 次，以模拟氚暴露（总剂量为0.578 Gy）。成年小鼠单次腹腔注射氚水或3H-TdR，平均累积剂量分别为0.145～0.58 Gy 和0.03～0.50 Gy。每个实验组小鼠在照射开始后24 周测定睾丸质量。根据相应的剂量-反应曲线的斜率计算氚β 粒子的RBE 值（积分分数质量损失作为计算照射后10 周睾丸内平均吸收剂量的函数），并获得氚水的RBE 值为1.43±0.19，3H-TdR 的RBE 值为2.07±0.25。值得注意的是，研究中只使用了单一剂量的60Co γ 射线，因此研究得出的RBE 值仅适用于该剂量。

Lambert[14]研究了氚β 粒子（氚水和3H-TdR）与X 射线相比杀死成年小鼠（DBA2）静息初级精母细胞的RBE 值。一组小鼠单次腹腔注射氚水，剂量率为0.04～0.06 Gy/d（累 积 剂 量 为0.05～0.12 Gy）；3H-TdR 的 剂 量 率 为0.06～0.11 Gy/d （累积剂量为0.084～0.19 Gy）。同时，另一组小鼠在0.02 ～0.16 Gy/d 的剂量率范围内，以递减剂量率的X 射线慢性照射72 h（累积剂量为0.05～0.50 Gy）。在氚注射（氚水或3H-TdR）或X 射线照射后19、72 h，对小鼠静息初级精母细胞的RBE 值进行定量，氚β 粒子的RBE 值分别为2.3和2.4，而3H-TdR 的RBE 值分别为1.3 和1.6。

Zhou 等[15]研究了氚β 粒子和γ 射线对幼年小鼠（LACA系）初级卵母细胞和精原细胞存活率的影响。研究者采用2 种不同的方法处理小鼠：（1）单次腹腔注射氚水（指数递减剂量率）；（2）单次腹腔注射氚水后，在小鼠饮水中氚给药（恒定剂量率）。上述细胞10 d 内从氚水β 粒子中接受的累积剂量为0.2～1.0 Gy。另一组小鼠用60Co γ 射线以指数递减剂量率或恒定剂量率连续照射10 d（累积剂量为0.7～2.8 Gy）。在剂量率呈指数下降的情况下，根据剂量-反应曲线的斜率计算出氚β 粒子的RBE 值，初级卵母细胞存活率的RBE 值为1.4～2.0，精原细胞存活率的RBE 值为2.1～2.8。辐射以恒定剂量率进行时，初级卵母细胞存活的RBE 值为1.65，精原细胞存活的RBE 值为2.3～2.5。

Dobson 和Kwan[16]将60Co γ 射线作为参考射线，计算氚β 粒子的RBE 值，研究了氚对降低瑞士-Webster 小鼠初级卵母细胞存活率的影响。一组小鼠以2.20～19.80 mGy/d的剂量率（累积剂量为0.07～0.65 Gy）暴露于氚水中（暴露33 d，从受孕至出生后14 d）。另一组小鼠以10.08～31.92 mGy/d的剂量率（累积剂量为0.33～1.05 Gy）的60Co γ 射线慢性照射（照射33 d，从受孕至出生后14 d）。在出生后14 d，对每个实验组小鼠的雌性后代进行初级卵母细胞数量的量化。氚β 粒子的RBE 值随剂量的减小而增大，在参考60Co γ 射线剂量为0.4、 0.2 Gy 时，RBE 值分别为1.8、2.5。此后，Dobson 和Kwan[17]发表了一份更完整的后续研究报告。他们使用相同的实验动物（非近交的瑞士-Webster 小鼠）和方法（从小鼠受孕到出生后14 d，接触氚水或60Co γ 射线33 d），但剂量率不同。氚水的剂量率为24.96～51.52 mGy/d（累积剂量为0.57～0.83 Gy），60Co γ 射线的剂量率为8.0～38.0 mGy/d（累积剂量为0.26～1.25 Gy）。经估算，在低辐射剂量条件下，卵母细胞存活的氚β 粒子的RBE 值为2.5。

Satow 等[18]研究了氚β 粒子对小鼠卵母细胞存活率影响的RBE 值。他们给予14 日龄幼鼠（ICR）单次腹腔注射氚水（累积剂量为0.04～0.25 Gy，连续14 d）或137Cs γ 射线以逐渐降低的剂量率慢性照射以模拟氚水暴露（剂量率为0.03～0.09 Gy/d，连续14 d，累积剂量为0.06～0.2 Gy）。由单靶模型的生存曲线计算得到氚β 粒子的RBE 值为1.1～3.5。这与文献[16-17]报道一致，即RBE 值随氚β 粒子剂量的减少而增加；但在低剂量（0.04 Gy）时RBE 值最高，为3.5[18]。

Satow 等[19]研究了氚β 粒子和137Cs γ 射线对成熟大鼠（Donryu）的致畸作用。在实验中，注入组大鼠于妊娠第8 天或第9 天单次腹腔注射氚水（剂量率为0.14～1.06 Gy/d，累积剂量为1.75～6.80 Gy）。对照组大鼠于妊娠第9～18 d 接受137Cs γ 射线慢性照射（剂量率与氚水相同，累积剂量为1.75～6.80 Gy）。计算并统计2 组大鼠胎儿存活的百分比和胎儿畸形的发生频率。氚β 粒子注入组中产生50%和20%异常的RBE 值分别为1.8 和2.4。50%和20%存活胎儿产生异常的RBE 值分别为2.0 和2.6。

Zhou 等[20]研究了氚β 粒子和γ 射线对成年雌性小鼠（LACA）卵母细胞显性致死突变频率的影响。一组小鼠单次腹腔注射氚水（累积剂量为39～912 mGy）。另一组小鼠用60Co γ 射线以逐渐降低的剂量率慢性照射10 d（累积剂量为0.53～2.70 Gy）。照射后21 d，雌性小鼠与未照射的雄性小鼠交配，交配后再饲养18 d，检查雌性小鼠卵巢中的黄体数量、活胚胎数以及早期和晚期胚胎死亡数，以估计诱发显性致死突变频率的剂量，最终由剂量-反应曲线斜率计算得到氚β 粒子的RBE 值为2.5。

此后，Zhou 等[15]进行了一项更完整的研究，分析了氚β 粒子和γ 射线对幼年小鼠的遗传效应（卵母细胞、精母细胞的显性致死突变，精原细胞的显性致死突变）。一组小鼠单次腹腔注射氚水，剂量率呈指数递减，氚β 粒子10 d 的累积剂量为0.2～1.0 Gy。另一组小鼠用60Co γ 射线以指数递减或恒定剂量率慢性照射10 d，累积剂量为0.7～2.8 Gy。根据剂量-反应曲线斜率计算氚β 粒子的RBE 值，卵母细胞显性致死突变的RBE 值为2.8～3.4，精原细胞显性致死突变的RBE 值为3.5～3.9，精母细胞显性致死突变的RBE 值为1.6～3.9。

综上，大多数关于降低生殖功能率的氚β 粒子RBE 值研究的对象均为小型哺乳动物，研究人员分析了与降低生殖功能有关的几个生物终点：生殖能力和性能、睾丸质量减轻、生殖细胞（雌性和雄性）存活和显性致死突变。

绝大多数关于降低生殖功能率的氚β 粒子的RBE 值研究都使用γ 射线作为参考射线。在所有研究中，氚和参考射线均以2～1 700 mGy/d 的剂量率长期照射。降低生殖功能率的氚β 粒子（氚作为氚水或3H-TdR 进入体内）的RBE 值为1.0～3.9。23 个氚β 粒子的RBE 值中只有5 个大于3.0。

2.3 以发病率为生物终点的RBE 值

有研究者估算了氚β 粒子在大鼠和小鼠体内诱发癌症的RBE 值。Gragtmans 等[21]研究了氚β 粒子和X 射线对诱导雌性大鼠（Sprague Dawley）乳腺肿瘤的影响。他们给大鼠腹腔注射氚水（间隔2 d 注射1 次，共注射4 次），以维持恒定剂量率（累积剂量为0.49～4.10 Gy）。通过剂量-反应曲线的初始斜率（最佳拟合线性关系）计算氚β 粒子的RBE 值。在接触氚水所有剂量的大鼠中，每100 只大鼠累积乳腺肿瘤发病率对应的RBE 值为1.02±0.13；当排除最高剂量3.85 Gy 时，RBE 值为1.17±0.18。

Johnson 等[22]研究了氚β 粒子和X 射线诱导小鼠（CBA/H）髓系白血病的效能。一组小鼠单次腹腔注射氚水（累积剂量为0.85～3.04 Gy）。另一组小鼠用150～200 kVp 的X 射线慢性照射10 d，剂量率为0.24～0.72 Gy/d（累积剂量为1.06～2.64 Gy）。计算氚β 粒子的RBE 值时，考虑到每1 万只处于风险中的小鼠发生髓系白血病的剂量反应的不同拟合度，其RBE 值为1.1～1.24，最佳RBE 值为1.2±0.3。

Seyama 等[23]研究了氚β 粒子和137Cs γ 射线对成年雌性小鼠（C57BL/6N 和BCF1）不同器官肿瘤发生发展的影响。一组小鼠单次腹腔注射氚水（累积剂量为0.27 Gy 或2.7 Gy）。另一组小鼠接受137Cs γ 射线慢性照射（累积剂量为0.27 Gy或2.7 Gy，剂量率分别为0.08 Gy/d 和0.76 Gy/d）。根据2.7 Gy照射后500 d 的肿瘤发病率计算，氚β 粒子的RBE 值为2.5。

总之，在小型哺乳动物系统中，无论是在体内（小鼠和大鼠）还是在体外（转化细胞系，如小鼠淋巴细胞白血病、细胞系L5178Y 或中国仓鼠V79B）研究氚水的氚β 粒子照射产生致病效应的RBE 值，均选用137Cs、60Co 或226Ra γ 射线作为参考射线。在RBE 值研究中，分析了与发病率相关的几个终点：诱导的乳腺肿瘤、髓系白血病、实验动物组织损伤（如脾脏和胸腺萎缩）、降结肠和肠细胞存活率、59Fe 摄取抑制和转化细胞系中的细胞存活率。综上，用氚水处理时，大多数氚β 粒子产生致病效应的RBE 值为1.0～2.5。当选用细胞系研究生物终点时，估算的RBE 值为1.7～4.4，具体RBE 值取决于研究中的温度、照射细胞系的时间和选用的细胞类型。

2.4 以染色体损伤或基因突变为生物终点的RBE 值

Kozlowski 等[24]评估了氚β 粒子和X 射线诱导小鼠骨髓细胞染色体畸变的情况。一组小鼠从受孕后第1 天到第20 天分娩期间给予氚水或氚化水芹，估算孕期累积剂量分别为0.6 Gy 和0.3 Gy。分娩后4 周内，氚水和氚化水芹组小鼠的总氚累积剂量均为0.1 Gy。另一组小鼠于妊娠第7 天或第14 天用250 kVp 的X 射线急性照射，总剂量为0.5 Gy。分别对氚水、氚化水芹组和X 射线照射组小鼠的母代及其子代的骨髓染色体畸变进行定量分析。他们没有准确计算氚β 粒子的RBE 值，其估算RBE 值为1.0～2.0。

Zhou 等[15]以诱导小鼠精母细胞染色体畸变为生物终点研究了氚β 粒子的RBE 值。一组小鼠单次腹腔注射氚水，然后在饮用水中加入氚以保持剂量率恒定，β 射线的累积剂量为0.2～1.0 Gy（剂量率为0.005～0.05 Gy/d）。另一组小鼠以恒定剂量率的60Co γ 射线慢性照射10 d，累积剂量为0.43～2.04 Gy（剂量率为0.04～0.20 mGy/d），计算得出RBE 值为2.9～3.8。

Tanaka 等[25]研究了以人外周血淋巴细胞和骨髓细胞染色体畸变为生物终点的氚β 粒子的RBE 值。他们在室温下用氚水处理外周血和骨髓样本，剂量率为4.8 Gy/d，累积剂量为0.13～1.11 Gy；分别以60Co γ 射线（剂量率为28.8 Gy/d，累积剂量为0.25～2.0 Gy）和137Cs γ 射线（剂量率为0.29 Gy/d，累积剂量为2.0 Gy）作为参考射线。当以60Co γ 射线作为参考射线时，引发人外周血淋巴细胞染色体畸变和双着丝点畸变的氚β 粒子的RBE 值分别为2.2～2.7 和2.1～2.3；当以137Cs γ 射线作为参考射线时，引发染色体畸变的RBE 值为2.0。在人类骨髓细胞中，当以60Co γ 射线作为参考射线时，引发染色体畸变和染色单体畸变的RBE 值分别为1.13 和3.10。

3 中国学者贡献的简要介绍

氚的RBE 值变化较大，其与不同组织的辐射敏感性及其对低能氚β 粒子的敏感性有关，随选择参考射线的能量、剂量、剂量率以及生物终点的不同而不同。在任何情况下确定RBE 值时，所有这些因素都需要尽可能保持恒定，但是在比较RBE 值时，很难确定哪个决定因素更重要。

从2021 年ICRP 第148 号出版物[1]介绍的研究氚RBE值的大量成果可以看出，氚是放射毒理学研究领域中很重要的一个组成部分。随着核能的发展，氚生物效应的研究与核聚变反应堆的开发这一重大课题有着密切关系，这是当今它在辐射防护研究中占据重要位置的主要原因。在俄罗斯、美国和日本，氚的研究开始得比较早。我国氚的研究虽然起步相对较晚，但也有40 多年的历史，在氚通过不同途径进入体内的分布、代谢、转移规律及内剂量估算[26-28]、氚对发育中的中枢神经系统的影响及机制探讨[29-38]等诸多方面的研究都有中国学者的贡献。

利益冲突 所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明 刘玉龙负责综述的撰写；王冰、崔凤梅负责综述的修改