Mới đây, các nhà khoa học đã công bố nghiên cứu về liều lượng bức xạ hấp thụ. Nghiên cứu này khám phá các dấu ấn sinh học trao đổi chất trong dịch sinh học (nước tiểu và huyết thanh) của chuột đực và cái sau khi tiếp xúc với bức xạ ion hóa (IR), mô phỏng kịch bản thực tế từ một thiết bị hạt nhân tự chế (IND) bao gồm việc che chắn một phần cơ thể. Phơi nhiễm toàn thân (TBI) ở liều 0, 4 và 8 Gy, và một phần cơ thể (PBI) ở liều 8 Gy với suất liều rất cao (VHDR) từ 5–10 Gy/s. Nghiên cứu sử dụng phương pháp trao đổi chất không mục tiêu (untargeted metabolomics) dựa trên việc thu thập dữ liệu độc lập.
Nguy cơ xảy ra các tình huống khẩn cấp hạt nhân ảnh hưởng đến bộ phận lớn dân số thế giới hiện nay tồn tại từ cả các mối đe dọa khủng bố và các sự cố hạt nhân, điều này đòi hỏi việc phát triển và hoàn thiện các biện pháp đối phó y tế về bức xạ và định liều sinh học. Tại Hoa Kỳ, nhiệm vụ phát triển chương trình thúc đẩy nghiên cứu trong lĩnh vực này đã được giao cho Viện Dị ứng và Bệnh Truyền nhiễm Quốc gia (NIAID) từ năm 2004. Một trong những lĩnh vực chính được nhấn mạnh là phát triển các dấu ấn sinh học bức xạ, xác định liều lượng chính xác và định liều sinh học dự đoán cho việc phân loại và quản lý y tế trong các tình huống khẩn cấp hạt nhân, chẳng hạn như từ một thiết bị hạt nhân tự chế (IND). Phép đo phổ khối phân giải cao đã trở thành công cụ không thể thiếu cho cách tiếp cận này nhờ khả năng định lượng nhanh chóng các chất chuyển hóa (metabolomics) và protein (proteomics), những chất có thể bị tổn thương bởi các gốc tự do được tạo ra từ các hiệu ứng gián tiếp của phơi nhiễm bức xạ ion hóa (IR) và dẫn đến sự thay đổi các con đường trao đổi chất ngoài các hiệu ứng trực tiếp. Tuy nhiên, các thí nghiệm cần được thiết kế cẩn thận liên quan đến việc lựa chọn các mô hình động vật phù hợp và tái hiện lại các kịch bản khẩn cấp hạt nhân thực tế để hỗ trợ việc khám phá dấu ấn sinh học. Nhóm các nhà khoa học Mỹ đã phát triển các hệ thống chiếu xạ mới có khả năng mô phỏng các tốc độ liều khác nhau (từ tốc độ liều thấp của bụi phóng xạ hạt nhân đến tốc độ liều rất cao [VHDR] từ vụ nổ hạt nhân) và phơi nhiễm neutron trong các mô hình chuột để làm sáng tỏ sự phơi nhiễm từ thiết bị hạt nhân tự chế có thể ảnh hưởng đến các bộ dấu ấn sinh học. Ngoài suất liều và phơi nhiễm hỗn hợp neutron + photon, các mô khác nhau có mức độ nhạy cảm với bức xạ khác nhau và các ảnh hưởng của việc che chắn đối với định liều sinh học bức xạ.
Mặc dù tài liệu về nghiên cứu chiếu xạ một phần cơ thể (PBI) trên các mô hình động vật phổ biến hơn (10,11) là quá rộng để đề cập ở đây, một loạt các công trình gần đây đã phác thảo một cách toàn diện diễn biến tự nhiên của tổn thương bức xạ trong mô hình chuột Wistar với khoảng 5% tủy xương (BM) được che chắn (12) và các hiệu ứng chậm của phơi nhiễm bức xạ trong mô hình chuột C57L/J với khoảng 2.5% BM được che chắn. (13) Diễn biến tổng thể của tổn thương bức xạ dưới dạng hội chứng tạo máu và đường tiêu hóa cùng với các hiệu ứng chậm tương tự như đã được mô tả trước đây ở các mô hình này, với khả năng kháng hội chứng bức xạ cấp tính (ARS) cao hơn được quan sát thấy ở chuột C57L/J. Về mặt metabolomics, tương đối ít nghiên cứu đã sử dụng phơi nhiễm PBI, và trong số đó, nhiều sơ đồ chiếu xạ khác nhau đã được sử dụng trong các mô hình chuột, từ chiếu xạ sọ (14), phổi (15) (hoặc phần trên cơ thể) (16), bụng (hoặc phần dưới cơ thể) (17,18), hoặc gan (19). Các mô hình khác bao gồm NHPs (20,21) và chuột cống (22,23), với hầu hết các nghiên cứu đo lường các điểm cuối trong mô hoặc huyết tương. Trong các nghiên cứu sử dụng PBI và hữu ích cho định liều sinh học trong thảm họa hạt nhân, các điểm cuối trong khoảng từ 1 đến 7 ngày (d) được coi là thực tế cho việc đo lường liều lượng xác định. Việc xác định các cá nhân cần chăm sóc y tế vào ngày thứ nhất sẽ là lý tưởng, nhưng thực tế trong các tình huống khẩn cấp, sẽ mất nhiều thời gian hơn để các cá nhân đến được các cơ sở xét nghiệm và xử lý mẫu. Vào ngày thứ nhất, các chất chuyển hóa trong nước tiểu tương ứng với taurine, năng lượng (các chất trung gian của chu trình tricarboxylic [TCA]), và chuyển hóa vi sinh vật (chuyển hóa tryptophan) đã được chứng minh có những thay đổi tương tự giữa chuột C57BL/6 tiếp xúc với chiếu xạ toàn thân (TBI) và PBI (ngực, chi sau và bụng), cho thấy khả năng hữu ích của chúng cho định liều sinh học. (24) Vào ngày thứ 4, một số chất chuyển hóa trong huyết thanh đã thay đổi đáng kể ở chuột cống so với động vật đối chứng sau khi chiếu xạ bụng; tuy nhiên, do không có so sánh với TBI nên việc giải thích cho định liều sinh học bị hạn chế. (22) Hồ sơ chất chuyển hóa cũng có thể được ngoại suy đến các thời điểm một đến vài tháng để hỗ trợ các dấu ấn sinh học của các hiệu ứng chậm của phơi nhiễm bức xạ cấp tính (DEARE), chẳng hạn như tổn thương tim. (16) Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tính hữu ích của metabolomics trong việc bao quát cả hai kịch bản TBI và PBI cho định liều sinh học, chúng đã bị giới hạn trong các tốc độ liều thông thường có sẵn từ các thiết bị thương mại. Cần có thêm nghiên cứu để tái hiện lại các kịch bản phơi nhiễm thực tế gặp phải trong các tình huống khẩn cấp hạt nhân tiềm ẩn.
Nghiên cứu này mở rộng của các cuộc điều tra về hiệu quả của các dấu ấn sinh học trao đổi chất trong dịch sinh học trên các kịch bản phơi nhiễm thực tế. Các nghiên cứu trước đây đã khám phá tác động của phơi nhiễm neutron và suất liều, nghiên cứu này so sánh mức độ chất chuyển hóa trong nước tiểu và huyết thanh từ chuột đực và chuột cái C57BL/6 sau khi chiếu xạ (sham irradiation), TBI ở liều 4 hoặc 8 Gy, và chiếu xạ phần trên cơ thể (UBI) và chiếu xạ phần dưới cơ thể (LBI) với liều 8 Gy sử dụng VHDR. Dự đoán rằng mặc dù một số phản ứng với tổn thương bức xạ sẽ đặc trưng cho các yếu tố như giới tính hoặc loại phơi nhiễm, sẽ có những chất chuyển hóa thay đổi phổ biến bất kể các yếu tố này. Khi được làm sáng tỏ, các chất chuyển hóa này có thể được tinh chỉnh thành các bảng ghép kênh để hỗ trợ định liều sinh học thông lượng cao. Đây là nghiên cứu đầu tiên xác định metabolomics dịch sinh học trong mô hình PBI mô phỏng VHDR từ phơi nhiễm IND thực tế.
Nghiên cứu này phân tích sự thay đổi của các chất chuyển hóa trong nước tiểu của chuột sau khi tiếp xúc với bức xạ ở các mức độ khác nhau. Sử dụng 50 đặc điểm phổ hàng đầu trong hai chế độ ESI+ và ESI–, kết quả cho thấy chuột TBI (8 Gy) có sự thay đổi lớn hơn so với chuột TBI (4 Gy), điều này hoàn toàn hợp lý. Chuột PBI có mức độ xáo trộn thấp hơn so với TBI, trong khi chuột UBI có mức thay đổi tăng lên so với LBI, phản ánh sự phơi nhiễm của các cơ quan nhạy cảm như phổi, tim và hệ thần kinh trung ương. Thuật toán Random Forests và biểu đồ MDS giúp xếp hạng và hình dung sự phân bố dữ liệu của hàng nghìn đặc điểm phổ. Khi phân tích chung cả hai giới, độ chính xác phân loại đạt 65.8%, nhưng khi tách riêng giới tính, chuột đực đạt độ chính xác 100%, chuột cái đạt 79.6%. Điều này phản ánh sự phân nhóm không gian rõ rệt giữa các nhóm, với chuột đực TBI (8 Gy) và UBI nhóm lại với nhau, trong khi chuột LBI gần với nhóm đối chứng. Điểm đáng chú ý là sự khác biệt giới tính rõ ràng hơn ở mức PBI, nhưng ở liều TBI cao hơn (8 Gy), sự khác biệt này ít biểu hiện hơn. Các nghiên cứu trước đó cũng đã chỉ ra rằng chuột đực thường nhạy cảm với bức xạ hơn chuột cái, với tỷ lệ tử vong do ARS cao hơn ở liều thấp hơn. Tỷ lệ mắc bệnh do DEARE sau 180 ngày được báo cáo là tương đương giữa cả hai giới ở mức ≥8 Gy.
Nghiên cứu xác định bảy chất chuyển hóa trong nước tiểu có ý nghĩa thống kê, bất kể phương pháp che chắn bức xạ. Trong số đó, adenosine, uridine và methyladenosine có liên quan đến tổn thương DNA, cho thấy tiềm năng sử dụng trong định liều sinh học bức xạ. Hex–V-I, một hợp chất gồm hexosamine và dipeptide valine-isoleucine, có sự thay đổi gấp cao sau chiếu xạ, khiến nó trở thành một ứng viên đầy hứa hẹn cho định liều sinh học. Ngoài ra, một số chất chuyển hóa như axit malic và citric giảm đáng kể sau TBI nhưng ít thay đổi sau PBI hoặc UBI, phản ánh rối loạn chức năng ty thể do bức xạ gây ra. Creatinine và methylnicotinamide có sự thay đổi mạnh sau LBI, cho thấy tổn thương mô thận và ruột. Trong khi đó, các chất chuyển hóa phổ biến như creatine và carnitine không thay đổi đáng kể sau LBI, nhưng có thể liên quan đến rối loạn chuyển hóa năng lượng sau phơi nhiễm.
Bảng chất chuyển hóa bao gồm TML, carnitine, Hex–V-I, taurine và creatine đã chứng minh độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong việc phân biệt các nhóm bị phơi nhiễm bức xạ. Nghiên cứu cũng xác định sự khác biệt về mức axit amin như arginine, lysine, methionine và tyrosine giữa các nhóm bị chiếu xạ, cũng như dấu ấn sinh học đặc trưng của PBI trong huyết thanh. Các phát hiện này nhấn mạnh tiềm năng của nước tiểu như một dịch sinh học dễ tiếp cận để đánh giá tác động của bức xạ. Bảy chất chuyển hóa trong nước tiểu đã được xác nhận có ý nghĩa thống kê bất kể loại che chắn. Trong số này, adenosine đã được xác định trong một nghiên cứu trên nước tiểu chuột C57BL/6 sau TBI 5 Gy (được xác định bởi nhóm OPLS-DA VIP), nhưng nó không phải là chất chuyển hóa điển hình được xác định sau phơi nhiễm IR. Cả uridine và methyladenosine cũng tăng đáng kể vào ngày thứ nhất và thứ hai sau phơi nhiễm VHDR 8 Gy trong một nghiên cứu trước đây kiểm tra tốc độ liều biến đổi trên nồng độ chất chuyển hóa dịch sinh học. Những kết quả này hỗ trợ việc đưa các dẫn xuất purine và pyrimidine vào các xét nghiệm định liều sinh học.
Một thí nghiệm trước đây kiểm tra phơi nhiễm IR tốc độ liều thấp biến đổi mô phỏng bụi phóng xạ hạt nhân đã tiết lộ đặc điểm phổ trong nước tiểu với sự thay đổi gấp tới 150 lần ở chuột bị chiếu xạ tại các thời điểm sớm (<1 tuần). Thông qua việc làm sáng tỏ phổ MS song song, cấu trúc bao gồm một hexosamine với một dipeptide valine-isoleucine (Hex–V-I) đã được xác nhận là nhận dạng MSI cấp 1 với việc tổng hợp một tiêu chuẩn hóa học, và sau đó được xác nhận trên các nhóm chuột riêng biệt. Tương tác mô hình hỗn hợp cho thấy các hiệu ứng tương tác đáng kể giữa hệ vi sinh vật, liều lượng và thời gian sau chiếu xạ đối với mức độ Hex–V-I trong nước tiểu ngoài carnitine và creatine. Axit malic là một chất trung gian trong chu trình TCA thường được tìm thấy ở mức độ giảm đáng kể trong nước tiểu cùng với các chất trung gian khác sau chiếu xạ, điều này có thể cho thấy rối loạn chức năng năng lượng ty thể do IR gây ra.
Các xét nghiệm định liều sinh học thông lượng cao và các biện pháp đối phó bức xạ là cần thiết ở nhiều cấp độ, từ các thiết bị chăm sóc tại chỗ nhanh chóng có thể được sử dụng tại hiện trường đến các phương pháp dựa trên phòng thí nghiệm tự động hóa cao để sàng lọc hàng nghìn cá nhân trong tuần đầu tiên sau trường hợp khẩn cấp hạt nhân. Do phơi nhiễm bức xạ ảnh hưởng đến nhiều con đường trao đổi chất, MS phân giải cao đã trở thành công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực nghiên cứu dấu ấn sinh học bức xạ, vì nó có thể nhanh chóng xác định sự nhiễu loạn proteomic và metabolomic. Tuy nhiên, tổn thương phóng xạ từ phơi nhiễm IND là một kịch bản đa diện có thể bao gồm tốc độ liều biến đổi và phơi nhiễm hỗn hợp neutron + photon, ngoài ra còn có che chắn một phần và các tổn thương khác, chẳng hạn như chấn thương. Trước đây, đã thiết kế các hệ thống chiếu xạ mới có thể sử dụng mô hình chuột để tái lập các phơi nhiễm phóng xạ phức tạp để thử nghiệm các xét nghiệm dựa trên MS. Các chất chuyển hóa trong nước tiểu (TML, carnitine, propionylcarnitine, Hex–V-I, taurine và creatine) thường bị nhiễu loạn do phơi nhiễm bức xạ có thể được kết hợp để xác định các cá nhân bị chiếu xạ sau 1–2 ngày sau chiếu xạ từ phơi nhiễm VHDR và loại bụi phóng xạ hạt nhân.
Từ khóa: che chắn; bức xạ;
– CMD –
