本文将从分子水平、细胞水平两个维度出发，概述质子放疗与光子放疗生物学特征的区别。

01

分子水平

（1）活性氧：Zhang等［1］比较了在不同的细胞系以及不同剂量下，质子和光子照射后活性氧（ROS）产生的区别。他们发现接受质子照射后的肿瘤干细胞样细胞会产生更高水平的活性氧。Giedzinski等［2］研究亦得出相同的结论。质子照射产生的活性氧能诱导更强的DNA损伤，这也是质子照射比光子照射具有更高的细胞杀伤效果的原因之一［3］。

（2）复杂性DNA损伤与修复：质子照射诱导DNA损伤的机制类似于光子照射损伤DNA的机制，即能量直接沉积于DNA分子或诱导DNA分子周围水分子的分解［4-5］。DNA损伤主要是碱基损伤［6］和链断裂［5］。链断裂包括单链断裂和双链断裂［5］。双链断裂的修复比较困难，且链断裂的数量与质子照射能量有关，照射能量越低DNA损伤越大［6］。

与光子照射相比，质子照射诱导产生的双链断裂和簇集损伤数量庞大［7］。 即使在相同的情况下，质子照射和光子照射导致的DNA损伤的修复途径也不相同，质子照射导致的DNA损伤的修复途径以同源重组为主［8］，而光子照射以非同源末端连接为主［9］ 。

（3）DNA甲基化：Kim等［10］采用质子束照射乳腺癌细胞系MCF-7和正常细胞系MCF-10A，发现2种细胞系均发生超甲基化改变。Goetz等［11］研究也得出类似的结果。

Kumar等［12］研究发现，光子照射可降低细胞的DNA甲基化水平，导致低甲基化改变。同时，有学者发现基因组的不稳定性与DNA低甲基化水平有关［13］，这可能是光子照射更易导致DNA突变和诱发第二肿瘤的原因之一。

(4) 修复蛋白的表达:质子照射或光子照射均可导致DNA的双链断裂，早期磷酸化组蛋白H2AX（γ-H2AX）的形成标志着DNA损伤修复开始［14］，而且磷酸化组蛋白p53结合蛋白1（53BP1）也是DNA损伤修复的指标之一［15］。有研究采用质子照射不同细胞系0.5h后，分别在扩展的Bragg峰的不同位置检测γ-H2AX的数量，发现并无明显差异，但24h后在扩展的Bragg峰远侧端检测到更多的γ-H2AX［14］。有研究发现，与低LET辐射相比，高LET辐射会增加 γ-H2AX的数量［16］。近期的研究结果表明，与光子照射相比，质子照射检测到的γ-H2AX数量不仅明显增多，而且γ-H2AX形成的焦点也更大［17-18］。这说明质子照射致DNA损伤的能力高于光子照射。

02

细胞水平

（1）细胞凋亡：Pietro等［19］采用质子与光子分别照射不同的细胞系，发现质子照射导致更高水平的细胞凋亡，且凋亡细胞比率与照射剂量和照射后的观察时间均有明显的相关性。Gerechiuun等［18］也得到类似结论。在细胞凋亡的过程中，可观察到mRNAs在质子照射后的表达明显增加［19］。PC3细胞在质子照射后ATM、 p73、 p21、 SOD2 以及 Bcl-2/ Bax-α等mRNA表达明显增高；而在光子照射后Bax-α、ATM、Bcl-2以及Bcl-2／Bax-α等mRNA表达明显增高。进一步的研究结果证实，质子照射后p38、JNK和 MAP等蛋白呈高表达［20］，而光子照射后ERK蛋白呈高表达［21］。

综合上述文献，葛玉龙,涂文志等人发现质子照射与光子照射后细胞凋亡水平的不同可能与激活不同的凋亡信号通路有关。

（２）细胞周期：Narang等［22］通过PCR分析发现，与光子照射相比，质子照射引起的细胞周期阻滞相关基因表达水平显著上调，诱导产生更高更长的 G2/M期阻滞。有研究发现，质子照射与光子照射 24h后，质子照射在S+G2/M期的停滞显著升高；照射剂量相同的情况下，质子照射在48h和72h后引起的细胞周期停滞分别为44％和32％，而光子照射为20％和17％。

Pietro等［19］研究发现，质子照射剂量为10Gy时分别照射PC3细胞和CA301D细胞，细胞周期 G2/M 期阻滞显著。因此，质子照射与光子照射对细胞周期的调控是不同的，这可能是导致肿瘤细胞生长在不同程度上受抑制的原因之一。