重离子,是指质量数大于4的带电粒子。即在元素周期表中排在氦元素之后的所有离子都被称为重离子。而在生物医学研究中,重离子的应用主要有以下两个方面,即利用重离子束流进行医学放疗以及利用其开展地基模拟宇宙射线生物效应的研究。随着载人航天技术的飞速发展,人类在太空旅行的距离以及单次旅行持续的时间已经越来越长。然而,与之伴随的是人类暴露在太阳粒子与宇宙射线中的机率也大大增加。因此宇航员的神经系统受到宇宙粒子、射线损伤的可能性也相应增加。一般来说,宇宙射线主要由具有高线性能量传递(LET)的离子构成,尽管这些高能离子只占到宇宙射线构成的小部分,但这些具有极强氧化损伤能力的高能离子却贡献了宇宙射线有效剂量的绝大部分。而在所有的这些高能粒子中,铁离子可能是最需要被研究的。其原因是在宇宙射线等效剂量的构成中,铁离子贡献了其中的最大组分。因此,铁离子是地基研究空间辐射的理想射线。此外,重离子另一个更为重要的应用是医学放疗。近年来,重离子的临床应用发展飞速,而我国也成为继美国、德国及日本之后第四个将重离子运用于临床治疗的国家。然而,尽管碳离子由于其具有LET高,副作用小、精度高等特点使其成为有效治疗肿瘤明星射线。但其对病灶周边以及射线穿透路径上健康组织的损伤仍是放疗过程中需要考量的因素。事实上,由于近年来关于系统治疗以及放疗设备技术的提升使得放疗病人的生存期越来越长,而与之伴随的是,包括认知障碍在内的辐射脑损伤晚期效应有了足够的时间得以表现并严重威胁着病人预后的生活质量。综上所述,不论是未来载人航天的需求还是改善放疗病人生活质量的需求,对辐射引起认知障碍的机制及保护的研究刻不容缓。因此,在本论文中,我们分别采用了,用于模拟的空间辐射的铁离子和用于临床治疗的碳离子作为辐射源并使用动物行为学、组织病理学、细胞生物学、分子生物学等实验技术手段来探究并试图提出保护办法。在铁离子实验中,我们的数据显示,铁离子照射一个月后的小鼠,其学习认知能力受到损伤。而这种辐射诱导的长期效应造成的认知损伤与辐射诱导的脑组织病理变化,氧化应激水平升高,DNA氧化损伤有关。因此,在这部分中我们的研究证明了高能铁离子射线引起的氧化应激与认知损伤的关系,从而为后续对于研究如何在辐射环境中保护神经系统以及辐射风险评估等相关课题的研究提供了实验及数据支持。在碳离子部分的实验中,我们的研究表明采用4Gy的剂量对小鼠全身进行辐照就足以引起明显的空间认知及学习能力的损伤,破坏线粒体稳态以及氧化还原平衡。我们的数据表明,这些现象与下调的Nrf2和PINK1信号通路相关,然而使用褪黑素对小鼠进行预处理则可以上调NRF2-PINK1信号通路,增强NRF2与PINK1之间的互作。此外,过表达的NRF2和PINK1基因的体外实验表明这两种基因的表达可以缓解重离子导致的细胞增殖率下降并促进细胞的生存。最终,我们提出了通过恢复线粒体功能,清除氧化应激损伤保护碳离子辐射造成认知损伤的思路。