近年来,核及其相关技术在医疗、能源、工业、军事等领域应用日益广泛,与此同时,急性放射损伤的风险也日益增加,一旦发生核袭击或大型核事故,大量的平民和应急救援人员需要放射防护,寻找安全有效、方便给药、预防时间窗长的广谱类抗放药物一直是国家安全和医疗救护的迫切需求。短时间内机体受照剂量超过1Gy而引起的全身性疾病被称为急性放射病（Acute radiation syndrome,ARS）。根据受照剂量和主要发病症状,ARS分为骨髓型急性放射病（Hematopoietic acute radiation syndrome,H-ARS）、肠型急性放射病（Gastrointestinal acute radiation syndrome,GI-ARS）和脑型急性放射病。骨髓造血组织是对射线最敏感的组织之一,H-ARS发病时大量的造血干祖细胞（Hematopoietic progenitors and stem cells,HPSC）死亡,引发外周全血细胞减少,患者可能死于继发的感染和出血。目前用于治疗H-ARS的抗放药物十分有限,没有用于预防H-ARS的获批上市的药品。GI-ARS发病时机体受照剂量更大,小肠隐窝细胞大量死亡,肠道上皮黏膜屏障破坏,患者多因继发脱水、电解质紊乱和败血症等在两周内死亡,由于没有特效防治药物,目前没有治愈的先例。ARS病人常常包含多组织器官的放射损伤（Radiation-induced multiple tissue and organ injuries,RI-MTOI）,除骨髓和胃肠外,机体其他器官如皮肤、口腔黏膜、肺脏、肾脏等对射线也非常敏感,表现为急性放射损伤或急性放射病的迟发效应（Delayed effects of acute radiation exposure,DEARE）。RI-MTOI可加重为多器官功能障碍（Radiation-induced multiple organ dysfunction syndrome,RI-MODS）,这是目前治疗的难点。不幸的是,针对RI-MTOI的防治措施鲜有报道。电离辐射及其电离水分子生成的自由基均可破坏蛋白质、脂质、DNA等生物大分子的结构,改变细胞的代谢和功能,诱导细胞损伤或死亡。自由基介导的损伤被认为是电离辐射损伤的主要方式,DNA损伤是介导细胞损伤或死亡最重要的原因之一。氨基硫醇类化合物WR2721（Amifostine）是一种研究最为深入的自由基清除剂,多种照射动物模型中都证明,WR2721几乎可以防护所有正常组织的放射损伤,但同时WR2721存在毒副作用明显、照前给药有效时间短（15-30min）,口服给药无效等缺点,目前仅批准用于减轻临床上肿瘤放化疗引起的正常细胞损伤,不能作为抗放药应用于核紧急事件。二甲基亚砜（Dimethyl sulfoxide,DMSO）也是一种含硫酰基团的自由基清除剂,文献报道DMSO有多种生物活性,包括止痛、镇静、利尿、抑菌等,1978年FDA批准DMSO用于治疗间质性膀胱炎。1962年Ashwood Smith首先报道DMSO腹腔给药可提高致死剂量照射后小鼠的存活率,实验室前期研究也证明DMSO可以预防放射引起的口腔黏膜炎。DMSO口服吸收迅速,在体内很少被代谢分解,包括灵长类在内的多种动物实验证明DMSO口服给药毒性非常低,由此我们推测DMSO口服可能也有抗放作用。本研究系统评价了DMSO口服给药对急性放射病造血和胃肠组织损伤的防护作用,观察了大剂量照射后长期存活小鼠多种组织器官的损伤特点及DMSO对RI-MTOI潜在的防护作用。成体干细胞（Adult stem cells,ASC）在骨髓和胃肠照后组织重建中起核心作用,所以减轻射线对ASC的损伤,减少照后ASC的死亡,促进照后ASC重建组织是防治H-ARS和GI-ARS的关键策略。电离辐射引起的造血干细胞（Hematopoietic stem cell,HSC）的凋亡是干细胞死亡的主要方式,敲除小鼠的p53或PUMA基因后可以抑制HSC凋亡,提高放射耐受性,说明p53-PUMA是介导细胞凋亡的重要信号通路。放射还会引起HSC长期损伤,表现为自我更新能力和重建造血能力的减弱。DMSO能否抑制照后HSC凋亡,保护HSC功能,减轻放射所致的短期和长期造血抑制,还有待阐明。正常造血组织的放射损伤在放疗时更为常见,放射防护剂若不能区分造血干细胞与白血病干细胞将影响白血病放疗的疗效,因此DMSO对白血病细胞有无放射防护作用,值得深入研究。小肠干细胞（Intestinal stem cell,ISC）位于隐窝底部,证据表明Lgr5可作为ISC的表面标记物,且Lgr5干细胞在肠上皮放射损伤后的重建中必不可少。高能射线可造成ISC多种类型的DNA损伤,其中以DNA双键断裂（Double strand breaks,DSBs）最为严重,一般认为DMSO通过清除自由基减少DSBs来发挥抗放作用,近年来又有报道低浓度DMSO不能减轻体外照射细胞的DNA损伤,但能促进DNA损伤修复。实验室在前期也发现DMSO可以促进照后小鼠舌上皮干细胞DNA损伤修复,DMSO对ISC是否也有类似的作用,还有待研究。隐窝细胞的凋亡在GI-ARS发病过程中的作用一直存在争议。一方面敲除促凋亡基因PUMA后可抑制照后隐窝细胞凋亡,促进隐窝再生;另一方面,敲除p53可以抑制照后隐窝细胞凋亡,但不能抑制细胞的增殖性死亡（Mitotic death）,结果反而加重了GI-ARS的病情。DMSO能否通过抑制凋亡保护ISC,还不清楚。因此,为探讨DMSO对H-ARS和GI-ARS的防护效应及其机制,本研究首先使用全身照射小鼠构建H-ARS和GI-ARS模型,明确DMSO对H-ARS和GI-ARS的防护效应;然后以γ射线损伤后的骨髓或小肠为主要研究对象,采用流式细胞术、体外细胞集落培养实验、体内竞争移植实验分析HSC的数量和功能,运用Caspase3/7流式检测、p53-/-和PUMA-/-小鼠分析DMSO对HSC凋亡的影响,探究DMSO对H-ARS的防护机制;随后,采用Brd U免疫组化分析隐窝细胞增殖,Tunel、Cleaved Caspase 3免疫组化分析隐窝细胞凋亡,γ-H2AX、53BP1免疫组化分析隐窝细胞DNA损伤和修复,震荡切片技术直接观察隐窝内Lgr5ISC,探究DMSO对GI-ARS的防护机制;此外,我们还通过观察大剂量照射后长期存活小鼠,评价DMSO对多器官DEARE的影响;构建了Mll-AF9细胞诱导的急性髓系白血病小鼠模型,评价DMSO对白血病细胞的放射防护作用。通过以上研究,取得的结果和结论如下:1,DMSO单次口服给药可以促进照后骨髓有核细胞和外周血象恢复,提高致死剂量（9.0Gy）和超致死剂量（9.5Gy）照后C57小鼠存活率至100%,剂量修正系数（Dose modifying factor,DMF）为1.24（95%置信区间,1.22-1.26）,有效给药时间为照前4h到15min。DMSO不但能防护HPSC的急性放射损伤,还能提高照后远期HSC重建造血能力,减轻放射所致的长期骨髓造血抑制。此外,DMSO按最佳防护效应的给药剂量（10g/kg）连续口服两个月,小鼠的生长速度,外周血象,多脏器生理功能未见明显异常,提示DMSO单次口服给药的安全性很高;2,研究DMSO防护H-ARS时发现,DMSO不能减少照后Caspase3/7+LKS细胞数量,对p53-/-和PUMA-/-来源的HPSC仍有放射防护作用;研究DMSO防护GI-ARS时发现,在DMSO的有效防护照射剂量范围内（8-22Gy）,DMSO不能减少照后隐窝不同位置细胞的凋亡,也不能减少绒毛基质层细胞的凋亡,可以促进照后p53-/-和PUMA-/小肠隐窝再生-,以上结果说明,DMSO对HSC和ISC的放射防护作用均不依赖于抑制凋亡;3,DMSO体内给药或体外给药均能提高照后小鼠骨髓造血细胞的集落形成能力和竞争移植能力,说明DMSO可以直接作用于HSC,减轻HSC的放射损伤。DMSO不能抑制体外照射后Mll-AF9白血病细胞的凋亡、集落形成能力及体内扩增能力,但能延长小鼠白血病模型放疗后的存活时间,提示DMSO对白血病干细胞没有放射防护作用。除小鼠外,DMSO对体外照射的人脐带造血干祖细胞也有保护作用;4,DMSO单次口服给药可以提高大剂量全身照射后C57小鼠小肠再生隐窝数量,延长GI-ARS小鼠存活时间,联合骨髓移植后对≤19Gy照后C57小鼠防护率为100%,最大防护剂量达22Gy（40%存活）,可将照射剂量-存活曲线平移7Gy,DMF值为1.48（95%置信区间,1.46-1.50）。DMSO照前12h给药即能显著增加16Gy照后小肠再生隐窝数量,照前6h给药联合照后骨髓移植小鼠存活率为70%,提示DMSO有效给药时间不少于照前6h。与阳性对照药WR2721相比,DMSO防护GI-ARS的有效给药时间更长,有效防护照射剂量更大;5,γH2AX和53BP1免疫组化结果发现,DMSO不能减轻照后早期隐窝细胞DNA损伤,但能促进DNA损伤修复;Brd U免疫组化提示,DMSO对15Gy照后6-12h放射引起的隐窝细胞周期阻滞没有影响,但能促进照后24h更多细胞重新进入S期;震荡切片直接观察显示,DMSO可以减少照后早期Lgr5干细胞死亡,促进Lgr5干细胞恢复;谱系追踪结果进一步证明DMSO可以促进Lgr5干细胞增殖分化为小肠绒毛。以上结果说明,DMSO通过促进照后ISC DNA损伤修复而减少ISC死亡,进一步促进ISC重建小肠绒毛;6,对经DMSO防护后的17-22Gy全身照射后存活的小鼠的观察,发现DMSO可以延长小鼠总生存时间至200-500天,减轻照后肺脏、肾脏、肝脏、心脏的迟发性放射损伤,多脏器生理功能未见明显异常,提示DMSO对放射所致的多组织器官损伤有一定的防护作用。总之,本研究首次报道了口服DMSO对H-ARS和GI-ARS的防护作用;特别地,DMSO对GI-ARS的防护作用超过了所有目前已报道的放射防护剂。DMSO具备安全低毒,口服预防给药效果突出,较广的有效给药时间窗口,能保护多组织器官放射损伤等特点,可作为一种理想的放射防护剂候选药物,预防给药应用于核突发事件和核医学治疗时的人体防护。机制上,我们发现DMSO可以减轻照后成体干细胞损伤,促进干细胞重建组织,其防护作用不依赖于凋亡,这可能是DMSO发挥放射防护作用的共同机制。我们的研究为机体多组织器官放射损伤共性发病机制与防护研究提供了新的认识。