Năm 1982, kỹ thuật phân tích sai hình NST ở tế bào lympho máu ngoại vi người được Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế (IAEA) khuyến cáo sử dụng trong đo liều phóng xạ [21]. Sở dĩ như vậy là vì sai hình NST ở tế bào lympho máu ngoại vi người có những đặc điểm làm cho nó có khả năng phản
ánh được một cách khách quan và chính xác tác động của môi trường lên con người.
Thứ nhất: Do luôn tồn tại ở pha Go trong máu ngoại vi, với số lượng lớn (1ml máu ngoại vi chứa xấp xỉ 1triệu tế bào lympho) phân bố đều khắp cơ thể, cùng với đặc điểm có thời gian sống dài. Buckton, Dolphin, Lloyd, Norman, Ramalho đã chứng minh được rằng thời gian bán sống của tế bào lympho trung bình là 4 năm, một số tồn tại vài chục năm [21], [36], [38], [67], [70]. Đây chính là cơ sở để tế bào lympho máu ngoại vi đóng vai trò như tấm bia lưu trữ được hầu hết các sai hình NST phát sinh do tác động của môi trường trong suốt đời sống của nó. Thêm vào đó, đặc tính tái tuần hoàn của tế bào lympho – tế bào lympho tuần hoàn trong máu ngoại vi có thể quay trở lại các cơ quan lympho (lá lách, các hạch bạch huyết và các mô khác). Điều này có nghĩa các tế bào lympho mang sai hình nhiễm sắc thể được tạo nên ở bất kỳ phần nào của cơ thể cuối cùng cũng có mặt trong máu ngoại vi.
Thứ hai: Do đặc tính tế bào tồn tại ở pha Go, dưới tác động của tác nhân kích thích phân bào thích hợp sẽ chuyển sang trạng thái phân chia trong in vitro. Việc ứng dụng những kỹ thuật trong nuôi cấy tế bào cho phép kiểm soát được thời gian phân chia của tế bào lympho. Đây chính là yếu tố quyết định sự thành công của việc sử dụng tế bào lympho trong nghiên cứu sai hình nhiễm sắc thể dưới tác động của bức xạ ion hóa và sử dụng toàn bộ tế bào lympho trong máu ngoại vi như một liều kế sinh học trong trong đo liều bức xạ.
Các cơ chế đứt gẫy và phục hồi tổn thương của phân tử DNA xảy ra trước phase S dưới tác động của phóng xạ có sự giống nhau giữa in vivo và in vitro.
Các kết quả nghiên cứu của Bazerska, Bender, Breman, Clemenger, Dolphin, Evans, Natarajan và Preston đã chứng minh tần số sai hình NST giống nhau giữa tế bào lympho bị chiếu xạ in vitro và từ mẫu bệnh nhân xạ trị cùng liều.
Đặc điểm phản ánh khách quan và chính xác tác động của các tác nhân đột biến lên sự hình thành sai hình NST ở tế bào lympho trong in vitro cũng như trong in vivo chỉ đúng khi quan sát ở chu kỳ đầu tiên. Với tiêu bản nhuộm Hoechst 33258 Fabry, Kodama, Natarajan, Sasaki chỉ ra thời gian nuôi cấy thích hợp để số lượng tế bào đạt metaphase thứ nhất chiếm tối ưu trong quần thể là 48 giờ [21], [39], [45], [46], [58], [76]. Như vậy, việc xây dựng những mối liên hệ, những tham số định lượng về mặt toán học giữa liều lượng, bản chất của một loại bức xạ ion hóa với những sai hình phát sinh ở in vitro có ý nghĩa trong việc đánh giá liều lượng, bản chất của bức xạ trong những trường hợp rủi ro liên quan đến bức xạ trong thực tế.
1.4.2. Kỹ thuật phân tích sai hình nhiễm sắc thể
Liên quan đến các tổn thương phân tử DNA do phóng xạ có các kiểu sai hình đa tâm, mảnh không tâm, minute, vòng có tâm, vòng không tâm, chuyển đoạn, đảo đoạn. Kỹ thuật phân tích sai hình nhiễm sắc thể phụ thuộc vào kỹ thuật tế bào học, kỹ thuật tiêu bản hiển vi. Kỹ thuật FISH (Fluorescent In Situ Hybridization) có khả năng phân biệt các cặp nhiễm sắc thể bằng màu sắc được sử dụng thích hợp cho phân tích sai hình chuyển đoạn, tần số sai hình hai tâm được qui đổi theo công thức Lucas. Kỹ thuật FISH hiện được sử dụng trong hệ thống phân tích tự động với phần mềm Msearch. Một trong những kiểu sai hình nhiễm sắc thể có giá trị định lượng ổn định nhất là sai hình hai tâm (dicentric aberration) [22], [50], [71]. Kỹ thuật phân tích sai hình hai tâm được thực hiện với tiêu bản nhuộm giemsa cổ điển (conventioning stain).
Phân tích sai hình hai tâm hiện nay được xem là “chưa thể thay thế” trong đo liều sinh học. Sở dĩ phân tích sai hình hai tâm được áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới và được sử dụng để định liều trong tất cả các tai nạn phóng xạ trong vài thập niên qua là do sai hình hai tâm là loại sai hình nhiễm sắc thể rất đặc trưng cho bức xạ ion hóa. Trong các tác nhân lý, hóa gây sai hình nhiễm sắc thể còn lại thì chỉ có một số rất ít chất hóa học có thể gây nên loại sai hình này (các hóa chất gây sai hình hai tâm được gọi là nhóm hóa chất bắt chước phóng xạ, ví dụ như bleomycin, tần số sai NST hai tâm trong quần thể tự nhiên rất thấp (1dicentric/1000 tế bào). Sai hình hai tâm rất nhạy với bức xạ ion hóa, chỉ một liều rất thấp của LET thấp cũng có khả năng gây nên sai hình hai tâm (ngưỡng liều 0,05Gy). Tần số sai hình hai tâm có mối quan hệ chặt chẽ với liều lượng, suất liều và bản chất của bức xạ [21], [37], [44], [53], [60], [65].
1.4.3. Các mối quan hệ định lượng của sai hình nhiễm sắc thể hai tâm ở tế bào lympho dưới tác động của bức xạ ion hóa
Trong trường liều đều thì sự tác động của bức xạ ion hóa lên các tế bào tuân theo quy luật ngẫu nhiên. Khả năng xảy ra những tổn thương trên phân tử DNA là đồng đều như nhau giữa các tế bào. Buckton, Que đã chứng minh phân bố của các đứt gẫy đôi trên các NST ở tế bào lympho dưới tác động của bức xạ gamma tuân theo qui luật phân bố đều. Bauchinger, Bender, Edwards, Fabry, Natarajan, Sasaki, Que xác nhận phân bố của sai hình NST 2 tâm giữa các tế bào chiếu bức xạ gamma, trường liều đều tuân theo qui luật Poisson [11], [14], [23], [26], [54], [68]. Qui luật ngẫu nhiên là qui luật cần thiết để đảm bảo sai hình NST phản ánh được tính khách quan tác động của bức xạ ion hoá.
Mối quan hệ định lượng của sai hình nhiễm sắc thể hai tâm ở tế bào lympho dưới tác động của bức xạ ion hóa được biểu thị bởi phương trình liều - hiệu ứng sai hình hai tâm và hiệu quả sinh học tương đối. Cả hai mối quan hệ này
thể hiện mối liên quan chặt chẽ giữa tần số sai hình hai tâm với liều lượng, suất liều và bản chất của bức xạ. Khả năng gây ra tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa phụ thuộc vào LET. Tổn thương do bức xạ có LET cao gây ra cho phân tử DNA lớn hơn nhiều lần so với bức xạ có LET thấp. LET được xem là đại lượng đặc trưng cho chất lượng của bức xạ. Các kết quả nghiên cứu trên Thế giới đã chỉ ra các phương trình tổng quát của mối liên quan này có dạng tuyến tính đối với bức xạ LET cao (y = kD + C) và dạng bậc 2 (y = aD + bD2 + C) đối với bức xạ LET thấp. Các nghiên cứu của Bauchinger, Bender, Fabry, Natarajan phát hiện ra rằng dạng phương trình liều - hiệu ứng tổng quát luôn được quyết định bởi LET, chúng có dạng tuyến tính với bức xạ LET cao và hàm mũ bậc 2 với bức xạ LET thấp. Trên cơ sở sử dụng Enzym Cyto Arabinoza (AraC) tác động vào mẫu máu ngay sau chiếu bức xạ LET cao (neutron nhanh) và bức xạ LET thấp (gamma, tia X) mà Preston đã phát hiện ra hệ số a phụ thuộc vào số lượng sai hình 2 tâm do các đứt gãy đôi trực tiếp, còn hệ số b phụ thuộc số lượng sai hình 2 tâm do các đứt gãy đôi gián tiếp (khuyết phục hồi các tổn thương BD) [14], [41], [52], [54], [68], [73], [76].
Trong khi phương trình tổng quát phụ thuộc vào LET của bức xạ thì các hệ số hồi qui của phương trình thực nghiệm a và b cho biết mối quan hệ chính xác giữa tần số sai hình NST với liều lượng, suất liều, bản chất và LET của riêng từng nguồn bức xạ. Các hệ số a, b cũng như tỷ lệ a/b còn phản ánh thực chất mức độ gây đứt gãy đôi trực tiếp hay gián tiếp của bức xạ đang nghiên cứu.
Nghiên cứu trên các nguồn bức xạ gamma, tia X của Baushinger, Fabry, Leonard, Lloyd, Prosser, Takahashi, Schmid, Vulpis, Wagner, Wambersie đã xác định được mối liên quan liều - hiệu ứng là các phương trình hàm mũ bậc 2 với các giá trị hệ số hồi qui thực nghiệm số a, b và tỷ lệ a/b khác nhau phụ thuộc vào suất liều của các nguồn bức xạ [21], [30], [38], [46], [54]. Trên các nguồn bức xạ neutron nhanh, Heartlein và Preston (1985) đã chứng minh hiệu suất tạo đứt gãy đôi trực tiếp của bức xạ LET cao có giá trị cao hơn bức xạ LET thấp rất nhiều và phương trình liều - hiệu ứng phù hợp với dạng tổng quát y = kD + C với giá trị hệ số k khác nhau ở các nguồn bức xạ khác nhau. Nghiên cứu của Barjaktarovic, Bauchinger, Biola, Fabry, Leonard, Lloyd, Prosser, Wambersie sử dụng nguồn bức xạ đơn năng khác nhau và nguồn bức xạ gamma suất liều khác nhau đã chứng minh được giá trị các hệ số a và b phụ thuộc vào bản chất, LET và suất liều [21], [30], [39], [66], [73].
Sai hình nhiễm sắc thể ở tế bào lympho cũng phản ánh bản chất an toàn của nguồn xạ. Thông qua chỉ số hiệu suất sinh học tương đối (RBE) và hiệu suất sinh học tương đối cực đai (RBEo) có thể đánh giá được hiệu suất sinh học do các mức liều khác nhau của cùng nguồn hoặc giữa các nguồn khác nhau. Công
thức xác định RBE = fi/fg (fi: tần số sai hình NST do nguồn bức xạ i; fg: tần số sai hình NST do bức xạ gamma cùng liều hấp thụ). Trong cùng một nguồn bức xạ thì hiệu suất tạo ra sai hình NST không giống nhau ở các liều hấp thụ khác nhau. Khác với RBE (bao gồm cả trực tiếp và gián tiếp), RBEo là hiệu suất tạo ra sai hình NST từ các đứt gãy đôi trực tiếp của nguồn bức xạ. Công thức xác định RBE0 = ai/ag (ai: hệ số hồi qui tuyến tính của phương trình chuẩn liều - hiệu ứng thực nghiệm đối với nguồn bức xạ i; ag: hệ số hồi qui tuyến tính tính của phương trình chuẩn liều - hiệu ứng thực nghiệm đối với nguồn bức xạ gamma). Nghiên cứu trên các nguồn bức xạ neutron đơn năng khác nhau Bender, Lloyd, Natarajan, Preston, Sasaki đã chứng minh hiệu quả sinh học tương đối cực đại phụ thuộc vào bản chất, LET và suất liều [ 30], [56], [58], [59], [74]. Sasaki, Normal, Langlands và nhiều tác giả khác đã khẳng định sự thống nhất giữa tần suất sai hình hai tâm trong các mẫu tế bào Lympho nhận được từ các bệnh nhân ung thư trải qua chiếu xạ in vivo toàn cơ thể với tần suất dự đoán dựa vào các đường chuẩn in vitro [57], [58].