全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第2期
2010年2月
Vol. 22, No. 2
Feb., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)02-0197-05
收稿日期：2009-07-24；修回日期：2009-09-02
基金项目：国家自然科学基金项目（107 05 0 54）
*通讯作者：Tel：010-69358335;E-mail:jiangs@ciae.ac.cn
41Ca-AMS ——生物示踪的有力工具
陆丽燕，何　明，王　伟，姜　山*
（中国原子能科学研究院核物理研究所，北京 102413）
摘　要：钙是人体的重要元素，它对于维持人体各系统的正常功能具有重要作用。缺钙可能导致骨质
疏松、动脉硬化、癌症、肾脏疾病、关节炎等多种疾病。另外，钙离子作为一种细胞信使，在维
持细胞正常功能中起着重要作用。钙同位素示踪技术是研究钙在生物体作用的有效方法，41Ca 是所有钙
的同位素中最佳的示踪剂。随着加速器质谱(AMS)技术的出现，使41C a 生物示踪成为可能，灵敏度可
以达到 10 -1 4。41Ca 成为一种生物示踪的有力工具，并广泛应用于生物示踪实验。该文介绍了钙与人体
的关系、钙的同位素、国内外利用41C a 作为示踪剂开展的研究工作，并结合 A M S 技术，对利用41C a
所能开展的更进一步的研究工作进行了讨论。
关键词：4 1 C a ；加速器质谱；生物示踪；骨质疏松
中图分类号：O572.2; R817　　文献标识码：A
41Ca-AMS — a powerful radionuclide for biological tracing
LU Li-yan, HE Ming, WANG Wei, JIANG Shan*
(Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
Abstract: Calcium is a very important element for human. It is known that calcium deficiency in human body is
related to many diseases such as osteoporosis, arteriosclerosis, cancer, kidney diseases, arthritis, and so on. In
addition, as a messenger, Ca2+ plays an important role in the normal function of cells. The calcium isotope tracing
is an effective method to study the behaviors of calcium in human body, and 41Ca is the best tracer in all the calcium
isotopes. The AMS(accelerate mass spectrometry) technology has made it possible to determine trace amount
of 41Ca, and the sensitivity can arrive at 10-14. So it becomes a powerful radionuclide for biological tracing and widely
used in many biological tracing experiments.This article introduces the relationship of calcium and human, the
isotopes of calcium, the international studies by 41Ca as a tracer,and also discusses some available works by 41Ca
in the future combining with the AMS technology.
Key words: 41Ca; AMS(accelerate mass spectrometry); biological tracing; osteoporosis
钙广泛分布于人体的细胞和体液之中，成年人
体内钙总量，约占体重的 2%，仅次于氧、氢、碳、
氮，居第五位。正常人体内99% 以上的钙主要以羟
基磷灰石的形式沉积在骨骼和牙齿中，其余 1% 存
在于体液和软组织中。
Ca2+ 参与、调控众多的生命过程，维持人体各
种正常的生理功能和代谢。Ca2+ 可以直接激活具有
重要生理意义的胞内机械活动，并参与真核细胞跨
膜信息传导，作为胞内第二信使介导胞外信号对胞
内的反应。人体钙通过两种机制来吸收：肠黏膜的
主动吸收和被动扩散吸收。与钙相关的疾病当中，
最为普遍的是骨质疏松病，它严重威胁着人类的健
康，尤其是中老年人的健康。根据世界卫生组织
(WHO)的资料，骨质疏松症已经成为了全球性健康
· 技术与方法 ·
198 生命科学 第22卷
问题，其严重性仅次于心血管病。除了骨质疏松
外，研究还发现，如癌症、肾疾病、关节炎等都
会引起钙在人体的代谢变化，因此研究钙在人体内
的变化对于研究这类疾病有着十分重要的意义。本
文正是利用41Ca 的生物示踪技术来研究人体骨钙代
谢，试图了解钙缺乏病的作用基理，望能作出钙缺
乏病的防治方法和建议。
相对于41Ca的生物示踪技术，骨代谢的研究技术
有影像学方法(如X 射线照相术和CT扫描术)[1]，以
及骨代谢生化指标检测技术[2,3]等。它们的分析灵敏
低，很难在细胞水平上进行定量研究，而41Ca 同位
素示踪技术的分析灵敏度和可靠性在研究骨代谢中
是最有力的工具，这项技术在近几年得到了飞速地
发展 。
1　钙的理想的示踪剂——41Ca
钙的稳定同位素及其一些放射性同位素列于表
1，除了丰度最高的40Ca(96.9%)，天然丰度较小的
其他几种稳定同位素可用于钙的生物示踪，但这些
稳定同位素价格较高，它们的天然丰度并不太低，
示踪灵敏度也不够高，示踪实验所需的量大，造成
实验费用极为昂贵。钙有三个寿命较长的放射性同
位素：41Ca、45Ca 和47Ca。45Ca、47Ca 半衰期较短，
衰变时发射电子和 γ 射线，有一定的放射性剂量，
必然会对生物体产生一定损伤，也不适合长期代谢
观察研究。
41C a 作为生物示踪剂，具有以下几个突出优
点：(1)安全性好。41Ca 的半衰期为1.03×105 a，衰
变方式为EC 伴随3.3 keV 的 X 射线发射，放射性
非常低，对生物的的辐射损伤小。生物示踪实验中
41Ca的用量一般为100 ng，其产生的放射性剂量相
当于每年0.06 μSv，小于人体年允许剂量(100~500
μSv)的 1%，小于自然界本底的1/30000，因此不
用担心41Ca会引起的生物辐射损伤问题。 (2)便于长
期示踪。41Ca 的半衰期很长，在生物的代谢周期内
其衰变的量很小，适用于长期的生物示踪实验，可
以开展几个月、几年，甚至更长时间的生物示踪研
究。 (3)测量灵敏度高。在自然界中41Ca/Ca 仅为
10-14~10-15，目前利用AMS 测量41Ca 的灵敏度已经
达到了41Ca/Ca~10-14。41Ca不仅适合生物体的示踪研
究，同时也适合开展细胞水平上的示踪研究，而Ca
的其他同位素都无法与41Ca相比。 (4)便于生产，用
量小。40Ca (n，g)41Ca 的反应截面达410 mb， 41Ca
的制备较为容易，41Ca 示踪实验的用量很小。
综上所述，不管从辐射安全、经济效益，还
是在示踪效果方面，在钙的同位素中，41Ca 都是最
理想的生物医学示踪剂。
但长期以来，由于41C a 特有的衰变性质，不
能用衰变计数法测定。另外，由于同量异位素41K
和分子离子40CaH 的干扰，普通质谱也不能实现对
它的高灵敏测量，所以41Ca 作为生物医学示踪剂一
直没有得到广泛应用。加速器质谱(A M S )出现以
后，才使41C a 的高灵敏测量成为现实。
2　41Ca 的 AMS 测量
加速器质谱(AMS)技术[4]是20世纪70年代后期
发展起来的一种分析微量核素和探测稀有粒子的新
方法。它可以有效排除各种本底干扰(分子本底和同
量异位素本底)，极大地提高测量灵敏度(同位素原
子数比~10-15)，是核分析中迄今为止灵敏度最高的
核素测量方法。目前，A M S 测量的样品用量可以
减少到1 mg，相应的最低探测限为10-18 g(104个原
子)，同位素丰度达到1×10-15。主要用于自然界长
寿命微含量的宇宙线成因核素的测量，如：1 4 C 、
10Be、36Cl、26Al、41Ca、129I 等。这些测量可以广
泛地应用于环境科学、生命科学、资源调查、考
古学、地质学、海洋学等。
中国原子能科学研究院的AMS 测量[5]是在 HI-
13大型串列加速器上进行的，目前对41Ca测量灵敏
度在10-14，达到国际水平，如此高的灵敏度为41Ca
的示踪研究奠定了基础。以下简单介绍一下利用
41Ca 示踪测量生物样品的方法：(1)将41Ca 引入到生
物体中。对于动物实验，可以利用注射、口服、
灌胃等方法，将已知比例的41Ca 引入体内；对于细
表1　钙的稳定同位素及其一些放射性同位素
同位素 40Ca 41Ca 42Ca 43Ca 44Ca 45Ca 46Ca 47Ca 48Ca
天然丰度/% 96.941 10-12~10-13 0.647 0.135 2.086 0 0.004 0 0.187
半衰期 稳定 1.03×105a 稳定 稳定 稳定 162.61 d 稳定 4.536 d 稳定
放射性 无 EC+3.3 keV X射线 无 无 无 β+γ 无 β+γ 无
199陆丽燕，等：41C a - A M S ——生物示踪的有力工具第2期
胞实验，可以将41Ca掺入到培养液或培养基中。 (2)
生物样品的收集。对于动物实验，按一定的时间收
集尿样、血样以及其他需要的样品；对于细胞实
验，在一定时间收集细胞、细胞器和培养液。 (3)
生物样品的处理。取适量生物样品，加一定量氯化
钙或硝酸钙载体，用混合酸进行高温消解，蒸干。
再用化学沉淀和离子交换的方法对样品中的钙进行
分离和纯化。加入氢氟酸，制成可用于 AMS 测量
的CaF2样品。 (4) AMS测量。将约4 mg CaF2样品
与导电介质混合，用压靶器压入专用靶锥。A M S
测量时加速器的端电压选定为8.4 MV，离子源引出
CaF-，碳膜剥离后的电荷态选择 9+，采用交替注
入40CaF-和41CaF-并分别记录流强和粒子谱的方法测
量41Ca/Ca 的值，得到生物样品中41Ca 的含量，实
现生物体中钙示踪研究。
3　41Ca在生物示踪中的应用
41Ca 在地球科学、环境科学、核天体物理、生
命科学等方面都有着重要的作用，其中最主要的应
用之一就是41Ca 作为示踪剂在生物医学中的应用。
41Ca 示踪法在生物医学中的成功应用有可能为正确
认识人体对钙的吸收利用机理，科学评价各种补钙
药物和功能食品的效用，从而完善骨质疏松症的防
治策略提供科学的依据。目前开展的41Ca 示踪剂在
细胞水平上的应用，以及对其他各种疾病的防治研
究，也将会为人类健康做出贡献。以下分几个方面
分别介绍利用41Ca 在生物示踪方面的应用。
3.1　长期钙代谢研究
骨质疏松症是最常见的钙相关疾病，研究人体
骨钙代谢是攻克骨质疏松的重要一环，因此研究钙
在人体内的变化对于研究这类疾病都是有着十分重
要的意义的。国际上，有众多实验室进行过钙代谢
方面的研究。以下简单介绍国内外比较有意义的几
项研究：
1994年，Hebrew大学的Jonson 等与以色列的
Paul等合作直接开展了人体的骨钙消融研究[6]。用
125 ng的41Ca以盐溶液的形式静脉注射进入体内，用
AMS 测量尿样中的41Ca，取样时间长达900 d。结
果表明：尿样中的41Ca同位素丰度(41Ca/Ca)在注射后
的100 d内迅速下降，从10-7 下降到10-11，在大约
100 d以后，其丰度值改变非常小，基本保持在10-11
的水平。
2004年，美国Livermore国家实验室的Hille-
gonds[7]等开展了用41Ca示踪-AMS方法高效测量人体
骨骼更新率的微小变化的研究。他们发展出了一个
人类钙平衡的线性动力学模型，用这种模型可以探
测到个体骨骼更新率10%的变化，并可以用它来监
测与骨骼更新率相关的包括骨质疏松症、癌症、肾
脏疾病、关节炎等一系列疾病的发生。同年Liver-
more实验室与Starford大学合作开展过用41Ca和45Ca
示踪骨钙代谢的研究，示踪达 550 d [8 ]。另外，
Livermore实验室还与California大学合作，用41Ca
示踪-AMS 方法测量尿液、血液和唾液评估人体骨
骼健康[9]。
2006 年，ETH Zurich 实验室和 Lawrence
Livermore[10]实验室合作，开展了长达700 d的41Ca
代谢实验，实验个体为22个绝经后妇女(100 nCi)，
实验采用了群体代谢动力学软件 NON M E M 对测量
数据进行了多室模型拟合，得到了大量关于人体的
代谢动力学数据。
2007 年，Hebrew 大学开展了用41Ca 示踪围绝
经期妇女长期骨代谢的研究[11]。实验用AMS方法测
量了1 位中年妇女在围绝经期共6 年时间尿样中的
41Ca，得到了围绝经期开始和绝经后代谢变化的数
据，对围绝经期妇女骨折防治具有指导性意义。
在国内，中国原子能科学研究院的 AM S 实验
室也做了钙代谢相关的工作。以Wistar大鼠为研究
对象，将41Ca 用作钙示踪剂，用卵巢切除法建立骨
质疏松模型，测定大鼠骨质疏松症(OP)发生过程和
镓盐治疗过程中钙、与骨钙代谢相关的多种元素和
生化指标浓度的变化[12]，了解OP 症发生过程中钙
的代谢动力学特征以及镓盐对骨钙转变的影响。
3.2　失重状态钙代谢研究
20 世纪60 年代，人类实现了载人航天。航天
员进入地球轨道后，处于一种失重状态，重力的消
失会引起人体各生理系统的变化。在失重飞行引起
的所有人体生理系统变化中，其骨代谢的调节失衡
为最严重的危害。其他生理系统的变化在航天飞行
中会达到一种新的平衡状态，返回地面后，经过一
段时间可以很快得到恢复；但骨钙的丢失却持续发
展，呈进行性加重过程，出现骨钙代谢紊乱、骨
质疏松，引发全身钙代谢紊乱，钙异位沉积和尿路
结石危险性增大，严重危害航天员生命安全和飞行
任务的顺利执行，且在返回地面后需要很长时间恢
复。今后载人航天的重点在于长期飞行，太空失重
导致航天员骨质疏松引起的危害就更大 ，因此对失
重状态钙代谢的研究成为航天医学最重要的课题。
中国原子能科学研究院AMS实验室与北京中医
200 生命科学 第22卷
药大学合作开展了中药干预失重骨钙代谢紊乱的初
步研究。实验采用Wistar 大鼠，用尾吊法模拟失
重，采用中药进行干预，并用41Ca 进行标记，AMS
方法测量41Ca的丰度比[13]。结果表明，模型大鼠重
要承重骨股骨中外源钙的沉积下降，股骨对外源钙
的摄取能力可能受到了抑制。
另外，可以进一步采用41Ca-AMS 示踪方法开
展失重大鼠的骨代谢研究。对大鼠肌肉注射41CaCl2
溶液进行标记，进行失重飞行或模拟失重，采集
血、尿及粪样，测量样品中41Ca/40Ca 信号的变化，
这将有可能为失重引起的钙代谢异常疾病的预测和
治疗提供直接证据。
3.3　评价钙剂吸收率
目前投放市场的钙剂种类繁多，质量参差不
齐，评价钙剂吸收率显得尤为重要[14]；而钙剂的成
份较复杂，钙元素存在多样化学形式，在肠道的离
子化程度差异较大，目前在评价钙的吸收率问题上
还没有一个权威的方法。评价钙吸收率的方法有很
多，如钙平衡法[15]、同位素示踪法，还有中国原
子能科学研究院AMS 实验室发展的41Ca 标记体内钙
库法 。
41Ca 标记体内钙库法是在平衡法的基础上，将
41C a 同位素以静脉或肌肉注射形式进入人体。待
41Ca 同位素在体内达到平衡后，即粪钙中放射性同
位素丰度与参比组织中的丰度之比相对恒定后，可
认为41Ca 已经标记了体内钙库。给予一定量市售钙
剂灌胃，选择适当的参比组织(如血液)并测定其
41Ca 同位素丰度，即可将粪中41Ca 同位素量换算为
内源性粪钙的排泄量，计算得到口服钙剂的净吸收
率[16]。与目前常用的方法相比，41Ca 标记体内钙库
与钙平衡法结合，能较为精确的得到净钙吸收率，
且不受待监测化合物中钙的化学形式的限制，可以
监测单一成份，也可监测多种钙成份，尤其适合市
售成品钙剂的监测，可以科学评价各种补钙药物和
功能食品的效用。
中国院子能科学研究院AMS实验室与北京联合
大学合作用41Ca 标记体内钙库法，开展了测定市售
钙剂的净钙吸收率的研究。实验采用血浆作为参比
组织，计算出净钙吸收率为 69.18%，这比钙平衡
法所得的表观吸收率59.15% 高出10.03%，避免了
钙平衡法的不足，排除了内源性钙的干扰。
3.4　细胞信使
在正常细胞内，Ca2+ 作为一种重要信使，通过
改变细胞内Ca2+ 浓度来调节细胞的生长和分化，在
细胞新陈代谢中起着十分重要的作用。有研究表
明，在致癌物与细胞相互作用引起细胞增殖过程
中，胞浆内游离的 Ca 2+ 浓度不断增高。因此，研
究致癌物诱发细胞癌变过程中胞浆内游离钙的浓度
变化，查明Ca2+ 浓度与细胞增殖的关系，测定Ca2+
的来源(来自细胞内、细胞外或两者同时存在)，对
于致癌物致癌机理的研究具有重要的意义。
迄今已有多种分析技术可用于细胞钙离子的测
定 [17]，如原子吸收分光光度法、焦锑酸钾沉淀法
和电子分光成像技术、荧光法等等。在研究钙离子
在细胞内外的流向方面，钙同位素示踪法无需像荧
光法那样将外钙内流和内钙释放两个过程分开研
究。其中41Ca 示踪-AMS 技术作为一种新的安全的
钙示踪技术，示踪灵敏度更高，在细胞实验中钙流
向的检测方面有一定潜力。中国院子能科学研究院
AMS实验室在该方面已取得一些进展。岳东方等[18]、
袁媛等[19]开展了人肺成纤维细胞和兴奋性细胞在致
癌物质和毒物刺激下钙离子的运动变化情况，还研
究了阻断剂MK-801 对外钙内流的阻断效应，都取
得了很有意义的成果。
3.5　破骨细胞骨吸收研究
人体骨骼依赖于骨吸收和骨形成之间的动态平
衡，当破骨细胞的骨吸收功能超过成骨细胞的骨形
成作用后，将导致骨质疏松或骨质破坏。因此，破
骨细胞(Osteoclast, OC)是治疗骨质疏松相关疾病的
关键。目前，常用的破骨细胞骨吸收研究方法有骨
吸收陷窝法和生化检测法，但是这并不能从细胞水
平对破骨细胞的吸收行为进行分析与解释。为了获
得破骨细胞骨吸收行为方面定量的相关信息，可以
使用药物对破骨细胞进行刺激，用钙的同位素41Ca
示踪技术进行直接监测。
在国家自然基金的支持下，本文作者正在进行
41Ca-AMS 示踪破骨细胞骨吸收实验。目的是建立用
41Ca示踪研究SR刺激下破骨细胞骨吸收行为的生物
示踪方法，并给出药物(SR)刺激环境下破骨细胞骨
钙吸收的定量分析与评价。实验首先制备含41Ca 的
羟基磷灰石[20]。进行动物实验，拉颈处死新生 SD
大鼠，取破骨细胞悬液[21]。将悬液吸入放置含41Ca
骨粉的96孔细胞板培养板内，置于37℃ 5%CO2 培
养箱中培养2 h。然后加不同浓度SR[22](Protelos，
Servier公司生产，终浓度10-6~10-4 mol/L)继续培
养，等量培养液为正常对照组，益盖宁(elcatoin，
日本旭化成工业株式会社，终浓度10-10 mol/L)为阳
性对照。培养 3 d 后换 1 次液。分别于 1、2、3、
201陆丽燕，等：41C a - A M S ——生物示踪的有力工具第2期
5、7d 取破骨细胞和培养液，制成 AMS 测量样品，
进行测量，进一步分析破骨细胞在 SR 刺激下的吸
收行为和破骨作用过程中钙离子的转运情况。本实
验可以更好地研究和探讨破骨细胞本身及其活动过
程中微环境变化对骨钙吸收行为的影响，可以为破
骨细胞性骨吸收研究和缺钙所致疾病的防治提供非
常有用的实验数据。
3.6　其他
研究认为，细胞内钙增加是导致高血压的有关
因素。流行病学资料表明，口服钙不仅可使原发性
高血压病人血清 Ca 增多、PTH 下降、逆转 Ca2+ 搬
家现象，而且还可降低血压。目前被广泛采用的钙
离子拮抗剂是高血压治疗中一类非常重要的药物，
临床常用的有硝苯吡啶、异搏定、硫氮唑酮等。我
们可以尝试用41Ca 示踪研究更好的、副作用更小的
此类药物，或许能为高血压患者带来好消息。
另外缺钙还会引起神经系统钙含量增加，使脑
功能普遍降低，引起老年性痴呆。许多病理或疾病
现象的发生都伴随着细胞内钙浓度的异常改变。反
之，内环境钙离子浓度的改变也会导致细胞生理功
能的改变，如高钙、低钙时，会导致心肌生理特
性改变，出现心肌收缩力过强或过弱，甚至出现停
跳或心律失常[23]。以上所有与Ca2+浓度变化相关的
疾病，理论上均可用41Ca-AMS 示踪方法进行研究，
我们可以尝试在以后开展这方面的相关工作。
4　结论
综上所述，钙是生命体不可缺少的一种核素，
与我们的生命活动息息相关。随着现在人们对健康
的重视程度不断提高，对于生命体中钙的研究也将
不断深入和广泛。从生理、辐射安全，经济等方
面考虑，在钙的同位素中，41Ca 是最理想的生物医
学示踪剂。41Ca-AMS 方法已广泛应用于长期钙代谢
研究、失重状态钙代谢研究、钙剂吸收率评价、细
胞信使、破骨细胞骨吸收等。所有与Ca2+ 浓度变化
相关的疾病，我们均可用41Ca-AMS 示踪方法进行研
究，并且测量灵敏度高。随着研究的深入，人们
对钙的认识将会更加深刻，对41Ca 的应用会更加广
泛，41Ca-AMS 示踪方法也必将为人类健康做出更大
的贡献。
[参　考　文　献]
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