基于Arrowsmith探討亞低溫抗輻射損傷研究方向

劉歡,劉曉明,許文黎,袁慧,秦秀軍,李曙芳,李建國(guó)

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院GLP中心，太原，030006)

隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)手段的成熟和廣泛應(yīng)用，積累了大量的研究成果，借助于知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具和文本挖掘工具能高效的發(fā)現(xiàn)不同學(xué)科間的潛在聯(lián)系，大大提高科研效率。

輻射誘發(fā)基因突變、腫瘤高發(fā)、激素分泌紊亂等一直困擾著從事放射性核素生產(chǎn)研發(fā)應(yīng)用的工作人員[1]。低溫療法是一種以物理方法將體溫降低到亞低溫用以治療疾病的方法，亞低溫范圍為28 ℃～35 ℃[2]。目前亞低溫防護(hù)機(jī)制的研究主要集中在降低細(xì)胞代謝率、降低自由基清除酶的損耗、抑制炎性反應(yīng)等方面，在臨床上已被列為顱腦損傷、腦血管疾病的常規(guī)輔助治療方法。李曙芳等[3]研究發(fā)現(xiàn)，亞低溫療法對(duì)于急性輻射損傷小鼠有一定的防護(hù)作用，可以改善輻照后動(dòng)物的骨髓微環(huán)境，能夠增強(qiáng)大鼠的抗氧化和抗凋亡能力，且防護(hù)效果與氨磷汀接近。

本文以亞低溫療法的應(yīng)用研究和Pub Med 數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)文獻(xiàn)研究成果為基礎(chǔ)，采用生物信息學(xué)科的非相關(guān)文獻(xiàn)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具——Arrowsmith，探討亞低溫療法與輻射損傷潛在的關(guān)聯(lián)，挖掘亞低溫抗輻射損傷的潛在靶點(diǎn)與通路，為后期研究亞低溫抗輻射損傷機(jī)制提供方向。

1 檢索方法

(1)登錄Arrowsmith網(wǎng)站(http://arrowsmith.psych.uic.edu/)，在A集合主題詞下鍵入“Mild hypothermia”進(jìn)行檢索；

(2)在C集合主題詞下鍵入“Radiation protection”進(jìn)行檢索；

(3)采用Arrowsmith 工具，通過(guò)對(duì)A 集合文獻(xiàn)和 C 集合文獻(xiàn)中共同出現(xiàn)的字段，進(jìn)行語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和頻率等形式的篩選過(guò)濾；

(4)通過(guò)篩選器人工選擇 “Gene & Molecular Sequenceand Gene & Protein Names”，對(duì)關(guān)聯(lián)詞進(jìn)一步篩選，得到相關(guān)度高的關(guān)聯(lián)詞列表，選取前30個(gè)相關(guān)度較高的關(guān)聯(lián)詞。

2 結(jié)果

2.1 關(guān)聯(lián)詞檢索結(jié)果

A集合主題詞下鍵入“Mild hypothermia”，有3 173篇文獻(xiàn)在題目或摘要中含有該主題詞。C集合主題詞下鍵入“Radiation protection”，有25 000(25 000是該工具顯示的上限)篇文獻(xiàn)在題目或摘要中含有該主題詞。采用Arrowsmith 工具對(duì)A 集合文獻(xiàn)和 C 集合文獻(xiàn)中共同出現(xiàn)的字段進(jìn)行語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和頻率等篩選過(guò)濾，有兩篇文獻(xiàn)在在題目或摘要中同時(shí)含有這兩個(gè)主題詞，744 個(gè)關(guān)聯(lián)詞。

2.2 同頻詞段文章分析

通過(guò)Arrowsmith關(guān)聯(lián)分析得到的2篇文獻(xiàn)，PMID(PubMed 唯一標(biāo)識(shí)碼)為28759636[4]和21185842[5]。28759636文獻(xiàn)研究了亞低溫與放療聯(lián)合使用對(duì)腦膠質(zhì)瘤的抑瘤效果，結(jié)果表明，亞低溫可以增加大鼠膠質(zhì)瘤細(xì)胞系的輻射敏感作用，能保護(hù)正常的大腦結(jié)構(gòu)中細(xì)胞免受輻射損傷。21185842文獻(xiàn)由美國(guó)分子藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)室與NASA共同完成，研究了低溫療法的抗輻射損傷生物效應(yīng)，研究結(jié)果表明，人類(lèi)BJ-Htert細(xì)胞經(jīng)7.5 Gy照射后，30 ℃和13 ℃培養(yǎng)條件時(shí)都顯示出一定的抗輻射損傷作用，小鼠和大鼠的核心體溫降至28 ℃時(shí)，機(jī)體抗輻射能力有所提升。

2.3 關(guān)聯(lián)詞分析

對(duì)744個(gè)關(guān)聯(lián)詞進(jìn)行進(jìn)一步篩選，得到相關(guān)度高的前30個(gè)關(guān)聯(lián)詞，見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，亞低溫和輻射損傷的共有關(guān)聯(lián)詞主要是akt、pi3k、trpv1、microrna、toll receptor、caspase-3等。

表1 相關(guān)度≥0.82的關(guān)聯(lián)詞

3 討論

3.1 pi3k/akt

pi3k是磷脂酰肌3激酶，與多種癌癥相關(guān)，主要功能有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡等。pi3k可以被多種細(xì)胞生長(zhǎng)因子和蛋白激活，能控制蛋白與膜結(jié)合的時(shí)間，從而調(diào)節(jié)蛋白的活性。akt是一種蛋白激酶，是pi3k的主要下游效應(yīng)物，通過(guò)對(duì)蛋白進(jìn)行磷酸化發(fā)揮抗凋亡作用。akt會(huì)抑制各種各樣的促凋亡蛋白(Bax、Noxa、Bim等)，還可以和NF-κB信號(hào)通路共同調(diào)節(jié)抗凋亡基因的轉(zhuǎn)錄[6]。有大量文獻(xiàn)證實(shí)pi3k/akt信號(hào)通路在抗輻射損傷中發(fā)揮著重要作用。鞘氨醇磷酸酯(一種神經(jīng)酰胺拮抗劑)可以通過(guò)活化akt信號(hào)通路，減少輻射引起的小腸內(nèi)皮凋亡[7]。IL-11可上調(diào)pi3k的表達(dá)、活化akt激酶，從多種途徑激活pi3k/akt通路，達(dá)到改善中子和γ射線(xiàn)所致腸道損傷的作用[8]。研究結(jié)果表明，pi3k/akt通路的激活能夠有效減少輻射導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡。

李沖等[9]研究表明，在大鼠腦缺血再灌注造模中有明顯的自噬出現(xiàn)，亞低溫療法可以抑制該模型中自噬的出現(xiàn)，亞低溫可能是通過(guò)調(diào)節(jié)pi3k/akt通路來(lái)，抑制細(xì)胞凋亡、抑制自噬，發(fā)揮對(duì)腦缺血神經(jīng)元細(xì)胞的保護(hù)作用。Hong等[10]研究表明，亞低溫聯(lián)合吩噻嗪可顯著降低腦缺血大鼠直腸、皮層和紋狀體的溫度，顯著減少腦梗死體積，聯(lián)合治療增加了pi3k/akt和抗凋亡蛋白(Bcl-2)的表達(dá)，同時(shí)降低了促凋亡蛋白(AIF和Bax)的表達(dá)。Xiao等[11]建立了肝細(xì)胞缺氧損傷模型，模擬肝臟缺血再灌注的損傷，發(fā)現(xiàn)亞低溫預(yù)處理可減少肝細(xì)胞損傷，可以下調(diào)miR-122，激活pi3k/akt信號(hào)通路，降低FOXO3a活性和Caspase-3的表達(dá)，從而保護(hù)肝細(xì)胞，并抑制細(xì)胞凋亡。研究結(jié)果表明，鞘氨醇磷酸酯和IL-11均可以通過(guò)調(diào)節(jié)pi3k/akt通路發(fā)揮顯著的抗凋亡作用，而亞低溫可以也通過(guò)pi3k/akt發(fā)揮顯著的抗凋亡作用，因此，亞低溫療法極有可能通過(guò)pi3k/akt通路起到抗輻射損傷的作用。

3.2 trpv1

trpv1是一種非特異性陽(yáng)離子通道，主要表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)揮痛覺(jué)神經(jīng)傳感作用和痛覺(jué)傳遞作用；表達(dá)于胃腸道、膀胱以及呼吸道等非神經(jīng)組織，且該通道參與生物體體溫控制[12]。

Cao等[13]研究表明，給C57BL/6WT小鼠和trpv1敲除(KO)小鼠皮下注射trpv1激動(dòng)劑二氫辣椒素(DHC)后，核心溫度會(huì)降低，在低體溫持續(xù)穩(wěn)定后對(duì)動(dòng)物進(jìn)行腦缺血再灌注，結(jié)果表明，低體溫能有效保護(hù)動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞。野生型(WT)小鼠和trpv1基因敲除小鼠的心肌梗死造模研究結(jié)果表明，模型組動(dòng)物在心肌缺血24 h后，trpv1基因敲除小鼠的心肌梗死面積顯著大于WT型小鼠，說(shuō)明trpv1激活可以減少心肌細(xì)胞凋亡。

Feketa等[14]在10 ℃的低溫條件下，使用trpv1激動(dòng)劑二氫辣椒素(DHC)對(duì)小鼠進(jìn)行干預(yù)，結(jié)果表明，trpv1激動(dòng)劑與低溫結(jié)合，可快速達(dá)到低體溫。

Bilal等[15]采用2 450 MHz的電磁輻射處理乳腺細(xì)胞，結(jié)果表明，10 cm的距離內(nèi)高能量的電磁輻射能通過(guò)trpv1通路使細(xì)胞質(zhì)Ca2+積累，從而引起細(xì)胞內(nèi)的過(guò)度氧化反應(yīng)和凋亡。

上述研究結(jié)果表明，trpv1通道與降低體溫、抗凋亡等關(guān)系密切；大劑量的輻射也能通過(guò)該通道產(chǎn)生過(guò)氧化和凋亡反應(yīng)。因此，亞低溫措施可通過(guò)該通道發(fā)揮抗輻射損傷作用。

3.3 toll receptor

toll receptor在炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答中有重要的作用，均可通過(guò)調(diào)節(jié)NF-κB和干擾素的表達(dá)，從而發(fā)揮抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞增殖，清除自由基等作用[16]。

Burdelya等[17]給予小鼠toll receptor 5受體激動(dòng)劑后，再輻照小鼠，動(dòng)物存活率顯著提高；獼猴試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該toll receptor 5受體激動(dòng)劑可以將受照射獼猴的存活率從25%增加到64%，且能顯著減輕獼猴造血系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)的放射損傷研究發(fā)現(xiàn)。

toll receptor信號(hào)通路的激活具有明顯的輻射防護(hù)作用，可以調(diào)節(jié)NF-κB、IRF、Jnk、Myd88等信號(hào)通路，發(fā)揮抑制凋亡，促進(jìn)增殖，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，調(diào)節(jié)細(xì)胞因子分泌等作用[18]。

3.4 caspase-3

caspase是天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶，是一類(lèi)蛋白酶家族，成員較多，目前已經(jīng)鑒定了10種不同的caspase。各種caspase都富含半胱氨酸，它們被激活后，能夠在靶蛋白的特異天冬氨酸殘基部位進(jìn)行切割。在正常的細(xì)胞內(nèi)，caspase都是以非活性狀態(tài)存在的，被激活的caspase通過(guò)對(duì)caspase靶蛋白的水解，導(dǎo)致程序性細(xì)胞死亡[19]。Caspase-3是其中重要的凋亡蛋白。

鞠桂芝等[20]研究表明，EL-4細(xì)胞(小鼠淋巴瘤細(xì)胞)在4.0 Gy X射線(xiàn)照射后8至12 h，Caspase-3及P53 蛋白表達(dá)增高，同時(shí)伴隨著細(xì)胞凋亡數(shù)量激增，結(jié)果表明這兩類(lèi)蛋白在輻射引起的凋亡中發(fā)揮著重要的作用。

黃杰等[21]研究表明，亞低溫療法能夠顯著減少局灶性腦缺血大鼠的腦梗死面積，還可以促進(jìn)腦缺血后神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，可能與亞低溫抑制病灶周?chē)鷧^(qū)域Caspase-3的表達(dá)從而抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡有關(guān)。

綜上研究表明，亞低溫療法可以通過(guò)抑制Caspase-3的表達(dá)發(fā)揮抗凋亡作用。

4 結(jié)論

通過(guò)采用非關(guān)聯(lián)文獻(xiàn)知識(shí)發(fā)現(xiàn)工具，對(duì)與亞低溫相關(guān)SCI文獻(xiàn)和輻射損傷相關(guān)SCI文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索、關(guān)聯(lián)、分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了相關(guān)度極高的關(guān)鍵詞約30個(gè)，其中前5位基因靶點(diǎn)涉及的通路為pi3k/akt抑制凋亡的信號(hào)通路、trpv1體溫調(diào)節(jié)信號(hào)通路、toll receptor免疫調(diào)節(jié)信號(hào)通路、Caspase-3抑制凋亡信號(hào)通路，此結(jié)果可為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供方向和思路。