趙粉琴,茍雅姣,胡芝霞,劉小莉,李春瑤,謝知慧,李淑萍
(1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省人民醫(yī)院放療科,甘肅 蘭州 730000)
卵巢是女性重要的內(nèi)分泌器官,具有內(nèi)分泌和生殖功能.隨著腫瘤的年輕化,化療和放療是治療惡性腫瘤及自身免疫性疾病的重要手段,其對(duì)卵巢產(chǎn)生的不可避免的損傷已經(jīng)成為誘發(fā)卵巢早衰(Premature ovarian failure,POF)的主要原因之一[1-2],嚴(yán)重影響女性生殖內(nèi)分泌功能.明確放療引起POF的分子機(jī)制對(duì)預(yù)防POF尤為重要.卵泡是維持卵巢功能的物質(zhì)基礎(chǔ),卵巢的儲(chǔ)備功能由卵巢內(nèi)原始卵泡數(shù)決定,原始卵泡池的大小反應(yīng)了卵巢壽命的長(zhǎng)短,過(guò)度耗竭將導(dǎo)致POF,PI3K/Akt信號(hào)通路的平衡對(duì)于原始卵泡池的維持、生長(zhǎng)和存活至關(guān)重要[3].目前,關(guān)于放療引起POF的分子機(jī)制尚不明確,有研究表明,放療輻射會(huì)激活PI3K/Akt通路[4-5],放療導(dǎo)致卵巢早衰的機(jī)制是如何進(jìn)行調(diào)控的,目前研究較少.本研究用60Co γ射線對(duì)大鼠進(jìn)行照射,通過(guò)大鼠卵巢組織病理學(xué),分析血清激素水平以及卵巢內(nèi)PI3K/Akt信號(hào)通路蛋白表達(dá)情況,探討輻射對(duì)卵巢組織損傷的分子機(jī)制,為證明輻射損傷導(dǎo)致POF提供理論依據(jù).
1.1.1 試驗(yàn)動(dòng)物以及模型制備 雌性SPF級(jí)SD大鼠6月齡40只(200±20)g,由甘肅中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào):SYXK(甘)2004~0006.在自然光照條件下飼養(yǎng),自由攝食、飲水,保持室溫20~25 ℃,3 d后用于試驗(yàn)研究.每組大鼠各20只.隨機(jī)分為照射組:照射條件:60Co γ射線全身一次性照射6.0 Gy,劑量率1.143~1.21 Gy/min;(照射地點(diǎn)在蘭州大學(xué)第一醫(yī)院放療科,高能直線加速器,型號(hào):ONCOR Impression Plut),照射源皮距為100 cm,在10 cm×10 cm特制鉛模中,照射野大小為2.0cm×2.0cm照射范圍.;正常組:不進(jìn)行照射,普通喂養(yǎng).照射后大鼠進(jìn)行無(wú)菌飼養(yǎng)(房間用1∶5 000濃度的高錳酸鉀噴灑消毒,空氣用紫外線燈照射30 min,2次/日,飼料、水及墊料均經(jīng)高壓滅菌).
1.1.2 主要試劑 Akt(廠家:SantaCruz,貨號(hào):sc-81434,規(guī)格:50 μg)、磷酸化Akt(廠家:SantaCruz,貨號(hào):sc-514032,規(guī)格:200 μg)、Foxo3a(廠家:Abcam,貨號(hào):ab70314,規(guī)格:100 μL,)、磷酸化Foxo3a(廠家:Abcam,貨號(hào):ab47285,規(guī)格:100 μg)蛋白單克隆抗體.蛋白電泳儀(廠家:Bio-rad,型號(hào):164-5050).
1.2.1 大鼠動(dòng)情周期觀察以及陰道脫落細(xì)胞檢測(cè) 每天早上9:00進(jìn)行陰道脫落細(xì)胞涂片觀察.以生理鹽水潤(rùn)濕棉簽,取陰道脫落細(xì)胞涂于載玻片,自然干燥,甲醇固定1 min,室溫自然干燥,快速瑞姬氏染液染色,PBS沖洗3次,于光學(xué)顯微鏡下觀察.根據(jù)陰道涂片表現(xiàn),正常大鼠動(dòng)情周期4~5 d,包括動(dòng)情前期、動(dòng)情期、動(dòng)情后期以及動(dòng)情間期;雌性大鼠動(dòng)情周期的判斷[6]:鏡下見(jiàn)大量有核上皮細(xì)胞和少量白細(xì)胞為動(dòng)情前期;鏡下見(jiàn)大量角質(zhì)化、大而無(wú)規(guī)則的無(wú)核上皮細(xì)胞為動(dòng)情期;有核上皮細(xì)胞、角化上皮細(xì)胞和白細(xì)胞均存在為動(dòng)情后期;大量白細(xì)胞和少量角質(zhì)化細(xì)胞為動(dòng)情間期.若動(dòng)情周期延長(zhǎng)至7 d以上,或者無(wú)明顯的周期表現(xiàn),持續(xù)處于動(dòng)情間期,則動(dòng)情周期紊亂.
1.2.2 大鼠血清性激素水平的檢測(cè) 分別于照射前,照射后第1、3、7、14、21天斷尾采血,將所采血液接入1.5 mL離心管中,在4 ℃以3 000 r/min離心10 min,取出離心管,使用移液槍吸取上層血清移入新的離心管中,標(biāo)記存放在-20 ℃冰箱內(nèi)備用.采用ELISA法檢測(cè)血清卵泡刺激素(FSH)、雌激素(E2)和黃體生成素(LH),按試劑盒操作步驟進(jìn)行,96孔檢測(cè),設(shè)置空白孔(不加樣),標(biāo)準(zhǔn)孔(加樣50 μL),待測(cè)孔(先加樣品稀釋液40 μL,再加待測(cè)樣10 μL),封閉,37 ℃,溫育30 min,后洗滌,甩干,后各孔加酶標(biāo)試劑50 μL(空白孔除外),37 ℃,溫育30 min,洗滌,每孔加顯色劑A 50 μL,每孔加顯色劑B 50 μL輕震蕩,顯色10 min,每孔再加終止液50 μL,在15 min內(nèi)使用酶標(biāo)儀在450 nm波長(zhǎng)進(jìn)行吸光度(D)檢測(cè),按照標(biāo)準(zhǔn)品及D值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,獲得直線回歸方程式,計(jì)算出樣品中激素的實(shí)際濃度.
1.2.3 TUNEL法觀察卵巢組織顆粒細(xì)胞凋亡 分別于照射前,照射后第3、7、14、21天,取大鼠4只脫頸椎處死,解剖取出大鼠卵巢組織,各約0.5 cm2大小,用10%福爾馬林固定,石蠟包埋,將組織切片備用.參照凋亡檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行TUNEL檢測(cè):白片脫臘、水化,20 μg/mL蛋白酶K37 ℃孵育15 min,過(guò)氧化氫浸泡5 min,每個(gè)標(biāo)本滴加約10 mL的TUNEL反應(yīng)液,暗室中37 ℃孵育60 min后,PBS沖洗,滴加約50 μL TdT+450 μL熒光素標(biāo)記的dUTP液混勻,加蓋玻片或封口膜在暗濕盒中37 ℃反應(yīng)60 min.PBS漂洗3次,玻片干燥后在熒光顯微鏡下計(jì)數(shù)凋亡細(xì)胞(激發(fā)光波長(zhǎng)為450~500 nm,檢測(cè)波長(zhǎng)為515~565 nm),2組分別取6個(gè)卵巢,每個(gè)卵巢隨機(jī)選取一張切片,每張切片隨機(jī)選取5個(gè)視野(600×),試驗(yàn)重復(fù)3次.計(jì)數(shù)兩組卵巢切片上卵母細(xì)胞凋亡.
1.2.4 卵巢組織切片觀察 分別選取照射前,照射后第3、7、14、21天卵巢組織,一部分卵巢組織在4%多聚甲醛PBS中固定過(guò)夜(pH 7.6) (PBS,Sigma),轉(zhuǎn)至70%乙醇中處理.固定組織經(jīng)常規(guī)石蠟包埋脫水步驟.卵巢組織切片4 μm,依次在90%、70%、30%的酒精和蒸餾水中進(jìn)行脫蠟和再水化,另一部分PBS洗滌5 min,蘇木精和伊紅染色(BDH,普爾,英國(guó))顯微鏡下觀察卵巢組織卵泡變化情況(卵泡數(shù)目和發(fā)育階段).
1.2.5 免疫組織化對(duì)大鼠卵巢組織蛋白表達(dá)的分析 取大鼠卵巢組織各約0.5 cm2大小,用10%福爾馬林固定,石蠟包埋,組織切片.石蠟切片經(jīng)二甲苯脫蠟,梯度酒精脫水,下行至蒸餾水.PBS洗3次,每次5 min.3 %過(guò)氧化氫室溫避光作用20 min.蒸餾水洗.正常山羊血清封閉液室溫作用30 min.倒掉封閉液后,滴加一抗工作液(1∶200),4 ℃孵育過(guò)夜.PBS洗3次,每次5 min.滴加辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的山羊抗兔或小鼠二抗工作液,室溫作用30 min.PBS洗3次,每次5 min.滴加DAB顯色液,室溫避光作用10 min,顯微鏡下控制顯色時(shí)間.蒸餾水洗,蘇木素染液作用5 min.蒸餾水洗,1%鹽酸酒精分色10 s,經(jīng)0.1 mol/L pH 7.4 PBS作用15 min.經(jīng)梯度酒精脫水,二甲苯透明后,中性樹(shù)膠封片,鏡下觀察.同時(shí)設(shè)染色對(duì)照,PBS替代一抗于4 ℃孵育過(guò)夜.觀察蛋白表達(dá)部位.購(gòu)買一抗,利用辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記二抗和DAB進(jìn)行染色.陽(yáng)性結(jié)果以棕黃色或黃色顯示.染色后,以顯微照相系統(tǒng)觀察、拍照.每個(gè)卵巢隨機(jī)選取一張切片,每張切片隨機(jī)選取5個(gè)視野(600×),試驗(yàn)重復(fù)3次.將結(jié)果輸入Image-Pro-Plus圖像分析軟件,測(cè)量卵巢內(nèi)Akt、磷酸化Akt、Foxo3a、磷酸化Foxo3a蛋白表達(dá)陽(yáng)性部位的平均光密度(optical density,D)值.
2.1.1 大鼠動(dòng)情周期觀察 輻射組大鼠動(dòng)情周期延長(zhǎng),與正常組比較差異顯著(P<0.01).同時(shí)大鼠出現(xiàn)毛發(fā)脫落,躁動(dòng)不安,體質(zhì)量降低等現(xiàn)象(表1).
2.1.2 大鼠陰道脫落細(xì)胞檢測(cè) 正常大鼠陰道細(xì)胞涂片觀察結(jié)果:可見(jiàn)大量角化細(xì)胞,形狀大而不規(guī)則,細(xì)胞著色較深;輻射照射后大鼠動(dòng)情期紊亂,細(xì)胞無(wú)周期性改變;照射第7天陰道脫落細(xì)胞觀察結(jié)果:角化細(xì)胞略減少,細(xì)胞染色稍淡;照射第14天陰道上皮細(xì)胞體積明顯縮小,較幼稚,角化細(xì)胞明顯減少,漸消失,并逐漸被白細(xì)胞所代替;照射后21天,陰道角化細(xì)胞明顯減少,可見(jiàn)小而圓形,核大的底層細(xì)胞,細(xì)胞著色較淺(圖1~圖4).
表1 大鼠動(dòng)情周期觀察
可見(jiàn)大量角化上皮細(xì)胞,形狀大而不規(guī)則,尚有少量上皮細(xì)胞.There are numerous keratinized epithelial cells,which are large and irregular in shape and have no nucleus.圖1 空白組 HE×100(動(dòng)情期)Figure 1 Control(estrous phase) HE×100
進(jìn)行單因素方差分析,認(rèn)為輻射照射后,大鼠血清FSH、LH水平隨著輻射對(duì)卵巢功能的損傷而逐漸降低,輻射第21天降到最低,與其他各組(除輻射第14天外)比較,有顯著差異(P<0.01);E2水平逐漸降低第7天達(dá)到最低(P<0.01),之后有所回升(表2).
各組之間凋亡細(xì)胞數(shù)比較,在20倍視野下,10個(gè)卵巢組織切片上顆粒細(xì)胞凋亡數(shù)比較,輻射損傷造成卵巢顆粒細(xì)胞明顯凋亡(P<0.01);而且隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)顆粒細(xì)胞凋亡數(shù)量逐漸增加,在輻射損傷第21天達(dá)到高峰(P<0.01),結(jié)果見(jiàn)表3.
可見(jiàn)角化細(xì)胞亦減少,細(xì)胞著色較淺.Note the presence of nucleated cells,a few keratinocytes and leukocytes.圖2 照射第7 d HE×100(動(dòng)情期)Figure 2 Irradiated 7 d(pre-estrus) HE ×100
上皮細(xì)胞體積小,幼稚,角化細(xì)胞少,漸消失,可見(jiàn)白細(xì)胞.Large number of leukocytes and a few nucleated cells.圖3 照射第14 d HE×100(動(dòng)情期)Figure 3 Irradiated 14 d(estrous interphase) HE×100
可見(jiàn)角化細(xì)胞明顯減少,細(xì)胞染色稍淡.Lots of white blood cells,slightly more nucleated cells.圖4 照射21 d HE×100(動(dòng)情期)Figure 4 Irradiated 21 d(estrous interphase) HE×100
表2 大鼠血清FSH,LH 和E2結(jié)果分析
表3 計(jì)數(shù)輻射損傷不同時(shí)間段組卵巢切片上凋亡顆粒細(xì)胞數(shù)
對(duì)照組大鼠卵巢正常,形態(tài)學(xué)觀察可見(jiàn)正常發(fā)育的卵泡,顆粒細(xì)胞層排列整齊(圖5).輻射組可見(jiàn)卵泡閉鎖.閉鎖卵泡的顆粒層松散,大部分的卵泡為無(wú)卵細(xì)胞(圖6).
2.5.1 免疫組化法測(cè)量大鼠卵巢內(nèi)Akt、磷酸化Akt、Foxo3a、磷酸化Foxo3a蛋白表達(dá)陽(yáng)性部位的平均光密度值 利用Image-Pro Plus6.0圖像分析軟件,測(cè)定棕黃色信號(hào)的累積光密度值(IOD),結(jié)果以累積光密度值的數(shù)字表示.輻射照射后,大鼠卵巢組織明顯受損,檢測(cè)不同時(shí)間段卵巢組織內(nèi)Akt、磷酸化Akt、Foxo3a、磷酸化Foxo3a蛋白表達(dá),結(jié)果顯示隨著照射時(shí)間延長(zhǎng)總Akt、p-Akt、Foxo3a 蛋白的表達(dá)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)(P<0.01),尤以總Akt和Foxo3a蛋白的表達(dá)最顯著(P<0.01);而p-Foxo3a蛋白表達(dá)逐漸下降(P<0.01),尤以輻射第21天最顯著(P<0.01).結(jié)果見(jiàn)表4,圖7.
圖5 正常大鼠卵巢組織Figure 5 Ovarian tissue of control
圖6 輻射組大鼠卵巢組織Figure 6 Ovarian tissue of radiation
表4 輻射損傷大鼠卵巢組織Akt/Foxo3a通道蛋白表達(dá)陽(yáng)性部位的平均光密度(D)值分析
圖7 輻射損傷大鼠卵巢組織PI3K/AKT通道蛋白表達(dá)Figure 7 Expression of Akt/ Foxo3a channel protein in the ovarian tissue of rats with radiation injury
2.5.2 免疫組化法標(biāo)記大鼠卵巢內(nèi)Akt、磷酸化Akt、Foxo3a、磷酸化Foxo3a蛋白表達(dá)陽(yáng)性部位 陽(yáng)性信號(hào)標(biāo)記為棕黃色,主要見(jiàn)于卵母細(xì)胞、黃體細(xì)胞(圖8~12).
卵巢是對(duì)輻射極為敏感的器官,而性腺中卵巢內(nèi)的卵細(xì)胞又是輻射最敏感的細(xì)胞.既往有研究表明[7],極低劑量的放射線就能夠促進(jìn)發(fā)育過(guò)程中的生長(zhǎng)卵泡及成熟卵泡走向凋亡,并導(dǎo)致不育.Meirow等[8]研究報(bào)道雌性青年大鼠暴露于0.1 Gy的電離輻射兩周,原始卵泡幾乎完全被破壞.但是輻射損傷的分子機(jī)制目前還不明確[9].試驗(yàn)顯示對(duì)照組大鼠卵巢正常,形態(tài)學(xué)表現(xiàn)可見(jiàn)正常發(fā)育的卵泡,顆粒細(xì)胞層排列整齊.輻射組可見(jiàn)卵泡閉鎖,閉鎖卵泡的顆粒層松散,大部分的卵泡為無(wú)卵細(xì)胞.陰道脫落細(xì)胞檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大鼠動(dòng)情周期消失,出現(xiàn)內(nèi)分泌紊亂.同時(shí)血清學(xué)檢測(cè)卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)水平下降明顯(P<0.01),F(xiàn)SH和LH水平明顯下降可能與高劑量輻射影響垂體分泌功能,導(dǎo)致兩種促性腺激素(FSH和LH)表達(dá)量下調(diào)有關(guān).此研究與Mahran Y F等[7]研究類似.同時(shí)雌二醇(E2)開(kāi)始下降,到輻射第7天最低,之后逐漸上升,卵巢顆粒細(xì)胞凋亡顯示細(xì)胞凋亡明顯(P<0.01).雌二醇由卵巢顆粒細(xì)胞合成分泌,在卵泡內(nèi)儲(chǔ)存,隨著卵母細(xì)胞成熟,其量逐漸增加,早期輻射損傷顆粒細(xì)胞,雌二醇下降,之后雌二醇水平上升,說(shuō)明卵母細(xì)胞最后受損,細(xì)胞崩解,卵泡膜破碎,卵泡內(nèi)雌二醇釋放入血.對(duì)此現(xiàn)象我們認(rèn)為其符合顆粒細(xì)胞保護(hù)學(xué)說(shuō),因?yàn)榇萍に厥怯陕雅菽け砻媛雅菽ぜ?xì)胞和顆粒細(xì)胞在FSH和LH共同作用下合成的[10],李桂芝等[11]研究表明FSH對(duì)于原始卵泡的恢復(fù)發(fā)育有關(guān)鍵作用,極低的FSH不能促進(jìn)卵泡發(fā)育.顆粒細(xì)胞對(duì)卵母細(xì)胞主要起支持、營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)作用,當(dāng)顆粒細(xì)胞損傷和破壞后卵母細(xì)胞能量和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)中斷,影響到卵母細(xì)胞的活力,最終閉鎖退化.PI3K/Akt 通路是廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)重要的生存信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一,其激活與細(xì)胞增殖、分化、凋亡、自噬密切相關(guān)[12-15].研究表明[16-17]PI3K/Akt與原始卵泡發(fā)育有關(guān),PI3K介導(dǎo)的Akt 激活,F(xiàn)oxo3a過(guò)度磷酸化,運(yùn)出細(xì)胞核,刺激原始卵泡啟動(dòng)[18],過(guò)早過(guò)多啟動(dòng)原始卵泡,大量耗竭,導(dǎo)致卵巢早衰的發(fā)生.楊靜等[19]通過(guò)觀察研究,驗(yàn)證了 PI3K/Akt 信號(hào)通路參與卵巢功能衰退(POF)的發(fā)生.Jang等[20]、Roness等[21]和Yi等[22]研究順鉑等化療藥物也是通過(guò)上調(diào)PI3K/Akt通路引起卵泡池耗竭加速導(dǎo)致POF.放射引發(fā)POF是否與PI3K/Akt信號(hào)通路有關(guān),目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道.本試驗(yàn)顯示:Akt、磷酸化p-Akt和Foxo3a蛋白表達(dá)明顯增加(P<0.01),刺激原始卵泡過(guò)度活化消耗,導(dǎo)致POF發(fā)生.聶明月等[23]研究表明Foxo3a主要在原始卵泡及早期初級(jí)卵泡卵母細(xì)胞核表達(dá),在以后階段的卵泡中表達(dá)減少,所以隨著卵巢原始卵泡數(shù)量減少,而磷酸化Foxo3a表達(dá)明顯減少,本試驗(yàn)研究也證實(shí)了這一點(diǎn)(P<0.01).推測(cè)輻射對(duì)卵母細(xì)胞損傷可能源于PI3K/Akt 信號(hào)通路激活誘發(fā)顆粒細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致卵母細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)中斷有關(guān)合成.卵母細(xì)胞損傷卵泡的耗竭[24],內(nèi)分泌功能受到嚴(yán)重影響[25-26],造成POF[27-28],Agorastos等[29]研究表明照射劑量、時(shí)間長(zhǎng)短與卵巢功能能否保留密切相關(guān).
★表示蛋白陽(yáng)性部位,比例尺50 μm.★ indicates the positive part of protein,the scale bar is 50 μm.圖8 正常卵巢卵母細(xì)胞Figure 8 Normal ovary oocytes
★表示蛋白陽(yáng)性部位,比例尺50 μm.★ indicates the positive part of protein,the scale bar is 50 μm.圖9 輻射卵巢卵母細(xì)胞Akt蛋白表達(dá)處Figure 9 Expression of Akt protein in irradiated ovary oocytes
★表示蛋白陽(yáng)性部位,比例尺50 μm.★ indicates the positive part of protein,the scale bar is 50 μm.圖10 輻射卵巢卵母細(xì)胞p-Akt蛋白表達(dá)處Figure 10 Expression of p-Akt protein in irradiated ovary oocytes
★表示蛋白陽(yáng)性部位,比例尺50 μm.★ indicates the positive part of protein,the scale bar is 50 μm.圖11 輻射卵巢卵母細(xì)胞p-Foxo3a蛋白表達(dá)處Figure 11 Expression of p-Foxo3a protein in irradiated ovary oocytes
★表示蛋白陽(yáng)性部位,比例尺50 μm.★ indicates the positive part of protein,the scale bar is 50 μm.圖12 輻射卵巢卵母細(xì)胞Foxo3a蛋白表達(dá)處Figure 12 Expression of Foxo3a protein in irradiated ovary oocytes
因此,研究表明放療導(dǎo)致POF分子機(jī)制可能包括,一方面上調(diào)卵巢內(nèi)PI3K/Akt/Foxo3a信號(hào)通路誘導(dǎo)顆粒細(xì)胞凋亡使卵母細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)和能量供應(yīng)中斷,導(dǎo)致卵泡凋亡閉鎖;另一方面放射治療影響垂體內(nèi)分泌功能,下調(diào)FSH和LH,減弱對(duì)卵泡發(fā)育的刺激,導(dǎo)致POF的發(fā)生.所以對(duì)于放療損傷引起的POF是一種不可逆的損傷,尤其是對(duì)卵母細(xì)胞的發(fā)育.放療治療前的卵子冷凍以及卵巢組織移位保護(hù)是一種可取的維持生殖功能的方法.