孟憲雙, 白樺, 馬強, 張鵬, 馬宏, 鄧玉林
(1. 北京理工大學 生命學院,北京 100081;2. 中國檢驗檢疫科學研究院,北京 100176)
執(zhí)行空間飛行任務的宇航員面臨空間輻射帶來的潛在危害[1-3],尤其當宇航員執(zhí)行出艙作業(yè)時,其頭面部防護的相對薄弱增加了受到空間輻射的風險[4-5],輻射對發(fā)育早期神經細胞分裂行為的干擾,將導致神經系統(tǒng)結構及功能的異常[6-8];此外,放射治療是頭頸部原發(fā)及轉移腫瘤的重要治療方法,然而在接受放射治療后,往往會導致患者嚴重的并發(fā)癥-放射性腦損傷[9]. 隨著社會經濟和醫(yī)療技術的發(fā)展,腫瘤發(fā)病率和確診率逐年增加,同時隨著各種放療技術的臨床應用以及先進影像等技術的使用,頭頸部病灶的發(fā)現(xiàn)率也在增大,因此,近幾年放射性腦損傷的確診率在總體呈上升趨勢. 根據時程和臨床表現(xiàn),輻射誘導的腦損傷分為急性、早期遲發(fā)和晚期遲發(fā)性損傷[10],急性癥狀一般是短暫且可逆的,而晚期遲發(fā)性癥狀是進行性且不可逆轉的,因此,評估生物機體輻照后早期的特異反應,系統(tǒng)研究機體內早期出現(xiàn)的代謝物變化情況,對于降低輻射暴露后早期可能造成的傷害和改善治療策略是非常有必要的,同時也可為進一步理解和闡述輻射損傷的分子機理提供實驗依據.
本實驗室在全腦輻照誘導的神經損傷變化規(guī)律及由神經損傷誘導的外周免疫系統(tǒng)間接效應等方面進行了系統(tǒng)研究并形成了一系列研究成果[11-13]. 前期研究成功建立了大鼠全腦輻照誘導神經損傷的動物模型,并采用影像學手段和蛋白表達水平分析等技術對動物模型機體內的蛋白質,如各種細胞因子,進行了表達分析,闡述了不同腦區(qū)的敏感性差異及其機理. 本文重點探究全腦輻照誘導的神經損傷發(fā)生后,外周血中神經化學物質含量的變化情況,以期尋找潛在的生物標志物. 針對外周血中42種神經化學物質,作者基于超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿復合線性離子阱技術建立了靶向測定方法[14]. 鑒于多數(shù)神經化學物質在反相色譜中保留效果差、質譜響應強度低的特點,采用苯甲酰氯進行衍生化,經衍生化后的待測物色譜保留好,靈敏度高. 由于待測物均為血清內源性小分子化合物,實驗采用磷酸緩沖鹽溶液+牛血清白蛋白作為空白血清模擬液進行質量控制樣本和標準工作曲線溶液的配制,然后按照確定的方法處理,經衍生化后的物質采用內標法定量,未衍生化的乙酰膽堿和褪黑素采用外標法定量,檢出限和定量下限分別為0.05~11.63 nM和0.09~46.50 nM,靈敏度高,能夠滿足血清中42種神經化學物質的分析要求;采用蛋白沉淀法,樣本與蛋白沉淀劑體積比例為1∶4,針對6種不同種類的溶劑/溶液進行了沉淀劑的考察,選擇0.1%甲酸-乙腈體系作為蛋白沉淀劑. 方法特異性好,靈敏度高,標準工作曲線在各自線性范圍內線性良好(線性相關系數(shù)R2>0.99),儀器精密度、提取回收率、基質效應、準確度、日內及日間精密度、穩(wěn)定性、稀釋效應及殘留效應均滿足生物樣本的分析需求.
本研究利用上述已建立的靶向分析方法,采用靶向代謝組學策略,通過單維和多維統(tǒng)計學分析,研究全腦輻照暴露下神經損傷大鼠的血清樣本與健康血清樣本間的代謝輪廓差異,尋找顯著性差異代謝物,發(fā)現(xiàn)全腦輻照暴露下神經損傷的潛在生物標志物,并映射機體內相關的代謝通路,探索全腦輻照誘導神經損傷可能的發(fā)生機制,為早期診斷和改善治療策略提供理論基礎和科學依據.
超高效液相色譜儀(UHPLC,美國SCIEX公司,ExionLC型,配二元泵、在線真空脫氣機、自動進樣器和柱溫箱);串聯(lián)四極桿復合線性離子阱質譜儀(QTrap,美國SCIEX公司,6500+型);渦旋振蕩器(德國IKA公司,MS2型);超聲儀(深圳市方奧微電子有限公司;YM-080S型);超低溫保存箱(中國海爾公司,DW-86L626型);超純水儀(美國Millipore公司,MILLI-Q50型).
42種神經化學物質標準品,包括α-丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、β-丙氨酸、半胱氨酸、谷胱甘肽、甘氨酸、亮氨酸、賴氨酸、甲硫氨酸、鳥氨酸、苯丙氨酸、腐胺、絲氨酸、亞精胺、精胺、蘇氨酸、纈氨酸、3,4-二羥苯乙酸、γ-氨基丁酸、5-羥基吲哚乙酸、乙酰膽堿、精氨酸、多巴胺、谷氨酰胺、組胺、組氨酸、高香草酸、犬尿氨酸、去甲腎上腺素、5-羥色胺、色胺、色氨酸、酪胺、酪氨酸、左旋多巴胺、5-羥基色氨酸、谷氨酸、腎上腺素、褪黑素、章魚胺、香草扁桃酸購自美國Sigma-Aldrich公司、德國Dr.Ehrestorfer公司和美國AccuStandard公司;LC-MS級甲醇、乙腈和甲酸購自美國Fisher公司.
健康雄性SD大鼠,5~6周齡,SPF級,γ射線輻照前200~250 g,購自斯貝福(北京)生物技術有限公司,合格證號:SCXK(京)2016-0002. 全部動物程序均經北京理工大學動物研究委員會批準,按照《實驗動物的護理和使用指南》進行飼養(yǎng). 大鼠飼料由北京科奧協(xié)力飼料有限公司提供,合格證號:SCXK(京)2016-0002;飼養(yǎng)條件:北京理工大學SPF級動物房,屏障環(huán)境,合格證號:SYXK(京)2017-0031;大鼠為獨立隔離飼養(yǎng)籠具飼養(yǎng),室內環(huán)境控制:溫度20~26 ℃,濕度40%~70%,噪音不超過60 dm(A),氨濃度不超過14 mg/m3,自然光照,每天12 h,輻照前,所有大鼠使用標準飼料和純凈水進行喂養(yǎng)(自由飲水進食).
輻照部位為從眼球后援至枕骨前緣. γ射線輻照前,將大鼠用3%(質量分數(shù))的戊巴比妥鈉溶液進行腹腔注射麻醉(劑量為0.3 mL/100 g體重). 將大鼠標記好號碼并豎直懸掛進行體位固定,使用鉛磚將自頸部下半身屏蔽,室溫條件下對腦部進行輻照.60Co γ射線源距為1 m,一次性輻照,輻照劑量為10、20、30、40和50 Gy,劑量率為2.519 4 Gy/min. 其中,分次累積全腦輻照采用每周進行10 Gy劑量輻照,共3次(總劑量為30 Gy)的方式進行. 因60Co γ射線在定位照射方面存在一定難度,本實驗通過鉛磚屏蔽95%以上射線,因此,可用來模擬腦局部輻照. 輻照后的實驗大鼠被運送回至北京理工大學生命學院動物房,繼續(xù)以標準維持飼料和純凈水喂養(yǎng),直至處死.
每組大鼠(8只)在輻照30天后,用3%(質量分數(shù))的戊巴比妥鈉溶液進行腹腔注射麻醉(劑量為0.3 mL/100 g體重)取腦組織,稱取180 mg置于勻漿管,加入4 ℃預冷0.9%生理鹽水,將腦組織剪碎進行勻漿處理(冰上操作),3 000 r/min離心15 min,收集上清液,為避免反復凍融可進行分裝,置于-20 ℃條件下保存?zhèn)溆茫謩e進行氧化應激損傷相關指標丙二醛(MDA)、谷胱甘肽(GSH)和8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)含量的測定. 電離輻射對機體的損傷主要通過間接作用,作用于機體內的大分子,使其發(fā)生電離作用,產生自由基. 自由基作為機體代謝的中間產物,一方面與超氧化物歧化酶(SOD)作用,導致其酶活性下降,另一方面它還可攻擊脂質、蛋白質和DNA等,使得脂質過氧化物水平升高,造成組織細胞受損. MDA是脂質過氧化的終產物,其含量高低可作為反映機體氧化損傷的間接指標;谷胱甘肽有還原型(GSH)和氧化型(L-Glutathione oxidized,GSSG)兩種形式,在生理條件下以還原型谷胱甘肽占絕大多數(shù). 當輻照誘導機體內產生自由基時,GSH因參與自由基的清除和過氧化物的解毒而被消耗生成GSSG;8-羥基脫氧鳥苷是敏感的DNA損傷標志物,其生成原因主要包括電離輻射、化學致癌物以及細胞新陳代謝過程中產生的大量ROS攻擊DNA中鳥嘌呤生成8-羥基脫氧鳥苷.
將全部大鼠稱重并以戊巴比妥鈉以腹腔注射(60 mg/kg體重)進行麻醉;待麻醉后約20 min,將大鼠以仰臥位固定于木板上,用環(huán)形鉗夾住大鼠頸部及左右腹股溝,環(huán)形鉗手柄套固定于鐵釘,大鼠即固定好;打開胸腔,將心臟暴露,進行心尖取血. 取完血后將血置于滅菌的離心管中,室溫下凝固1~2 h(如凝血效果不好,可放置4 ℃冰箱過夜,使血液充分凝固),待凝固后,4 ℃條件下3 500 r/min離心10 min,吸取上清液,分裝并標記好,置于-80 ℃黑暗條件下保存,用于神經化學物質的分析測定.
關于血清樣本處理、空白血清模擬液的配制及色譜-質譜方法見文獻[14].
采用R軟件進行數(shù)據預處理. 當信號接近背景時,會增加分析誤差,基于這些數(shù)據的結論是可疑的,在進一步分析前消除這些噪聲;對單個色譜峰進行過濾篩選,每個組別中只保留空值不超過50%或所有組別中空值不多于50%的色譜峰數(shù)據;對原始數(shù)據中的缺失值進行模擬(missing value recording),缺失值模擬方法為最小值1/2進行填補.
單變量統(tǒng)計分析的計算結果以“平均值±標準方差”表示,并采用獨立樣本t檢驗(Student'st-test),當p<0.05,認為在統(tǒng)計學上具有顯著性差異,當p<0.01時,認為具有極顯著性差異,不同組別之間神經化學物質的濃度比較采用倍數(shù)變化(fold change,FC)值表示. 進行多變量統(tǒng)計學分析時,將處理后的LC-MS/MS數(shù)據導入至SIMCA-P軟件(Version 15.0.2,Umetrics AB,Umea,Sweden)進行多元變量模式識別分析. 首先采用無師監(jiān)督的主成分分析(principal component analysis,PCA)法建立多維統(tǒng)計模型,進行各組樣本間整體分布情況及有無離散樣本點的考察,并且通過質控樣本在PCA中的聚集程度考察該分析批次LC-MS系統(tǒng)的穩(wěn)定性;然后采用有監(jiān)督的正交偏最小二乘判別分析(orthogonal partial least square-discriminant analysis,OPLS-DA)法構建模型,以區(qū)分不同組別樣本以及其中的差異神經化學物質.
適宜的輻照劑量是本實驗成功與否的關鍵,因此,結合全腦輻照后氧化應激指標含量的變化情況及實驗室前期研究基礎. 本實驗首先確定輻照劑量. 從表1可以看出,與對照組相比,3個輻照組大鼠腦組織中的丙二醛和8-羥基脫氧鳥苷的濃度均出現(xiàn)升高趨勢,其中除10 Gy組與對照組之間丙二醛的差異無顯著性差異外,其他的組間差異均具有統(tǒng)計學意義(p<0.05),且其中除20 Gy組與對照組的差異p<0.05外,其他組間差異均具有極顯著性差異(p<0.01). 與對照組相比,3個輻照組大鼠腦組織中的還原型谷胱甘肽含量呈下降趨勢,且10 Gy、20 Gy、30 Gy、40 Gy、50 Gy與對照組間的差異均具有統(tǒng)計學意義(p<0.05和p<0.01). 這主要是因為電離輻射對機體的損傷主要通過間接作用,作用于機體內的大分子,使其發(fā)生電離作用,產生活性氧自由基(ROS). 當體內ROS產生量大于機體可承受的抗氧化能力后,就會使機體產生氧化應激損傷. 因此,3種與氧化應激相關的內源性抗氧化組分的含量變化可間接反映鼠腦經輻照后的受損程度. 本實驗在對大鼠進行三個不同劑量的γ射線全腦輻照后,綜合大鼠的一般狀態(tài)、生存率和氧化應激等指標檢測結果,旨在達到輻射具有生物學效應的同時,又不至造成實驗大鼠基本機能的喪失或死亡,采用10 Gy作為低劑量進行大鼠全腦輻照.
表1 不同輻照劑量下大鼠丙二醛、還原型谷胱甘肽及8-羥基脫氧鳥苷含量的比較Tab.1 Comparison of the concentrations of MDA,GSH,and 8-OHdG of rats irradiated in different
實驗前期研究發(fā)現(xiàn)[9],在全腦輻照后30 d,30 Gy的γ射線可導致大鼠探索行為及肢體活動能力明顯下降,且焦慮和抑郁水平明顯上升,指示γ射線全腦輻照對腦功能存在潛在的影響作用;通過18F-FDG micro PET-CT研究大鼠腦內葡萄糖代謝情況,發(fā)現(xiàn)30 Gy的劑量可引起海馬和皮層(包括頂葉相關皮層、聽覺皮層、感覺皮層和運動皮層)中葡萄糖代謝下降. 在輻照后90 d,皮層中葡萄糖代謝已經恢復,但海馬中葡萄糖代謝的下降趨勢仍較顯著. 這不僅說明不同腦區(qū)葡萄糖代謝對輻照的敏感性存在差異,而且有著時間上依賴性,表明30 Gy的全腦輻照劑量已造成一定程度的神經損傷,而該輻照劑量對大鼠的存活率又無顯著影響,因此,本課題擬選擇γ射線的30 Gy作為大鼠全腦輻照模型的最大輻照劑量.
由于在頭頸癌的放療過程中,通常采用分次累積輻照的方式進行,因此本研究擬同樣采用分次輻照的模式進行臨床模擬. 由于全腦輻照過程中需進行麻醉,若分次次數(shù)較多,則平均每次輻照劑量較小,意味著麻醉次數(shù)過多,而麻藥對神經系統(tǒng)會產生較大的危害作用,因此,為避免反復麻醉,本實驗選擇單束輻照劑量為10 Gy,共輻照3次. 在輻照中和輻照后,均未發(fā)現(xiàn)大鼠的非正常死亡現(xiàn)象.
對神經化學物質的定量結果(每只大鼠測定一次,組內大鼠的結果取平均值)進行t檢驗,結果如表2所示,計量結果以“平均值±標準差”形式表示,當p<0.05時,認為在統(tǒng)計學上具有顯著性差異. 與對照組相比,輻照組(10 Gy、30 Gy和10 Gy×3)中多數(shù)神經化學物質的濃度呈下降趨勢,且有些物質的濃度下降趨勢具有統(tǒng)計學意義(p<0.05),如去甲腎上腺素、γ-氨基丁酸、酪胺、谷氨酸、酪氨酸、色氨酸的濃度顯著性下降,而少量神經化學物質濃度呈顯著性上升趨勢(p<0.05),如乙酰膽堿和褪黑素,濃度變化倍數(shù)分別為4.68(30 Gy組/對照組)和10.00(30 Gy組/對照組). 值得注意的是,分次累積輻照組(10 Gy×3)與30 Gy輻照組相比,由于分次累積輻照造成的機體損傷小于單次相同劑量的輻照,因此,10 Gy×3輻照組神經化學物質濃度的變化情況(與對照組相比)沒有30 Gy輻照組明顯;另外,與對照組相比時,有些神經化學物質的濃度在10 Gy劑量輻照后早期表現(xiàn)為下降,而在30 Gy劑量輻照后(與10 Gy組比較),濃度卻表現(xiàn)為不同程度的上升. 實驗統(tǒng)計了在10 Gy組與對照組、30 Gy組與10 Gy組以及10 Gy×3組與30 Gy組對比分析中,具有顯著性差異(p<0.05)的神經化學物質,包括去甲腎上腺素、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸、酪胺、谷氨酸、酪氨酸、色氨酸、褪黑素、α-丙氨酸和甘氨酸. 單變量統(tǒng)計實驗結果提示全腦輻照損傷的機理比較復雜,僅用一種代謝物的濃度變化情況很難滿足早期損傷診斷的準確度要求. 而結合多變量統(tǒng)計分析則能綜合多個變量的差異性信息,在不同組別間的分類中具有單變量分析不可比擬的優(yōu)勢. 因此,本研究將結合多變量分析模型進行對照組與輻照組的分類研究.
表2 對照組和輻照組大鼠血清中神經化學物質的濃度(nmol/L)變化
續(xù)表
2.3.1主成分分析
PCA模型中兩個主成分的貢獻率PC(1)為0.693,PC(2)為0.107,累計貢獻率為0.8,表明所選主成分可較真實地反映原變量信息,得分散點圖見圖1.圖中無異常離散樣本點,全部處于95%置信區(qū)間(Hotelling’s T-squared ellipse)內,對照組血清樣本分布比較緊湊,而不同劑量的輻照組分布比較分散;對照組與10 Gy、30 Gy和10 Gy×3輻照組早期的血清樣本具有一定的分離趨勢,而不同劑量的輻照組不能很好的區(qū)分,實驗結果表明,PCA模型不能完全區(qū)分對照組和不同劑量的輻照組以及分次累積輻照組早期的血清樣本. 另外,值得注意的是,在PCA分析中,全體質控樣本點均較密集地聚集在象限中央位置附近,表明系統(tǒng)和方法具有良好的穩(wěn)定性與可靠性.
圖1 對照組、輻照組和質控樣本血清LC-MS/MS數(shù)據的PCA得分散點圖Fig.1 PCA score scatter plot of LC-MS/MS data from serum samples of Ctrl group,IR groups,and QC samples
2.3.2正交偏最小二乘-判別分析
OPLS-DA模型的解釋率R2Y(cum)為0.717,預測率Q2(cum)為0.276,其得分散點圖見圖2(a),對照組和三個輻照組的血清樣本分離趨勢非常明顯,表明輻照早期的血清樣本中神經化學物質的代謝發(fā)生了較為明顯的紊亂;而不同劑量的輻照組血樣樣本仍不能較好區(qū)分. 實驗結果表明,該OPLS-DA模型對不同實驗組的區(qū)分程度較低,預測率較低,不能夠完全區(qū)分不同劑量的輻照組早期血清樣本.
因此,鑒于不同劑量的輻照組血清樣本不能完全區(qū)分,本實驗將10 Gy、30 Gy和10 Gy×3輻照組合并組成輻照組建立OPLS-DA模型. 模型的解釋率R2Y(cum)為0.892,預測率Q2(cum)為0.833,模型解釋率R2Y和預測率Q2都較高,能很好地解釋和預測兩組樣本間的差異. 該模型包括了1個第一主成分的預測成分和2個正交主成分擬合得分散點圖見圖2(b). 對照組分布比較緊湊,輻照組分部較為分散,表明對照組與輻照組血清早期樣本的神經化學物質代謝譜存在差異,可以較好地區(qū)分. 對模型采用200次響應置換檢驗,R2Y值構成的回歸線截距為0.39,Q2構成的回歸線截距為-1.93,通過隨機排序計算所得的R2(cum)和Q2(cum)值小于原始值,表明原模型可很好地解釋不同組樣本之間的差異. 同時隨著置換保留度逐漸降低,置換的Y變量比例增大,隨機模型的Q2逐漸下降,提示原模型具有良好的穩(wěn)健性,不存在過擬合現(xiàn)象.
圖2 PCA得分散點圖Fig.2 PCA score scatter plots
采用變量性重要投影(variable importance in the projection,VIP)這一指標進行差異性神經化學物質的篩選. 基于不同輻照組間OPLS-DA模型分析結果,本實驗篩選出14個VIP值均大于1.0的重要差異神經化學物質(圖3),包括酪胺、谷氨酸、高香草酸、腎上腺素、5-羥吲哚乙酸、半胱氨酸、天冬氨酸、亞精胺、多巴胺、谷胱甘肽、精胺、鳥氨酸、乙酰膽堿、褪黑素,它們都是對OPLS-DA模型中分組貢獻較大的變量,同時結合單變量統(tǒng)計分析t-test中的p<0.05. 本實驗共篩選到乙酰膽堿、褪黑素、谷氨酸和酪胺4種神經化學物質,它們是指示電離輻射致腦損傷潛在的生物標志物.
圖3 血清樣本中神經化學物質代謝譜的S形曲線圖Fig. 3 S-plot of neurochemicals metabolic profiles in two groups of rat serum samples
將差異性神經化學物質在KEGG pathway數(shù)據庫中進行映射,并整理出14個差異性神經化學物質映射的所有代謝通路(圖4). 結果表明,健康對照組與輻照組大鼠間的差異神經化學物質總共映射出了34個相關代謝通路,其中5個代謝通路的Impact值大于0.5,是本實驗所要研究的重要代謝通路,值得進一步關注. 它們分別是苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成(phenylalanine,tyrosine and tryptophan biosynthesis)、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(alanine,aspartate and glutamate metabolism)、酪氨酸代謝(tyrosine metabolism)、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝(glycine,serine and threonine metabolism)以及D-谷氨酰胺與D-谷氨酸代謝(D-Glutamine and D-glutamate metabolism)途徑. 表明這些代謝途徑在全腦輻照過程中受到了擾動,可能是與輻照致神經損傷過程密切相關的代謝通路. 代謝通路富集分析和富集分析的氣泡圖中,每個氣泡代表一個代謝通路,橫坐標代表該通路在拓撲分析中的影響因子大小,縱坐標和氣泡的顏色代表富集分析的P值,顏色越深,表示P值越小,即富集程度越顯著.
圖4 差異性神經化學物質的代謝通路富集分析和拓撲分析氣泡圖Fig.4 Bubble plot for metabolic pathway enrichment analysis andtopology analysis of the differential neurochemicals
本實驗在前期建立的超高效液相色譜-串聯(lián)質譜分析方法基礎上,對60Co γ射線全腦輻照暴露下神經損傷大鼠的血清樣本進行了基于靶向代謝組學策略的統(tǒng)計學分析. 血清樣本中神經化學物質單變量統(tǒng)計分析表明,全腦輻照大鼠血清中絕大多數(shù)神經化學物質隨著輻照劑量增大含量降低,其中去甲腎上腺素、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸、酪胺、谷氨酸、酪氨酸、色氨酸、褪黑素、α-丙氨酸和甘氨酸在10 Gy、30 Gy及10 Gy×3輻照組中的含量均顯著低于對照組血清樣本,而3個輻照組中乙酰膽堿和褪黑素的含量均顯著高于對照組,表明接受全腦輻照后,血清中的神經化學物質代謝譜發(fā)生了紊亂. 另外,通過進行30 Gy和10 Gy×3輻照組的單變量統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),分次累積輻照較同等劑量單次輻照對神經化學物質造成的擾動程度低,其中具有顯著性差異的神經化學物質包括去甲腎上腺素、乙酰膽堿、酪胺、谷氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸、色氨酸、褪黑素、α-丙氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸. 通過結合多變量統(tǒng)計分析,本實驗建立的OPLS-DA模型較好地區(qū)分了對照組和輻照組的血清樣本,篩選到了VIP>1和p<0.05的4種神經化學物質,即乙酰膽堿、谷氨酸、酪胺和褪黑素,它們是對模型分類貢獻較大的變量,可作為全腦輻照誘導神經損傷潛在的生物標志物.