魏閃閃,王婷,彭偉彪,汪家春,馮旭,蘇笠,儲(chǔ)智勇,張陣陣
目前,電離輻照已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,然而電離事故及放射醫(yī)療不可避免地對(duì)人體造成傷害,引起急性輻照綜合征[1]。在電離輻照過(guò)程中,放射源在組織內(nèi)呈指數(shù)衰減的形式分布,因此,入射通道的正常細(xì)胞及組織均會(huì)受到一定程度的損傷,可能引起并發(fā)癥[2]。水是細(xì)胞的主要成分,電離輻照作用于水分子后,產(chǎn)生2 個(gè)初級(jí)自由基(OH-和H+),進(jìn)而引起了一系列自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng),產(chǎn)生多種自由基,特別是輻照后細(xì)胞代謝產(chǎn)物活性氧(ROS)作用于線粒體膜電位,促使細(xì)胞的生理生化發(fā)生改變,誘導(dǎo)生物大分子的破壞、失活,甚至是細(xì)胞的凋亡[2-3]。已有研究結(jié)果表明,電離輻照導(dǎo)致的DNA 損傷90%是由自由基造成的,因此,清除自由基氧化損傷是防輻照損傷的重要途徑之一[3]。
外源性損傷修復(fù)藥物主要通過(guò)直接清除體內(nèi)自由基來(lái)保護(hù)機(jī)體,進(jìn)而有效減少輻照損傷[4]。一些中藥及其中的活性成分通過(guò)減少輻照或光解水產(chǎn)生的OH-自由基,防止自由基對(duì)機(jī)體產(chǎn)生氧化損傷,從而具有良好的抗氧化功效[5]。因此,開(kāi)發(fā)新的天然輻照防護(hù)劑及其活性成分不僅具有廣泛的應(yīng)用前景,而且具有重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的科學(xué)價(jià)值。
作為最早收載冬蟲(chóng)夏草的國(guó)家,中國(guó)首次于公元8 世紀(jì)的《月王藥診》中記載冬蟲(chóng)夏草具有治療肺部疾病的功效[6]。隨后,《千萬(wàn)舍利》《四川通志》《藥性考》及《景岳全集》等記載冬蟲(chóng)夏草性溫暖,秘精益氣,專補(bǔ)命門,能益腎補(bǔ)腎,化痰止咳[7-8]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,冬蟲(chóng)夏草具有抗腫瘤、保護(hù)小腦、抗肝纖維化、抗衰老、保護(hù)胃和抗糖尿病、壯陽(yáng)、抗疲勞、免疫調(diào)節(jié)等多種功效[9-11]。冬蟲(chóng)夏草雖已有上千年的用藥歷史,但對(duì)其功效的研究依然處于初步階段。本研究測(cè)定了輻照小鼠睪丸組織中抗氧化酶活性、脂質(zhì)過(guò)氧化物產(chǎn)物含量、氧化酶相關(guān)的基因表達(dá)等,初步探討了冬蟲(chóng)夏草提取液(Cordyceps sinensisexact,CSE)對(duì)輻照誘導(dǎo)小鼠睪丸組織氧化損傷的保護(hù)作用。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品 野生冬蟲(chóng)夏草產(chǎn)自青海玉樹(shù),購(gòu)買于雷允上藥業(yè)集團(tuán)有限公司,由海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院黃寶康教授鑒定為真品。CSE 采用了水提法進(jìn)行制備[12],由海軍特色醫(yī)學(xué)中心(原海軍醫(yī)學(xué)研究所)制劑室提供(批號(hào):20161201)。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 50 只SPF 級(jí)C57BL/6 雄性小鼠(體重20~25 g)購(gòu)于上海西普爾必凱實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,生產(chǎn)許可證號(hào):SCXK(滬)2013-2016。所有小鼠放置溫度為22~26 ℃、濕度為44%~65% 的室內(nèi)動(dòng)物房中進(jìn)行飼養(yǎng),并給予正常飲食、飲水,飼養(yǎng)1 周以適應(yīng)生長(zhǎng)。本次實(shí)驗(yàn)已通過(guò)海軍軍醫(yī)大學(xué)倫理委員會(huì)審核,且相關(guān)操作均遵守實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理規(guī)范和適用原則。
1.1.3 動(dòng)物分組 50 只SPF 級(jí)C57BL/6 雄性小鼠,按數(shù)字表法隨機(jī)分為未輻照組(Control 組)、輻照組(Model 組)、低劑量CSE(CSE-L)組(生藥劑量312.5 mg/kg)、中劑量CSE(CSE-M)組(生藥劑量625.0 mg/kg)和高劑量CSE(CSE-H)組(生藥劑量1 250.0 mg/kg),共5 組,每組各10 只。
1.1.4 試劑 生理鹽水(批號(hào):160530D13)購(gòu)于黑龍江福和華星制藥集團(tuán)股份有限公司;丙二醛(malondialdehyde,MDA)檢測(cè)試劑盒(S0131)、總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性檢測(cè)試劑盒(S0101)、4%的多聚甲醛(P0099)均購(gòu)于碧云天生物科技有限公司;髓過(guò)氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)一抗購(gòu)買于Cell Signaling Technology;PrimeScriptTMRT Master Mix(Perfect Real v Time)(RR036A)、RNAiso Plus(9109)均購(gòu)于Takara;SybrGreen qPCR Master Mix(QR-SG-M200)購(gòu)于Rainbio 公司。
1.1.5 實(shí)驗(yàn)儀器 ECLIPSE TI-SR 倒置熒光顯微鏡(日本NIKON 公司);ECLIPSE C1 正置熒光顯微鏡(日本NIKON 公司);SpectraMax M5/M5e 多功能酶標(biāo)儀(美國(guó)分子儀器公司);CFX96 Touch 定量PCR 儀(美國(guó)Bio-rad 公司)。
1.2.1 建立電離輻照損傷模型 除Control 組外,其余4 組小鼠均放置于塑料盒中固定,給予單次8 Gy60Co γ 射線全身輻照(輻照率為0.96 Gy/min)。輻照4 h 后,CSE-L、CSE-M 與CSE-H 組灌胃給予相應(yīng)生藥劑量的CSE,Control 及Model 組小鼠給予等體積量的生理鹽水。所有小鼠在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,每日于14:00 進(jìn)行灌胃給藥/生理鹽水1 次,共持續(xù)28 d。在此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,Control、CSE-M 及CSE-H 組小鼠均未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,Model 組小鼠死亡4 只,CSE-L 組小鼠死亡1 只。
1.2.2 標(biāo)本收集 各組小鼠灌胃給藥/生理鹽水28 d 后,3% 水合氯醛麻醉小鼠,切開(kāi)陰囊后,將2 只睪丸取出并用生理鹽水洗滌干凈,1 只保存于4% 體積分?jǐn)?shù)的多聚甲醛中,另1 只液氮速凍后放于-80 ℃冰箱中保存。
1.2.3 睪丸組織中MDA 水平的檢測(cè)[13]?。?0 ±2)mg 睪丸組織,加入200 μl 蛋白裂解液至細(xì)胞粉碎機(jī)中研碎,離心,收集上清中的蛋白提取液。聚氰基丙烯酸正丁酯(BCA)蛋白濃度測(cè)定試劑盒檢測(cè)待測(cè)樣品中的蛋白濃度。根據(jù)說(shuō)明書將蛋白裂解液/標(biāo)準(zhǔn)品/待測(cè)樣品、MDA 檢測(cè)工作液加入至0.6 ml 的PCR 管中,加熱15 min,冷卻,離心半徑8.6 cm,離心力(RCF)為1 000×g,離心10 min,取200 μl 各組上清至新的平底96 孔板,放入Spectra-Max M5/M5e 多功能酶標(biāo)儀中,分別測(cè)定各孔溶液在532 nm 處的吸光度。按照該試劑盒說(shuō)明書畫出標(biāo)準(zhǔn)曲線,并分別計(jì)算各組樣品中MDA 水平。
1.2.4 睪丸組織中SOD 活力的檢測(cè)[13]?。?0 ±2)mg 睪丸組織,加入100 μl SOD 樣品制備液至細(xì)胞粉碎機(jī)中研碎,RCF 為12 000×g(離心半徑8.6 cm),離心10 min 后取上清作為待測(cè)樣品。按照說(shuō)明書將各組待測(cè)樣品/SOD 檢測(cè)緩沖液、對(duì)應(yīng)濃度的WST-8/酶工作液、反應(yīng)啟動(dòng)工作液加入至96 孔板中。在37oC 環(huán)境下孵育30 min 后,放入Spectra-Max M5/M5e 多功能酶標(biāo)儀中測(cè)定樣品管與對(duì)照管450 nm 處的吸光度。分別計(jì)算各組樣品中SOD 活力。結(jié)果顯示,CSE-H 組小鼠睪丸組織中的SOD 活力顯著性高于Model 組(P<0.05),而CSE-L 組及CSE-M 組與Model 組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),因此,本研究后續(xù)將進(jìn)一步采用了蘇木精伊紅(HE)及TUNEL 染色、qRT-PCR、Western blotting實(shí)驗(yàn)對(duì)Control、Model、CSE-H 組小鼠的睪丸組織進(jìn)行了檢測(cè)。
1.2.5 HE 染色檢測(cè)小鼠睪丸組織形態(tài)[14]取出的睪丸組織多聚甲醛固定后,經(jīng)TP1020 自動(dòng)脫水機(jī)脫水,進(jìn)行石蠟包埋,EG 1150C 超薄切片機(jī)上做超薄石蠟切片、烤片、切片透明化、脫蠟、HE 染色、封片。將處理好的切片至倒置熒光顯微鏡,并采集Control 組、Model 組、CSE-H 組小鼠睪丸組織HE 切片圖像。
1.2.6 MPO 染色檢測(cè)小鼠睪丸組織炎性浸潤(rùn)細(xì)胞數(shù)目[14]將石蠟切片脫蠟至水,抗原修復(fù),阻斷內(nèi)源性過(guò)氧化酶,血清封閉,孵育一抗、二抗、二氨基聯(lián)苯胺(3,3'-diaminobenzidine,DAB)顯色,復(fù)染細(xì)胞核,脫水封片后,放于熒光顯微鏡下,圖像采集分析Control 組、Model 組、CSE-H 組小鼠睪丸組織MPO 圖像。
1.2.7 qPCR 檢測(cè)睪丸組織中凋亡相關(guān)基因的表達(dá)[11]?。?0 ± 2)mg 睪丸組織,放于1 ml 的Trizol中,用細(xì)胞粉碎機(jī)進(jìn)行研碎。加入200 μl 氯仿,充分漩渦,靜置,離心取上清并加入等量的異丙醇,上下顛倒混勻后靜置,離心棄上清。用無(wú)酶的75%乙醇溶液洗滌3 次,干燥,加入適量的無(wú)酶DEPC 水,混勻。根據(jù)RNA 濃度將各組的RNA 進(jìn)行定量,逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA 后,于96 孔PCR 板中進(jìn)行qPCR,計(jì)算Control 組、Model 組、CSE-H 組小鼠睪丸組織中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)及聚ADP-核糖聚合酶1(poly ADP-ribose polymerase1,PARP1)基因的表達(dá)。引物序列見(jiàn)表1。
表1 PCR 起始序列(primer sequence)
采用Graphpad 7.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,組間比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
與Control 組相比,Model 組小鼠睪丸組織MDA水平提高,SOD 活力降低,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。與Model 組相比,CSE-L、CSE-M、CSE-H 治療組中MDA 水平呈劑量依賴性明顯降低(P<0.01);CSE-H 治療組中SOD 活力升高,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表2。
表2 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照小鼠睪丸組織中MDA 水平及SOD 活力的影響(± s)
表2 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照小鼠睪丸組織中MDA 水平及SOD 活力的影響(± s)
注:與Control 組相比aP<0.05,bP<0.01;與Model 組相比cP<0.05,dP<0.01。CSE 為冬蟲(chóng)夏草提取液,MDA 為丙二醛,SOD 為超氧化物歧化酶;L、M、H 分別代表低、中、高劑量
SOD 活力(units)0.59±0.02 0.32±0.03b 0.31±0.02b 0.38±0.02b 0.44±0.02ac組別Control 組Model 組CSE-L 組CSE-M 組CSE-H 組例數(shù)10 69 10 10 MDA 含量(μmol/mg)340.9±9.0 1 105.0±44.5b 815.5±33.1bd 588.7±36.2ad 447.6±12.0d
HE 病理結(jié)果顯示,Control 組小鼠睪丸組織中生精管膜完整,曲細(xì)管、精管間的間質(zhì)組織結(jié)構(gòu)緊密,排列整齊,層次較清晰,精子較豐富。Model 組小鼠睪丸組織間質(zhì)結(jié)構(gòu)變疏松,間質(zhì)細(xì)胞不同程度地變性,同時(shí),生精上皮明顯變薄,腔內(nèi)空虛。CSE-H 組睪丸組織的形態(tài)完整,結(jié)構(gòu)緊密。見(jiàn)圖1。該結(jié)果提示CSE可以緩解由輻照引起的睪丸組織結(jié)構(gòu)損傷。
圖1 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照誘導(dǎo)小鼠睪丸組織病理學(xué)的影響(HE×200)
MPO 染色結(jié)果顯示,Control 組、Model 組、CSEH 組小鼠睪丸組織中MPO 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)目分別是7.667 ± 1.453、38.000 ± 2.887、18.000 ± 1.732。與Control 組相比,Model 組中小鼠睪丸組織中炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)目顯著增加(P<0.01);與Model 組相比,CSE-H 組中小鼠睪丸組織MPO 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)目明顯降低(P<0.01)。結(jié)果提示高濃度CSE 能有效抑制由輻照引起的睪丸組織中炎性細(xì)胞浸潤(rùn)的發(fā)生。
圖2 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照誘導(dǎo)小鼠睪丸組織病理學(xué)的影響(MPO×400)
與Control 組相比,Model 組中小鼠睪丸組織中PARP1 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯上升(P<0.01),GSH-Px、CAT 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯降低(P<0.01)。與Model 組相比,CSE-H 組中GSH-Px 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯上調(diào),PARP1 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯下降,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。見(jiàn)表3。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CSE 能有效地改善上述與凋亡相關(guān)的基因表達(dá)。
表3 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照誘導(dǎo)小鼠睪丸組織中PARP1、GSH-Px、CAT 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量的影響(± s)
表3 CSE 對(duì)60Co γ 射線輻照誘導(dǎo)小鼠睪丸組織中PARP1、GSH-Px、CAT 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量的影響(± s)
注:與Control 組比較aP<0.01;與Model 組比較bP<0.01。CSE為冬蟲(chóng)夏草提取液,PARP1 為聚ADP-核糖聚合酶1,GSH-Px 為谷胱甘肽過(guò)氧化物酶,CAT 為過(guò)氧化氫酶,H 代表高劑量
CAT 1.04±0.05 0.56±0.06a 0.70±0.03a組別Control 組Model 組CSE-H 組例數(shù)10 6 10 PARP1 1.01±0.04 10.36±0.51a 7.21±0.79ab GSH-Px 1.02±0.07 0.66±0.04a 0.87±0.03b
電離輻照的應(yīng)用是把雙刃劍,在廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域的同時(shí),電離事故及放射醫(yī)療也給人體的正常組織造成了損傷[1]。對(duì)于電離輻照引起的細(xì)胞及機(jī)體損傷,能利用一些輻照防護(hù)劑進(jìn)行預(yù)防及治療。目前,已有的抗輻射藥物雖然療效明顯,但用藥量大,且具有很強(qiáng)的不良反應(yīng),如惡心、嘔吐、頭痛等[15]。因此,開(kāi)發(fā)療效佳、無(wú)不良作用、安全可靠的輻照防護(hù)劑迫在眉睫。
冬蟲(chóng)夏草作為傳統(tǒng)中藥,可用于治療多種疾?。?2]。已有報(bào)道顯示,CSE 可以保護(hù)137Cs 輻照小鼠的骨髓造血干細(xì)胞及小腸組織損傷,降低UV 電離輻照小鼠皮膚組織中的ROS、H2O2及DNA 損傷水平[16];提高輻照小鼠小腸中的隱窩干細(xì)胞活力,降低小腸中凋亡細(xì)胞的數(shù)目;冬蟲(chóng)夏草多糖(CS-PS)能有效地提高4 Gy60Co γ 小鼠脾臟單核細(xì)胞的活力[10,12,17]。然而,CSE 對(duì)電離輻照后睪丸組織氧化損傷是否有保護(hù)作用尚不清楚。因此,根據(jù)已有的研究,本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了CSE 抗輻照作用及其機(jī)理,以期深入挖掘應(yīng)用CSE 進(jìn)行臨床治療的潛在價(jià)值。
生物分子損傷是輻射生物效應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ),電離輻照生物學(xué)效應(yīng)的根本原因主要分為放射線與物質(zhì)的相互作用導(dǎo)致的生物分子電離和激發(fā)的直接作用以及其產(chǎn)生的自由基導(dǎo)致的繼發(fā)作用。輻照后激發(fā)的機(jī)體電離反應(yīng)會(huì)造成大量的自由基發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體的氧化損傷,破壞正常生理狀態(tài)下的抗氧化防御系統(tǒng)的平衡,最終導(dǎo)致機(jī)體不能有效地對(duì)輻照損傷起到抑制作用。SOD 是抗氧化系統(tǒng)的第一道防線,在體內(nèi)氧化與抗氧化平衡中起著重要作用,可通過(guò)歧化作用將O2-轉(zhuǎn)化成H2O2,清除O2-,降低OH-的含量,并發(fā)揮抗氧化作用保護(hù)細(xì)胞免受損傷[18]。MDA 是脂質(zhì)過(guò)氧化物的分解產(chǎn)物,能夠與蛋白質(zhì)、核酸、磷脂等含有氨基的物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián),促使了大分子化合物的分子交聯(lián),進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞代謝異常及功能破壞[18]。因此,增強(qiáng)SOD 活性和降低MDA 水平可以有效清除輻射引起的自由基,并對(duì)輻射損傷起到修復(fù)和防護(hù)作用。本研究結(jié)果顯示,60Co γ 射線輻照后,小鼠睪丸組織中的MDA 水平明顯上升,SOD 活力顯著下降,反映了輻照后小鼠睪丸組織抗氧化能力的降低,而CSE 治療后,Model 組小鼠睪丸組織中的MDA 水平和SOD 活力均得到了改善性調(diào)節(jié),由此可知,CSE可以通過(guò)睪丸組織中MDA 水平下調(diào)、SOD 活力上調(diào)來(lái)提高抗氧化能力。該結(jié)果與虎杖苷提高輻照后睪丸組織的抗氧化能力的研究結(jié)果類似。
Khan 等[19]認(rèn)為,電離輻照產(chǎn)生較多自由基和DNA 損傷后,將可能進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)體組織出現(xiàn)炎性浸潤(rùn)、充血、增生等病變。為進(jìn)一步研究CSE 對(duì)電離輻照小鼠睪丸組織的保護(hù)作用,本研究對(duì)Control組、Model 組、CSE-H 組小鼠的睪丸組織進(jìn)行了HE、MPO 染色,結(jié)果顯示,Model 組小鼠睪丸組織間質(zhì)結(jié)構(gòu)變疏松,腔內(nèi)變空,炎性細(xì)胞數(shù)目增加。CSE 治療后電離輻照小鼠睪丸組織變完整,結(jié)構(gòu)緊密,炎性細(xì)胞數(shù)目減少。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CSE 保護(hù)了小鼠睪丸組織的形態(tài)結(jié)構(gòu),降低了輻照后生精細(xì)胞中的炎性細(xì)胞數(shù)目,其作用機(jī)制可能與抗氧化相關(guān)。
為進(jìn)一步驗(yàn)證CSE 的抗氧化功能,本研究采用了qRT-PCR 對(duì)各組小鼠的睪丸組織中的抗氧化相關(guān)的基因進(jìn)行了檢測(cè)。PARP1 是一種細(xì)胞核酶,可催化聚二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)核糖基化,不僅在蛋白質(zhì)的翻譯后修飾過(guò)程中發(fā)揮重要的功能,而且在修復(fù)DNA 單鏈損傷和氧化應(yīng)激造成的DNA 氧化損傷等響應(yīng)中占有重要的角色[20]。GSH-Px 廣泛分布于細(xì)胞質(zhì)、線粒體中,具有清除生物體內(nèi)自由基、阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及功能的作用,是一種關(guān)鍵的催化氧化酶[21]。CAT 主要是以H2O2為底物,催化相關(guān)的電子轉(zhuǎn)移,并將其分解成水、氧氣,有效地阻止其對(duì)機(jī)體有害地羥基自由基的生成,進(jìn)而清除生物體內(nèi)的H2O2[11,20]。研究發(fā)現(xiàn),降低PARP1 和提高GSH-Px、CAT mRNA 的表達(dá)水平可以有效地抑制脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生的細(xì)胞損傷[9,20]。qPCR 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與Control 組相比,Model 組小鼠睪丸組織與抗氧化相關(guān)的GSH-Px、CAT 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量均明顯降低,PARP1 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯上升;CSE 治療后,PARP1 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯下降,GSH-Px 基因mRNA 相對(duì)表達(dá)量明顯上升。該結(jié)果表明,CSE 保護(hù)睪丸組織可能是通過(guò)抑制氧化損傷來(lái)起作用。但是關(guān)于CSE 對(duì)輻照小鼠睪丸組織抗氧化功能影響的具體作用成分因子,以及其作用于輻照損傷反饋信號(hào)的分子機(jī)制,仍有待進(jìn)一步的研究分析。