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

(中國輻射防護研究院GLP中心，太原，030006)

隨著基因組學、蛋白質組學、代謝組學等技術手段的成熟和廣泛應用，積累了大量的研究成果，借助于知識發現工具和文本挖掘工具能高效的發現不同學科間的潛在聯系，大大提高科研效率。

輻射誘發基因突變、腫瘤高發、激素分泌紊亂等一直困擾著從事放射性核素生產研發應用的工作人員[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]。目前亞低溫防護機制的研究主要集中在降低細胞代謝率、降低自由基清除酶的損耗、抑制炎性反應等方面，在臨床上已被列為顱腦損傷、腦血管疾病的常規輔助治療方法。李曙芳等[3]研究發現，亞低溫療法對于急性輻射損傷小鼠有一定的防護作用，可以改善輻照后動物的骨髓微環境，能夠增強大鼠的抗氧化和抗凋亡能力，且防護效果與氨磷汀接近。

本文以亞低溫療法的應用研究和Pub Med 數據庫中相關文獻研究成果為基礎，采用生物信息學科的非相關文獻的知識發現工具——Arrowsmith，探討亞低溫療法與輻射損傷潛在的關聯，挖掘亞低溫抗輻射損傷的潛在靶點與通路，為后期研究亞低溫抗輻射損傷機制提供方向。

1 檢索方法

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

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

(3)采用Arrowsmith 工具，通過對A 集合文獻和 C 集合文獻中共同出現的字段，進行語義網絡和頻率等形式的篩選過濾；

(4)通過篩選器人工選擇 “Gene & Molecular Sequenceand Gene & Protein Names”，對關聯詞進一步篩選，得到相關度高的關聯詞列表，選取前30個相關度較高的關聯詞。

2 結果

2.1 關聯詞檢索結果

A集合主題詞下鍵入“Mild hypothermia”，有3 173篇文獻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)篇文獻在題目或摘要中含有該主題詞。采用Arrowsmith 工具對A 集合文獻和 C 集合文獻中共同出現的字段進行語義網絡和頻率等篩選過濾，有兩篇文獻在在題目或摘要中同時含有這兩個主題詞，744 個關聯詞。

2.2 同頻詞段文章分析

通過Arrowsmith關聯分析得到的2篇文獻，PMID(PubMed 唯一標識碼)為28759636[4]和21185842[5]。28759636文獻研究了亞低溫與放療聯合使用對腦膠質瘤的抑瘤效果，結果表明，亞低溫可以增加大鼠膠質瘤細胞系的輻射敏感作用，能保護正常的大腦結構中細胞免受輻射損傷。21185842文獻由美國分子藥理學實驗室與NASA共同完成，研究了低溫療法的抗輻射損傷生物效應，研究結果表明，人類BJ-Htert細胞經7.5 Gy照射后，30 ℃和13 ℃培養條件時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，機體抗輻射能力有所提升。

2.3 關聯詞分析

對744個關聯詞進行進一步篩選，得到相關度高的前30個關聯詞，見表1。由表1可見，亞低溫和輻射損傷的共有關聯詞主要是akt、pi3k、trpv1、microrna、toll receptor、caspase-3等。

表1 相關度≥0.82的關聯詞

3 討論

3.1 pi3k/akt

pi3k是磷脂酰肌3激酶，與多種癌癥相關，主要功能有調節細胞增殖、分化、凋亡等。pi3k可以被多種細胞生長因子和蛋白激活，能控制蛋白與膜結合的時間，從而調節蛋白的活性。akt是一種蛋白激酶，是pi3k的主要下游效應物，通過對蛋白進行磷酸化發揮抗凋亡作用。akt會抑制各種各樣的促凋亡蛋白(Bax、Noxa、Bim等)，還可以和NF-κB信號通路共同調節抗凋亡基因的轉錄[6]。有大量文獻證實pi3k/akt信號通路在抗輻射損傷中發揮著重要作用。鞘氨醇磷酸酯(一種神經酰胺拮抗劑)可以通過活化akt信號通路，減少輻射引起的小腸內皮凋亡[7]。IL-11可上調pi3k的表達、活化akt激酶，從多種途徑激活pi3k/akt通路，達到改善中子和γ射線所致腸道損傷的作用[8]。研究結果表明，pi3k/akt通路的激活能夠有效減少輻射導致的細胞凋亡。

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，亞低溫療法可以抑制該模型中自噬的出現，亞低溫可能是通過調節pi3k/akt通路來，抑制細胞凋亡、抑制自噬，發揮對腦缺血神經元細胞的保護作用。Hong等[10]研究表明，亞低溫聯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，聯合治療增加了pi3k/akt和抗凋亡蛋白(Bcl-2)的表達，同時降低了促凋亡蛋白(AIF和Bax)的表達。Xiao等[11]建立了肝細胞缺氧損傷模型，模擬肝臟缺血再灌注的損傷，發現亞低溫預處理可減少肝細胞損傷，可以下調miR-122，激活pi3k/akt信號通路，降低FOXO3a活性和Caspase-3的表達，從而保護肝細胞，并抑制細胞凋亡。研究結果表明，鞘氨醇磷酸酯和IL-11均可以通過調節pi3k/akt通路發揮顯著的抗凋亡作用，而亞低溫可以也通過pi3k/akt發揮顯著的抗凋亡作用，因此，亞低溫療法極有可能通過pi3k/akt通路起到抗輻射損傷的作用。

3.2 trpv1

trpv1是一種非特異性陽離子通道，主要表達于神經系統，發揮痛覺神經傳感作用和痛覺傳遞作用；表達于胃腸道、膀胱以及呼吸道等非神經組織，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激動劑二氫辣椒素(DHC)后，核心溫度會降低，在低體溫持續穩定后對動物進行腦缺血再灌注，結果表明，低體溫能有效保護動物神經細胞。野生型(WT)小鼠和trpv1基因敲除小鼠的心肌梗死造模研究結果表明，模型組動物在心肌缺血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，說明trpv1激活可以減少心肌細胞凋亡。

Feketa等[14]在10 ℃的低溫條件下，使用trpv1激動劑二氫辣椒素(DHC)對小鼠進行干預，結果表明，trpv1激動劑與低溫結合，可快速達到低體溫。

Bilal等[15]采用2 450 MHz的電磁輻射處理乳腺細胞，結果表明，10 cm的距離內高能量的電磁輻射能通過trpv1通路使細胞質Ca2+積累，從而引起細胞內的過度氧化反應和凋亡。

上述研究結果表明，trpv1通道與降低體溫、抗凋亡等關系密切；大劑量的輻射也能通過該通道產生過氧化和凋亡反應。因此，亞低溫措施可通過該通道發揮抗輻射損傷作用。

3.3 toll receptor

toll receptor在炎癥反應和免疫應答中有重要的作用，均可通過調節NF-κB和干擾素的表達，從而發揮抑制細胞凋亡，促進細胞增殖，清除自由基等作用[16]。

Burdelya等[17]給予小鼠toll receptor 5受體激動劑后，再輻照小鼠，動物存活率顯著提高；獼猴試驗結果發現，該toll receptor 5受體激動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和淋巴系統的放射損傷研究發現。

toll receptor信號通路的激活具有明顯的輻射防護作用，可以調節NF-κB、IRF、Jnk、Myd88等信號通路，發揮抑制凋亡，促進增殖，調節細胞周期，調節細胞因子分泌等作用[18]。

3.4 caspase-3

caspase是天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶，是一類蛋白酶家族，成員較多，目前已經鑒定了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行切割。在正常的細胞內，caspase都是以非活性狀態存在的，被激活的caspase通過對caspase靶蛋白的水解，導致程序性細胞死亡[19]。Caspase-3是其中重要的凋亡蛋白。

鞠桂芝等[20]研究表明，EL-4細胞(小鼠淋巴瘤細胞)在4.0 Gy X射線照射后8至12 h，Caspase-3及P53 蛋白表達增高，同時伴隨著細胞凋亡數量激增，結果表明這兩類蛋白在輻射引起的凋亡中發揮著重要的作用。

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，還可以促進腦缺血后神經系統的恢復，可能與亞低溫抑制病灶周圍區域Caspase-3的表達從而抑制神經細胞凋亡有關。

綜上研究表明，亞低溫療法可以通過抑制Caspase-3的表達發揮抗凋亡作用。

4 結論

通過采用非關聯文獻知識發現工具，對與亞低溫相關SCI文獻和輻射損傷相關SCI文獻進行了檢索、關聯、分析，結果發現了相關度極高的關鍵詞約30個，其中前5位基因靶點涉及的通路為pi3k/akt抑制凋亡的信號通路、trpv1體溫調節信號通路、toll receptor免疫調節信號通路、Caspase-3抑制凋亡信號通路，此結果可為后續的實驗研究提供方向和思路。