电离辐射可以导致人外周血白细胞降低和骨髓造血损伤[1]。氨磷汀、雌激素等是具有辐射防护作用的药物,但临床反馈显示其不良反应明显,不宜长期使用[2]。因此,开发不良反应小、可长期服用、能够有效缓解辐射所致造血机能损伤并提高外周血白细胞数的新型抗辐射药物,具有重要意义。高月课题组前期研究发现,阿魏酸具有提高连续小剂量照射小鼠和比格犬外周血象的作用[3-4]。为了进一步研究其保护骨髓细胞、促进造血机能修复的作用机制,本研究主要观察阿魏酸对3.5 Gy单次全身照射小鼠外周血象的影响,同时考察其对受照小鼠骨髓嗜多染红细胞的微核细胞率、造血祖细胞集落形成能力、以及辐射防护蛋白Thbd和HMGB1表达量的影响,从而分析阿魏酸能否通过提高细胞中Thbd蛋白和细胞核中HMGB1蛋白促进骨髓细胞修复,保护骨髓细胞,加速骨髓中的造血祖细胞增殖和分化,促进3.5 Gy 60Co γ射线照射ICR小鼠骨髓造血机能和外周血象恢复,并分析其作用机制。
材料与方法1.仪器与主要试剂:Western blot电泳系统、蛋白质转印系统和ChemiDoc XRS+化学发光成像系统购自美国Bio-Rad公司;POCH-V自动血细胞计数仪、稀释液和溶血素购自日本Sysmex公司。阿魏酸购自上海源叶生物科技有限公司;408片购自军事医学科学院放射与辐射医学研究所;甲基纤维素(MethocultTM)培养基购自杭州百通科技有限公司;RPMI 1640培养液、胎牛血清购自英潍捷基(上海)贸易有限公司;C1053 RIPA细胞裂解液、BCA法蛋白定量试剂盒、5×蛋白上样缓冲液、硝酸纤维素膜(NC膜)、脱脂奶粉均购自北京普利莱基因科技有限公司;NE-PER细胞核蛋白-细胞质蛋白抽提试剂盒购自美国Pierce公司;大鼠抗小鼠Thbd单克隆抗体购自美国R & D Systems公司;抗HMGB1[EPR3507]抗体、抗Fibrillary[38F3]抗体均购自美国Abcam公司;TA-09小鼠抗β-肌动蛋白单克隆抗体、ZB-2307辣根酶标记山羊抗大鼠IgG(H+L)、ZB-5305辣根酶标记抗小鼠IgG(H+L)、ZB-2301辣根酶标记山羊抗兔IgG(H+L)均购自北京中杉金桥生物技术有限公司;ECL超敏发光液购自美国PerkinElmer公司。
2.照射条件:北京师范大学钴源60Co γ射线照射,小鼠单次全身照射,照射剂量为3.5 Gy,剂量率均为1.0 Gy/min,源靶距1.05 m。
3.实验动物分组与给药方案:ICR小鼠,SPF级,96只,雌雄各半,7周,23~27 g,购自北京维通利华实验动物有限责任公司,实验动物使用许可证号SCXK(京)2006-0025;于中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所饲养,动物实验设施使用许可证号SYXK(京)2009-0032,饲养条件为光照12 h,饲养温度23~26℃,湿度40%。小鼠适应性喂养5 d后按体重大小编号,随机数表法完全随机化分组。实验设正常对照组、照射模型组、阳性药(408) 治疗组和阿魏酸10、30、90 mg ·kg-1 ·d-1治疗组,每组16只小鼠。其中10只用于观察外周血象,6只用于骨髓祖细胞培养、嗜多染红细胞微核细胞计数和蛋白表达水平检测。给药与照射方案为初次给药后24 h小鼠接受单次全身3.5 Gy照射,照后连续7 d给药,每天灌胃给药1次,0.3 ml/只。正常对照组和照射模型组给予等体积的纯水。
4.小鼠外周血象检测:ICR小鼠于照射前2 d和照射后3、7、10、15、22 d,尾静脉各采血20 μl,置于500 μl的抗凝离心管中,用POCH-V自动血细胞计数仪检测外周血象。
5.小鼠骨髓造血祖细胞集落培养:ICR小鼠脱颈椎处死。于超净工作台中取右侧股骨,以1 ml含2%胎牛血清的RPMI 1640培养液冲出骨髓细胞。每只小鼠的骨髓细胞单独置于15 ml无菌离心管中;1 000 r/min,离心半径9.5 cm,离心5 min,弃上清液。加入新的含2%胎牛血清的RPMI 1640培养液,制备2.0×105/ml的小鼠骨髓细胞悬液。每支取0.1 ml的骨髓细胞悬液,分别加入装有1 ml甲基纤维素(MethocultTM)培养基的5 ml无菌玻璃瓶中。涡旋使细胞悬液和MethocultTM培养基充分混匀。将此骨髓细胞混悬培基用无针头的1 ml无菌注射器转移0.8 ml至12孔板中,轻轻晃动,使骨髓细胞混悬培养基布满孔板底面。37℃,5%CO2的培养箱中培养。培养3 d后,倒置显微镜下观察红细胞集落生成单位(CFU-E,每个集落含8~30细胞)并计数;培养至第7天,观察红细胞爆裂型集落生成单位(BFU-E,每个集落细胞数>300) 和粒-单细胞集落生成单位(CFU-GM,每个集落细胞数>30) 并计数。
6.小鼠骨髓嗜多染红细胞微核细胞计数:同骨髓造血祖细胞集落培养所用小鼠,取胸骨,用止血钳挤出骨髓液与玻片一端的胎牛血清混匀,常规涂片。涂片自然干燥后放入甲醇中固定5~10 min。将固定好的涂片放入姬姆萨染色10~15 min。立即用纯水冲洗,晾干,镜检。选择细胞完整、分散均匀、着色适当的区域,在油镜下观察。记录约1 000个嗜多染红细胞,计算微核细胞率。
7. Western blot法检测小鼠骨髓抗辐射蛋白表达量:同骨髓造血祖细胞集落培养所用小鼠,取左侧股骨,剪除两侧骨膜,以1 ml磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffer Saline, PBS)将骨髓细胞冲出,细胞悬液收集于1.5 ml离心管中,1 000 r/min,离心半径9.5 cm,离心5 min。重复1次。所得细胞分2份,分别提取全蛋白和核蛋白,二喹啉甲酸(BCA)法定量后,采用12%的聚丙烯酰胺凝胶对每孔10 μg的小鼠骨髓蛋白进行电泳分离,分离后转移至0.22 μm的硝酸纤维素膜上。以含5%脱脂奶粉的三乙醇胺吐温缓冲盐溶液(TBST)封闭1 h后,一抗4℃孵育过夜;TBST洗3次,5 min/次;二抗孵育1 h,TBST洗3次,5 min/次;加超敏发光液,化学发光成像系统中收集化学发光信号。其中,一抗Thbd抗体(1 :2 000),Anti-HMGB1抗体(2 :5 000),β-肌动蛋白抗体(1 :5 000),抗核纤维蛋白(Anti-Fibrillary)抗体(1 :5 000);二抗辣根酶标记山羊抗大鼠(1 :5 000),辣根酶标记山羊抗小鼠(1 :5 000),辣根酶标记山羊抗兔(1 :5 000)。
8.统计学处理:计量资料以x ±s表示。采用SPSS 16.0软件进行分析。对正常对照组、阳性药治疗组、阿魏酸(10、30、90 mg ·kg-1 ·d-1)治疗组与照射模型组的外周血白细胞数、骨髓造血祖细胞集落数、Thbd和HMGB1蛋白相对表达量等指标分别进行比较,经正态性检验符合正态分布,采用独立样本t检验。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果1.阿魏酸对受照小鼠外周血象的影响:结果列于表 1。由表 1可知,3.5 Gy 60Co γ射线照射后,照射模型组小鼠的外周血白细胞数于照后3 d降至最低(t=9.450,P < 0.001),照射后7 ~ 22 d仍低于正常对照组(t=6.566、8.084、6.267、5.967,P < 0.001)。照射后10 d,与照射模型组比较,10、30和90 mg ·kg-1 ·d-1的阿魏酸治疗组小鼠外周血白细胞数明显升高,差异有统计学意义(t=3.239、2.452、3.556,P < 0.05);照射后15、22 d,与照射模型组比较,90 mg ·kg-1 ·d-1的阿魏酸治疗组小鼠外周血白细胞数均明显升高(t=1.945、2.828,P < 0.05);照射后22 d,30和90 mg/kg的阿魏酸治疗组小鼠外周血白细胞数已恢复至照前水平。结果表明,阿魏酸可以减缓受照小鼠外周血白细胞数减低,加速白细胞数的回升,并且作用随阿魏酸的给药剂量升高而加强。
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表 1 阿魏酸对3.5 Gy受照小鼠外周血白细胞数的影响(×109/L,x ±s) Table 1 Effects of ferulic acid on the number of peripheral leukocyte in mice exposed to 3.5 Gy irradiation(×109/L, x ±s) |
2.阿魏酸对受照小鼠骨髓造血祖细胞集落数的影响:3系小鼠骨髓造血祖细胞集落形态见图 1,阿魏酸对受照小鼠骨髓造血祖细胞集落数的影响结果列于表 2。由表 2可知,3.5 Gy 60Co γ射线照射后7 d,CFU-E、BFU-E和CFU-GM数目显著减少,与正常对照组比较,差异有统计学意义(t=6.284、5.155、6.673,P < 0.01)。阿魏酸治疗后可以有效提高受照小鼠骨髓祖细胞CFU-E、BFU-E和CFU-GM的集落数,其中90 mg ·kg-1 ·d-1阿魏酸治疗组的效果最为明显,与照射模型组比较,差异有统计学意义(t=2.366、2.953、3.115,P < 0.05)。这提示90 mg/kg的阿魏酸可有效促进造血祖细胞的增殖和分化。其中,CFU-GM可能后期进一步分化为白细胞,从而提高受照小鼠的外周血白细胞数。
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图 1 小鼠骨髓造血祖细胞集落形态图×100 A. CFU-E;B. BFU-E;C. CFU-GM Figure 1 The morphologies of hematopoietic progenitor cell colonies in mice bone marrow ×100 A. CFU-E; B. BFU-E; C.CFU-GM |
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表 2 阿魏酸对3.5 Gy受照小鼠骨髓微核细胞率和造血祖细胞集落数的影响(x ±s) Table 2 Effect of ferulic acid on the micronuclei formation of polychromatic erythrocytes and the number of hematopoietic progenitor cells in bone marrow of mice exposed to 3.5 Gy irradiation(x ±s) |
3.阿魏酸对受照小鼠骨髓嗜多染红细胞微核细胞率的影响:含有微核的骨髓嗜多染红细胞形态见图 2,阿魏酸对受照小鼠骨髓嗜多染红细胞微核细胞率的影响结果列于表 2。由表 2可知,3.5 Gy 60Co γ射线照射后7 d,小鼠骨髓嗜多染红细胞中微核细胞率增加,与正常对照组比较,差异有统计学意义(t=11.670,P < 0.05)。阿魏酸可使受照小鼠骨髓中嗜多染红细胞的微核细胞率随着给药剂量增加而降低,与照射模型组比较,差异均有统计学意义(t=2.284、3.525、4.013,P < 0.05)。这提示阿魏酸可以有效保护受照小鼠骨髓细胞,降低骨髓中嗜多染红细胞的微核细胞率。
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图 2 含有微核的小鼠胸骨骨髓嗜多染红细胞形态图×1 000 Figure 2 The morphology of polychromatic erythrocytes with micronucleus in mouse sternal bone marrow ×1 000 |
4.阿魏酸对受照小鼠骨髓Thbd和HMGB1蛋白表达的影响:如图 3和图 4所示,3.5 Gy 60Co γ射线照射后第7天,小鼠骨髓细胞中Thbd蛋白表达水平和骨髓细胞核中的HMGB1蛋白含量显著降低(t=27.29、86.57,P < 0.01)。与照射模型组比较,30和90 mg/kg阿魏酸给药组小鼠骨髓细胞中Thbd表达水平和细胞核中HMGB1蛋白的含量显著升高(t=12.16、17.75、26.97、23.39,P < 0.01)。这提示阿魏酸可能通过提高骨髓中辐射防护蛋白Thbd的表达水平、抑制核内促进DNA修复的HMGB1蛋白含量降低,保护骨髓细胞,降低骨髓嗜多染红细胞微核率并加速骨髓中的造血祖细胞增殖和分化,从而对3.5 Gy 60Co γ射线照射所致ICR小鼠骨髓造血机能损伤发挥防护作用。
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图 3 阿魏酸对3.5 Gy受照小鼠骨髓Thbd蛋白的影响 注:1.正常对照组;2.照射模型组;3.阳性药治疗组;4.阿魏酸10 mg ·kg-1 ·d-1治疗组;5.阿魏酸30 mg ·kg-1 ·d-1治疗组;6.阿魏酸90 mg ·kg-1 ·d-1治疗组。a与正常对照组比较,t=27.29,P < 0.01;b与照射模型组比较,t=10.40、12.16、17.75,P < 0.01 Figure 3 Effect of ferulic acid on the expression of Thbd in bone marrow cells of mice irradiated by 3.5 Gy gamma rays |
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图 4 阿魏酸对3.5 Gy受照小鼠骨髓Thbd蛋白的影响 注:1.正常对照组;2.照射模型组;3.阳性药治疗组;4.阿魏酸10 mg ·kg-1 ·d-1治疗组;5.阿魏酸30 mg ·kg-1 ·d-1治疗组;6.阿魏酸90 mg ·kg-1 ·d-1治疗组。a与正常对照组比较,t=86.57,P < 0.001;b与照射模型组比较,t=15.57、26.97、23.39,P < 0.01 Figure 4 Effect of ferulic acid on the expression of Thbd in bone marrow cells of mice irradiated by 3.5 Gy gamma rays |
讨论
阿魏酸是抗辐射中药“四物汤”的有效成分之一[5]。已有研究表明,阿魏酸系列衍生物具有提高小鼠30 d存活率,延长死亡鼠平均活存时间,提高低剂量照射小鼠和比格犬外周血相的作用[3-5]。但作用机制研究主要集中于阿魏酸对电离辐射所致淋巴母细胞AHH-1和血管内皮细胞HUVEC氧化损伤的防治作用[6-7],其促进骨髓造血机能恢复和提高外周血白细胞数目的作用机制尚待分析。
外周血白细胞数减少和骨髓嗜多染红细胞微核数增多是电离辐射所致骨髓损伤的主要表现,具有明显的辐射剂量-效应关系,可以作为评价放射损伤作用的重要指标[1, 8]。造血干/祖细胞增殖、分化后,可以补充辐射损伤的骨髓细胞和外周血有形细胞(白细胞、红细胞、血小板等)[1]。因此,骨髓干/祖细胞的增殖和分化在造血系统辐射损伤的修复中占有重要地位。Geiger等[9]指出,Thbd为造血系统辐射损伤修复的关键靶点。血栓调节素-活性蛋白C(Thbd-aPC)信号通路被激活后,可以促进下游相关抗炎、抗凋亡基因表达,帮助骨髓中造血细胞从辐射损伤中恢复过来,调节造血微环境,促进造血功能修复,进而起到辐射防治作用,降低全身辐射引起的死亡[9-10]。本研究表明,阿魏酸可以有效提高3.5 Gy受照小鼠外周血白细胞数并降低骨髓中嗜多染红细胞的微核细胞率,提高受照小鼠骨髓造血祖细胞集落CFU-E、BFU-E和CFU-GM增殖和分化,从而缓解电离辐射引起的骨髓损伤并加速外周血象恢复;同时,阿魏酸还可以有效地提高3.5 Gy 60Co γ射线照射ICR小鼠骨髓细胞中Thbd蛋白含量。这提示阿魏酸可能通过提高Thbd蛋白表达,保护受照小鼠骨髓造血祖细胞,促进其增殖和分化,从而增加外周血白细胞数目,进而实现对小鼠骨髓造血功能辐射损伤的防护作用。
高迁移率族蛋白1(HMGB1) 是广泛存在于真核细胞核内的高度保守的非组蛋白染色体结合蛋白。正常状态下,HMGB1主要存在于细胞核中,参与核蛋白复合体组成,DNA复制、转录及修复等[11];而在外源性刺激下分泌至细胞外液中的HMGB1则可诱发炎症反应[12]。电离辐射可导致HMGB1蛋白由细胞核向外转移,从而减缓DNA损伤修复,并诱发炎症反应[13-15]。Thbd正是HMGB1的内源性抑制蛋白,可以抑制HMGB1由细胞核向外转移[16]。本研究发现,阿魏酸不仅可以提高受照小鼠骨髓细胞核中HGMB1蛋白的相对表达量,而且能够提高受照小鼠骨髓Thbd蛋白表达。由此推测,阿魏酸可能通过提高抗辐射蛋白Thbd调节HMGB1的转移和分泌,进而维持骨髓细胞核内的HMGB1促进DNA复制和修复的作用,从而减少受照小鼠骨髓中嗜多染红细胞的微核细胞率、提高造血祖细胞的增殖和分化能力,缓解3.5 Gy 60Co γ射线所致的小鼠骨髓造血功能损伤。
综上,本研究以外周血白细胞数、骨髓嗜多染红细胞微核率、骨髓造血祖细胞集落形成能力为观测指标,发现阿魏酸具有防治3.5 Gy 60Co γ射线所致小鼠骨髓造血机能损伤的作用,尤以90 mg/kg的阿魏酸作用最为明显。该作用可能是由于阿魏酸可以提高骨髓Thbd蛋白表达,抑制核内HMGB1向外转移而实现的。同时,作为中药经典补血方“四物汤”的有效成分,阿魏酸具有低毒、易制、便携和可长期服用的特性。因此,阿魏酸有潜力成为一种新型的辐射损伤防护药。但是阿魏酸在调节Thbd和HMGB1蛋白在防治骨髓造血损伤中的关系尚需进一步的实验研究。
志谢 感谢军事医学科学院放射与辐射医学研究所高月研究员在研究方案设计中给予的悉心指导和无私帮助利益冲突 无
作者贡献声明 邵帅负责实验设计、数据统计、论文撰写和修改,参与整个实验过程;田梅负责实验设计指导、论文修改和动物骨髓采集;刘建香负责实验设计指导和论文修改;苟巧和齐雪松参与动物骨髓细胞取样与祖细胞培养;王春燕、曲功霖和李辰参与骨髓嗜多染红细胞微核细胞率检测和外周血白细胞检测;苏旭负责整体实验设计,论文撰写指导及修改
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