基于Arrowsmith探讨亚低温抗辐射损伤研究方向

刘欢,刘晓明,许文黎,袁慧,秦秀军,李曙芳,李建国

(中国辐射防护研究院GLP中心，太原，030006)

随着基因组学、蛋白质组学、代谢组学等技术手段的成熟和广泛应用，积累了大量的研究成果，借助于知识发现工具和文本挖掘工具能高效的发现不同学科间的潜在联系，大大提高科研效率。

辐射诱发基因突变、肿瘤高发、激素分泌紊乱等一直困扰着从事放射性核素生产研发应用的工作人员[1]。低温疗法是一种以物理方法将体温降低到亚低温用以治疗疾病的方法，亚低温范围为28 ℃～35 ℃[2]。目前亚低温防护机制的研究主要集中在降低细胞代谢率、降低自由基清除酶的损耗、抑制炎性反应等方面，在临床上已被列为颅脑损伤、脑血管疾病的常规辅助治疗方法。李曙芳等[3]研究发现，亚低温疗法对于急性辐射损伤小鼠有一定的防护作用，可以改善辐照后动物的骨髓微环境，能够增强大鼠的抗氧化和抗凋亡能力，且防护效果与氨磷汀接近。

本文以亚低温疗法的应用研究和Pub Med 数据库中相关文献研究成果为基础，采用生物信息学科的非相关文献的知识发现工具——Arrowsmith，探讨亚低温疗法与辐射损伤潜在的关联，挖掘亚低温抗辐射损伤的潜在靶点与通路，为后期研究亚低温抗辐射损伤机制提供方向。

1 检索方法

(1)登录Arrowsmith网站(http://arrowsmith.psych.uic.edu/)，在A集合主题词下键入“Mild hypothermia”进行检索；

(2)在C集合主题词下键入“Radiation protection”进行检索；

(3)采用Arrowsmith 工具，通过对A 集合文献和 C 集合文献中共同出现的字段，进行语义网络和频率等形式的筛选过滤；

(4)通过筛选器人工选择 “Gene & Molecular Sequenceand Gene & Protein Names”，对关联词进一步筛选，得到相关度高的关联词列表，选取前30个相关度较高的关联词。

2 结果

2.1 关联词检索结果

A集合主题词下键入“Mild hypothermia”，有3 173篇文献在题目或摘要中含有该主题词。C集合主题词下键入“Radiation protection”，有25 000(25 000是该工具显示的上限)篇文献在题目或摘要中含有该主题词。采用Arrowsmith 工具对A 集合文献和 C 集合文献中共同出现的字段进行语义网络和频率等筛选过滤，有两篇文献在在题目或摘要中同时含有这两个主题词，744 个关联词。

2.2 同频词段文章分析

通过Arrowsmith关联分析得到的2篇文献，PMID(PubMed 唯一标识码)为28759636[4]和21185842[5]。28759636文献研究了亚低温与放疗联合使用对脑胶质瘤的抑瘤效果，结果表明，亚低温可以增加大鼠胶质瘤细胞系的辐射敏感作用，能保护正常的大脑结构中细胞免受辐射损伤。21185842文献由美国分子药理学实验室与NASA共同完成，研究了低温疗法的抗辐射损伤生物效应，研究结果表明，人类BJ-Htert细胞经7.5 Gy照射后，30 ℃和13 ℃培养条件时都显示出一定的抗辐射损伤作用，小鼠和大鼠的核心体温降至28 ℃时，机体抗辐射能力有所提升。

2.3 关联词分析

对744个关联词进行进一步筛选，得到相关度高的前30个关联词，见表1。由表1可见，亚低温和辐射损伤的共有关联词主要是akt、pi3k、trpv1、microrna、toll receptor、caspase-3等。

表1 相关度≥0.82的关联词

3 讨论

3.1 pi3k/akt

pi3k是磷脂酰肌3激酶，与多种癌症相关，主要功能有调节细胞增殖、分化、凋亡等。pi3k可以被多种细胞生长因子和蛋白激活，能控制蛋白与膜结合的时间，从而调节蛋白的活性。akt是一种蛋白激酶，是pi3k的主要下游效应物，通过对蛋白进行磷酸化发挥抗凋亡作用。akt会抑制各种各样的促凋亡蛋白(Bax、Noxa、Bim等)，还可以和NF-κB信号通路共同调节抗凋亡基因的转录[6]。有大量文献证实pi3k/akt信号通路在抗辐射损伤中发挥着重要作用。鞘氨醇磷酸酯(一种神经酰胺拮抗剂)可以通过活化akt信号通路，减少辐射引起的小肠内皮凋亡[7]。IL-11可上调pi3k的表达、活化akt激酶，从多种途径激活pi3k/akt通路，达到改善中子和γ射线所致肠道损伤的作用[8]。研究结果表明，pi3k/akt通路的激活能够有效减少辐射导致的细胞凋亡。

李冲等[9]研究表明，在大鼠脑缺血再灌注造模中有明显的自噬出现，亚低温疗法可以抑制该模型中自噬的出现，亚低温可能是通过调节pi3k/akt通路来，抑制细胞凋亡、抑制自噬，发挥对脑缺血神经元细胞的保护作用。Hong等[10]研究表明，亚低温联合吩噻嗪可显著降低脑缺血大鼠直肠、皮层和纹状体的温度，显著减少脑梗死体积，联合治疗增加了pi3k/akt和抗凋亡蛋白(Bcl-2)的表达，同时降低了促凋亡蛋白(AIF和Bax)的表达。Xiao等[11]建立了肝细胞缺氧损伤模型，模拟肝脏缺血再灌注的损伤，发现亚低温预处理可减少肝细胞损伤，可以下调miR-122，激活pi3k/akt信号通路，降低FOXO3a活性和Caspase-3的表达，从而保护肝细胞，并抑制细胞凋亡。研究结果表明，鞘氨醇磷酸酯和IL-11均可以通过调节pi3k/akt通路发挥显著的抗凋亡作用，而亚低温可以也通过pi3k/akt发挥显著的抗凋亡作用，因此，亚低温疗法极有可能通过pi3k/akt通路起到抗辐射损伤的作用。

3.2 trpv1

trpv1是一种非特异性阳离子通道，主要表达于神经系统，发挥痛觉神经传感作用和痛觉传递作用；表达于胃肠道、膀胱以及呼吸道等非神经组织，且该通道参与生物体体温控制[12]。

Cao等[13]研究表明，给C57BL/6WT小鼠和trpv1敲除(KO)小鼠皮下注射trpv1激动剂二氢辣椒素(DHC)后，核心温度会降低，在低体温持续稳定后对动物进行脑缺血再灌注，结果表明，低体温能有效保护动物神经细胞。野生型(WT)小鼠和trpv1基因敲除小鼠的心肌梗死造模研究结果表明，模型组动物在心肌缺血24 h后，trpv1基因敲除小鼠的心肌梗死面积显著大于WT型小鼠，说明trpv1激活可以减少心肌细胞凋亡。

Feketa等[14]在10 ℃的低温条件下，使用trpv1激动剂二氢辣椒素(DHC)对小鼠进行干预，结果表明，trpv1激动剂与低温结合，可快速达到低体温。

Bilal等[15]采用2 450 MHz的电磁辐射处理乳腺细胞，结果表明，10 cm的距离内高能量的电磁辐射能通过trpv1通路使细胞质Ca2+积累，从而引起细胞内的过度氧化反应和凋亡。

上述研究结果表明，trpv1通道与降低体温、抗凋亡等关系密切；大剂量的辐射也能通过该通道产生过氧化和凋亡反应。因此，亚低温措施可通过该通道发挥抗辐射损伤作用。

3.3 toll receptor

toll receptor在炎症反应和免疫应答中有重要的作用，均可通过调节NF-κB和干扰素的表达，从而发挥抑制细胞凋亡，促进细胞增殖，清除自由基等作用[16]。

Burdelya等[17]给予小鼠toll receptor 5受体激动剂后，再辐照小鼠，动物存活率显著提高；猕猴试验结果发现，该toll receptor 5受体激动剂可以将受照射猕猴的存活率从25%增加到64%，且能显著减轻猕猴造血系统和淋巴系统的放射损伤研究发现。

toll receptor信号通路的激活具有明显的辐射防护作用，可以调节NF-κB、IRF、Jnk、Myd88等信号通路，发挥抑制凋亡，促进增殖，调节细胞周期，调节细胞因子分泌等作用[18]。

3.4 caspase-3

caspase是天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶，是一类蛋白酶家族，成员较多，目前已经鉴定了10种不同的caspase。各种caspase都富含半胱氨酸，它们被激活后，能够在靶蛋白的特异天冬氨酸残基部位进行切割。在正常的细胞内，caspase都是以非活性状态存在的，被激活的caspase通过对caspase靶蛋白的水解，导致程序性细胞死亡[19]。Caspase-3是其中重要的凋亡蛋白。

鞠桂芝等[20]研究表明，EL-4细胞(小鼠淋巴瘤细胞)在4.0 Gy X射线照射后8至12 h，Caspase-3及P53 蛋白表达增高，同时伴随着细胞凋亡数量激增，结果表明这两类蛋白在辐射引起的凋亡中发挥着重要的作用。

黄杰等[21]研究表明，亚低温疗法能够显著减少局灶性脑缺血大鼠的脑梗死面积，还可以促进脑缺血后神经系统的恢复，可能与亚低温抑制病灶周围区域Caspase-3的表达从而抑制神经细胞凋亡有关。

综上研究表明，亚低温疗法可以通过抑制Caspase-3的表达发挥抗凋亡作用。

4 结论

通过采用非关联文献知识发现工具，对与亚低温相关SCI文献和辐射损伤相关SCI文献进行了检索、关联、分析，结果发现了相关度极高的关键词约30个，其中前5位基因靶点涉及的通路为pi3k/akt抑制凋亡的信号通路、trpv1体温调节信号通路、toll receptor免疫调节信号通路、Caspase-3抑制凋亡信号通路，此结果可为后续的实验研究提供方向和思路。