電離輻射對(duì)幼鼠小腦和前額葉皮質(zhì)發(fā)育的影響

王洋洋 劉元朵 劉蓮

摘 要：為探討X 射線對(duì)幼鼠小腦和前額葉皮質(zhì)發(fā)育的影響，照射組小鼠于出生后（ postanal day，PD） 3 天進(jìn)行2 Gy （2 Gy/ min） 劑量的全身X 射線照射，分別于照射后7、21 和90 天（ PD 3+7、PD 3+21、PD 3+90） 采集腦樣本進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)研究。蘇木素-伊紅（ Hematoxylin-eosin， HE） 染色檢測(cè)腦組織病理形態(tài)變化，免疫組織化學(xué)檢測(cè)IBa1 和GFAP 蛋白表達(dá)，Western Blotting 檢測(cè)IL-1β 和TNF-α 蛋白表達(dá)。結(jié)果表明，照射組小腦及前額葉皮質(zhì)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，外顆粒層厚度變窄，浦肯野細(xì)胞向內(nèi)顆粒層遷移，小腦部分細(xì)胞丟失。與對(duì)照組比較，照射后21天小腦IBa1 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)增加（ p<0. 05） ，照射后7 天 GFAP 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)減少（ p<0. 05） 。前額葉皮質(zhì)中IBa1 陽(yáng)性細(xì)胞在照射后數(shù)量持續(xù)增加（ p<0. 05，p<0. 01） ，GFAP 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量持續(xù)減少（ p<0. 01） 。照射后90 天，小鼠小腦和前額葉皮質(zhì)中IL-1β 蛋白表達(dá)均增加（ p<0. 05） ，而TNF-α 表達(dá)無(wú)改變。結(jié)果證實(shí)幼年小鼠2 Gy X 射線照射可引起小鼠小腦顆粒細(xì)胞層、分子層、浦肯野細(xì)胞層產(chǎn)生連續(xù)性病理改變，前額葉皮質(zhì)出現(xiàn)炎性細(xì)胞聚集，前額葉皮質(zhì)和小腦小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增加，星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少，炎癥因子主要是IL-1β。

關(guān)鍵詞：電離輻射;小腦;前額葉皮質(zhì);膠質(zhì)細(xì)胞;神經(jīng)炎癥

中圖分類號(hào)：R818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來(lái)隨著電離輻射在工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，輻射暴露的風(fēng)險(xiǎn)在增大。電離輻射對(duì)機(jī)體的影響是全身性的[1-3] ，以造血系統(tǒng)[4] 、神經(jīng)系統(tǒng)[5-7] 的改變最為明顯。

輻射對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的兩個(gè)組成部分為輻射發(fā)生的時(shí)間及輻射劑量，中樞神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)輻射損傷后會(huì)導(dǎo)致大腦環(huán)境持續(xù)改變（包括腦血管、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞群的結(jié)構(gòu)和功能改變以及認(rèn)知障礙），其中炎癥起著至關(guān)重要的作用[8] 。輻射后引起的神經(jīng)炎癥與腦損傷和認(rèn)知障礙有關(guān)[9-10] ，研究表明，電離輻射誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥的認(rèn)知能力下降涉及多種神經(jīng)細(xì)胞類型的損傷，其中小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)炎癥的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們通過(guò)活化啟動(dòng)、響應(yīng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[11-12] ，促進(jìn)進(jìn)行性神經(jīng)損傷。

未發(fā)育成熟的大腦比成熟的大腦輻射敏感性更高，幼年期照射可顯著減少神經(jīng)發(fā)生、腦血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生以及產(chǎn)生認(rèn)知障礙[13-14] 。已經(jīng)有研究表明，幼年時(shí)期輻射引發(fā)成年動(dòng)物認(rèn)知損傷[14-15] ，而這些研究多集中于海馬區(qū)域[15-17] ，目前關(guān)于電離輻射對(duì)幼年期小腦和前額葉皮質(zhì)發(fā)育及膠質(zhì)細(xì)胞的影響的報(bào)道較少。在本研究中，我們使用幼年期小鼠建立電離輻射損傷模型，探究X 射線對(duì)幼年期小鼠前額葉皮質(zhì)及小腦膠質(zhì)細(xì)胞及炎癥因子的影響。

1 材料與方法

1. 1 儀器及試劑

醫(yī)用電子直線加速器（ Precise TreatmentSystem; Elekta， Crawley， United Kingdom ），CM1950 冷凍切片機(jī)（Leica，德 國(guó)），DM4B 顯微鏡（Leica， 德國(guó)）， GelDoc XR 凝膠成像系統(tǒng)（ BIO-RAD，美國(guó)）， 全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀（ Thermo， 美國(guó)），BBY24 M 全自動(dòng)組織破碎儀（NESTADVANCE，美國(guó)），ML - 204 電子分析天平（ Mettler Toledo， 美國(guó)），渦旋混合器（金壇市醫(yī)療儀器廠，中國(guó)），電熱恒溫干燥箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司，中國(guó)），β-actin 抗體（博奧森，中國(guó)），兔源 GFAP 單克隆抗體（Abcam，英國(guó)），兔源 IBa1 單克隆抗體（Abcam，英國(guó)），鼠源 IL - 1β 單克隆抗體（ 美國(guó)CST 公司），兔源 TNF-α 單克隆抗體（英國(guó) Abcam公司），羊抗鼠抗體（Invitrogen，美國(guó)），羊抗兔抗體（Jackson， 美國(guó)）， ABC 試劑盒、DAB 試劑盒（Vector，美國(guó)），RIPA 裂解液、PMSF（大連美侖生物技術(shù)有限公司，中國(guó)），BCA 蛋白濃度測(cè)定試劑盒（碧云天生物技術(shù)有限公司，中國(guó)），磷酸酶抑制劑（普利萊基因技術(shù)有限公司，中國(guó)）。

1. 2 方法

1. 2. 1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組

SPF 級(jí)8 周C57BL/ 6J 小鼠（北京市實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中心， 動(dòng)物合格證號(hào)： SCXK （ 京） 2016 -0006），雌鼠25 只，雄鼠5 只，適應(yīng)性喂養(yǎng) 1 周后，隨機(jī)按雌雄比 2 ∶ 1 合籠，幼鼠出生后第一天記為產(chǎn)后1 天（postanal day; PD 1），將動(dòng)物隨機(jī)分為對(duì)照組和照射組（每組小鼠來(lái)自 4 ～ 5 只不同的孕鼠）。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江大學(xué)倫理委員會(huì)審核，均遵守實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)和使用原則。

1. 2. 2 照射條件

使用電子直線加速器（ Precise TreatmentSystem; Elekta， Crawley， United Kingdom） 對(duì)產(chǎn)后3 天（postanal day 3，PD 3）的小鼠進(jìn)行2 Gy（照射時(shí)間：1 min，劑量率：2 Gy/ min）全身X 射線照射，距離100 cm。

1. 2. 3 病理組織學(xué)

分別于照射后7、21、90 天，腹腔注射戊巴比妥麻醉后4%中性甲醛灌注，收集小鼠標(biāo)本。將腦組織從正中線分開，每只小鼠的右側(cè)半腦在4%的多聚甲醛中4 ℃ 固定過(guò)夜，乙醇二甲苯梯度脫水，再進(jìn)行石蠟包埋，以5 μm 切片，將切片進(jìn)行常規(guī)HE 染色，觀察照射后腦組織病理學(xué)改變。

1. 2. 4 免疫組織化學(xué)染色

將小鼠大腦呈矢狀面切開，左側(cè)半腦浸泡于4%中性甲醛中固定過(guò)夜，24 h 后轉(zhuǎn)入30%蔗糖溶液。待組織沉底后，以40 μm 進(jìn)行冰凍切片，將切好的組織切片用畫筆移入12 孔板，分別加入30%的雙氧水，室溫 30 min，PBST 洗滌，血清封閉室溫震蕩孵育2 h，加入 GFAP 抗體（ 1 ∶1 000）、 IBa1 抗體（1 ∶ 1 000），4 ℃ 搖床過(guò)夜，PBST 洗滌，二抗室溫孵育1 h，PBST 洗滌，加入AB 液孵育 30 min，DAB 顯色，蘇木素復(fù)染，脫水，透明，封片。

1. 2. 5 Western Blot 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)小腦和前額葉皮質(zhì)中IL-1β、TNF-α 含量

處死小鼠后迅速剝離小腦和前額葉皮質(zhì)，取小腦和前額葉皮質(zhì)準(zhǔn)確稱重并加入 RIPA 蛋白裂解液在組織破碎儀中破碎，破碎完成后在冰上靜置裂解 30 min，14 000 rpm 離心10 min 取蛋白上清。蛋白定量變性后進(jìn)行常規(guī)電泳，轉(zhuǎn)膜，封閉后分別加入 IL-1β （1 ∶ 500） 、TNF-α（1 ∶ 1 000）和β-actin（1 ∶ 10 000）抗體，4 ℃ 過(guò)夜，TBST 洗滌，加入相應(yīng)的辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記二抗， 室溫40 min，TBST 洗滌，化學(xué)發(fā)光顯色。

1. 3 圖像分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

免疫組化圖片使用Image-pro plus 6. 0 軟件，小鼠小腦結(jié)構(gòu)和大腦皮層結(jié)構(gòu)的連續(xù)切片用于定量分析。免疫組化實(shí)驗(yàn)中每個(gè)標(biāo)本檢測(cè) 6 ～ 9 張切片，檢測(cè)區(qū)域包括小腦I～ III 葉（外顆粒細(xì)胞層、浦肯野細(xì)胞層、內(nèi)顆粒細(xì)胞層）、大腦皮層前額葉皮質(zhì)區(qū)，高倍視野下進(jìn)行陽(yáng)性細(xì)胞計(jì)數(shù)，計(jì)算平均陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)。WB 蛋白條帶使用 Image J 軟件進(jìn)行灰度分析。

所有數(shù)據(jù)使用Prism 6 軟件統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以均值± 單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差表示， 組間采用Students T 檢驗(yàn)、ANOVA 檢驗(yàn)進(jìn)行分析，p <0. 05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2. 1 X 射線照射對(duì)小鼠小腦組織形態(tài)的影響

2. 1. 1 X 射線照射對(duì)小鼠小腦顆粒層細(xì)胞的影響

圖1 為X 射線照射后使用 HE 染色小鼠小腦顆粒層細(xì)胞病理形態(tài)學(xué)的變化。由圖1 可見，光鏡下觀察到對(duì)照組小腦顆粒層細(xì)胞飽滿，形態(tài)完整，排列層次有序。與對(duì)照組相比，照射組小鼠小腦在PD 3 + 7 可見外顆粒層（ external granularlayer， EGL）細(xì)胞厚度變窄（圖1A、B），幼鼠發(fā)育過(guò)程中EGL 細(xì)胞于21 天后消失。在PD 3+21 和PD3+90 小腦內(nèi)顆粒層（internal granular layer，IGL）與對(duì)照組相比，照射組小鼠IGL 細(xì)胞數(shù)量減少、排列松散混亂（圖1C、D）。

2. 1. 2 X 射線照射對(duì)小鼠小腦浦肯野細(xì)胞的影響

圖2 為X 射線照后小鼠小腦浦肯野細(xì)胞的病理學(xué)圖片。如圖2 所示，光鏡下觀察到對(duì)照組小腦浦肯野細(xì)胞飽滿，形態(tài)完整，核大而圓、透明、核仁明顯清晰，邊緣規(guī)整，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程連續(xù)。與對(duì)照組相比，照射組小鼠小腦在PD3+7、PD 3+21、PD 3+90 細(xì)胞界限不清、排列紊亂，在PD 3+21、PD 3+90 可見浦肯野細(xì)胞向IGL 遷移（見黑色箭頭）、細(xì)胞丟失（見方框）;且部分細(xì)胞收縮呈三角形或不規(guī)則形， 空泡化加劇， 胞質(zhì)深染。

2. 2 X 射線照射對(duì)小鼠前額葉皮質(zhì)形態(tài)的影響

使用HE 染色評(píng)估小鼠前額葉皮質(zhì)（prefrontalcortex， PFC） 細(xì)胞病理形態(tài)學(xué)，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可見，光鏡下觀察到對(duì)照組PFC 細(xì)胞飽滿、形態(tài)完整，排列層次有序，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程連續(xù)。與對(duì)照組相比，照射組細(xì)胞排列稀疏，深嗜堿性皺縮，邊緣鋸齒狀，形態(tài)不規(guī)則，核固縮或溶解，可見病理性改變炎性細(xì)胞浸潤(rùn)（ 見白色箭頭）。

2. 3 X 射線照射對(duì)小鼠腦組織膠質(zhì)細(xì)胞的影響

2. 3. 1 X 射線照射對(duì)小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞的影響

圖4 為小鼠出生后 3 天X 射線（2 Gy）照射對(duì)小鼠小腦小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的影響。如圖4A 所示，與對(duì)照組相比，照射組小鼠小腦小膠質(zhì)標(biāo)志性蛋白IBa1 細(xì)胞數(shù)量在PD 3+21 增加（p <0. 05），在PD 3+90 恢復(fù)正常。如圖4B 所示，與對(duì)照組相比，照射組小鼠PFC 小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量在照射后各時(shí)間點(diǎn)均增加（p<0. 05， p<0. 01）。結(jié)果說(shuō)明幼鼠出生后X 射線照射早期誘導(dǎo)增加小腦小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，而PFC 小膠質(zhì)細(xì)胞在照射后持續(xù)增加至成年。

2. 3. 2 X 射線照射對(duì)小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞的影響

圖5 為小鼠出生后 3 天X 射線（2 Gy）照射對(duì)小鼠小腦星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的影響。如圖5A 所示，與對(duì)照組相比，PD 3+7 照射組小鼠小腦星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志蛋白 GFAP 數(shù)量減少（p<0. 05），PD3+21 和PD 3+90 數(shù)量沒變化。如圖5B 所示，與對(duì)照組相比，照射組小鼠PFC 的 GFAP 蛋白在照射后各時(shí)間點(diǎn)均降低（p<0. 01）。結(jié)果說(shuō)明幼鼠出生后照射早期降低小鼠小腦星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，PFC 區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量持續(xù)降低至成年。

2. 4 X 射線照射對(duì)成年小鼠炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)的影響

圖6 為 2 Gy X 射線對(duì)成年小鼠炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)的影響。如圖6 所示，通過(guò)檢測(cè)成年小鼠小腦和PFC 的IL-1β、TNF-α 蛋白表達(dá)，發(fā)現(xiàn)在小腦及PFC 中IL-1β 表達(dá)增加（p <0. 05），而TNF-α無(wú)明顯改變。

3 討論

小腦和前額葉皮質(zhì)的發(fā)育是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。小腦發(fā)育在產(chǎn)前和產(chǎn)后早期，EGL 中干/ 祖細(xì)胞在PD 15 時(shí)達(dá)到峰值，在PD 24 消失，EGL 是幼年期小鼠神經(jīng)發(fā)育的主要區(qū)域[18] ;PFC 的發(fā)育從產(chǎn)前持續(xù)至成年，幼年期是PFC 認(rèn)知功能發(fā)展最重要的時(shí)期[19] 。因此，在發(fā)育期的小腦和皮層經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)，特別容易受到不良因素的損傷。在幼鼠出生后3 天予以2 Gy X 射線全身照射后，其小腦顆粒層細(xì)胞數(shù)量降低至成年。浦肯野細(xì)胞是GABA 能神經(jīng)和細(xì)胞，是小腦和皮層的主要神經(jīng)元，具有延伸到分子層的精細(xì)樹突狀結(jié)構(gòu)[18] 。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幼年小鼠受照后浦肯野細(xì)胞向IGL 遷移，且部分細(xì)胞丟失，浦肯野細(xì)胞分支收縮呈深紫色的圓形或類圓形，這種改變持續(xù)至成年;在前額葉皮質(zhì)中觀察到細(xì)胞收縮呈深紫色的圓形或類圓形。以上結(jié)果均提示在幼年期小鼠受到照射后，小鼠小腦和皮層出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，在其發(fā)育過(guò)程中的病理學(xué)損傷是一個(gè)不可逆的反應(yīng)。

小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在輻射所致的腦損傷中起重要作用，其數(shù)量增加是輻射誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥變化的特征[20-21] 。不同于成年小鼠，幼年小鼠大腦在受到損傷后 6 h 內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增加，而在 1 周后小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量下降至低于正常水平，其原因是輻射導(dǎo)致的小膠質(zhì)細(xì)胞直接性死亡[22-23] 。也有研究發(fā)現(xiàn)，IBa1 陽(yáng)性細(xì)胞在早期增多，48 h 后出現(xiàn)下降，而21 天增多達(dá)到高峰，隨后出現(xiàn)下降[24] 。在本研究中。IBa1 蛋白在前額葉皮質(zhì)中持續(xù)增加，在小腦中僅在照射后21 天增加，提示輻射激活小鼠小腦和前額葉皮質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞，前額葉皮質(zhì)小膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)更為明顯。有證據(jù)表明輻射早期24 ～ 48 h 星形膠質(zhì)細(xì)胞GFAP會(huì)快速增高，在1 周左右出現(xiàn)下降，4 周左右恢復(fù)至正常水平[24] 。本研究中，在照射后7 天小鼠小腦中的GFAP 陽(yáng)性細(xì)胞降低，在PD 3+21 時(shí)數(shù)量恢復(fù)正常，與上述結(jié)果一致。在大劑量照射早期皮層GFAP 的陽(yáng)性表達(dá)增高[25-26] ，在電磁輻射早期PFC 中GFAP 陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)增加而后會(huì)逐漸降低[26-27] ，本實(shí)驗(yàn)中小鼠前額葉皮質(zhì)的GFAP 陽(yáng)性細(xì)胞照射后持續(xù)降低至成年。小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活在退行性疾病中存在交互作用[12] ，而在本研究中IBa1 表達(dá)持續(xù)增加與GFAP的持續(xù)性降低，推測(cè)可能是因?yàn)檩椛鋵?dǎo)致的炎癥激活小膠質(zhì)細(xì)胞，一方面炎癥持續(xù)刺激損傷星型膠質(zhì)細(xì)胞誘發(fā)其數(shù)量減少，一方面可能是因?yàn)檠装Y刺激引起星型膠質(zhì)細(xì)胞保護(hù)性減少以緩解神經(jīng)炎癥損傷。其具體機(jī)制還有待我們進(jìn)一步研究。

輻射產(chǎn)生的神經(jīng)炎癥會(huì)導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞的活化并誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)的分泌， 如IL - 1β、TNF - α 和IFN-γ 等[28-30] 。為了進(jìn)一步驗(yàn)證神經(jīng)炎癥的存在，我們檢測(cè)了成年小鼠小腦和前額葉皮質(zhì)中IL-1β 和TNF-α 蛋白表達(dá)，結(jié)果表明照射后小腦和前額葉皮質(zhì)中IL-1β 蛋白表達(dá)在成年后仍高于對(duì)照組，TNF-α 蛋白表達(dá)無(wú)明顯改變。研究提示，輻射誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥因子以IL-1β 為主。

綜上，得出以下結(jié)論，幼年小鼠X 射線照射可引起小鼠小腦顆粒細(xì)胞層、分子層、浦肯野細(xì)胞層產(chǎn)生連續(xù)性病理改變，前額葉皮質(zhì)出現(xiàn)炎性細(xì)胞聚集;增加前額葉皮質(zhì)和小腦小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，減少其星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，炎癥因子主要是IL-1β。

后期研究需要我們通過(guò)多標(biāo)志蛋白觀察膠質(zhì)細(xì)胞的激活及極化改變，以便深層次了解兩種膠質(zhì)細(xì)胞在輻射所致前額葉皮質(zhì)中的相互作用，為更全面了解輻射所致腦損傷機(jī)制。

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