Ionizing radiation: from molecular and cellular responses to hematologic malignancy risk

Abstract

Els humans estan exposats diàriament a fonts de radiació ionitzant tant naturals com artificials. Aquesta exposició és significativa a causa de l’augment del risc de càncer, fins i tot a dosis baixes. Les leucèmies, particularment les neoplàsies mieloides, es troben entre els càncers més vinculats a la radiació, tot i que els mecanismes carcinogènics encara no estan clars. A més, la resposta interindividual a dosis idèntiques de radiació pot variar. Tot i que els estudis amb dosis mitjanes i altes mostren diferències en la susceptibilitat, la majoria de fonts d’exposició impliquen dosis baixes. Aquesta tesi investiga els canvis moleculars i cel·lulars provocats per diferents exposicions mèdiques a la radiació, les variacions segons la radiosensibilitat i la relació amb el desenvolupament del càncer. Primer, per comparar les respostes a una dosi de radiació equivalent a una tomografia computada (20 mGy) en línies cel·lulars amb diferents nivells de radiosensibilitat, es van analitzar diversos paràmetres i es van comparar amb els efectes d’una dosi mitjana (500 mGy). La línia radiorresistent no va mostrar canvis a 20 mGy, mentre que la línia radiosensible va presentar un augment en el dany a l’ADN, la proliferació i la mort cel·lular. Això es va correlacionar amb una major expressió de gens antioxidants en les cèl·lules radiorresistents, cosa que suggereix un mecanisme de protecció. A 500 mGy, ambdues línies van mostrar canvis, amb una resposta antioxidant incrementada en les radiorresistents, menys dany a l’ADN i apoptosi, i una menor proliferació, probablement deguda a una aturada del cicle cel·lular per facilitar la reparació de l’ADN. Tot i això, la cinètica de reparació de l’ADN va ser similar en ambdues línies, el que indica que les diferències de radiosensibilitat a dosis baixes/mitjanes es deuen principalment a la capacitat antioxidant. En un segon estudi, una línia cel·lular limfoblastoide va ser exposada a un règim simulat de radioteràpia (cinc dosis d’1 Gy), i es va analitzar l’expressió gènica. Vint-i-quatre hores després de l’exposició, es van detectar nivells elevats de gens relacionats amb la senescència i el seu fenotip secretor (SASP). Aquests marcadors no eren presents després de 30 dies, moment en què es van sobreexpressar gens implicats en la inflamació. Una metanàlisi que comparava els perfils d’expressió gènica de les neoplàsies mieloides relacionades amb la teràpia i els casos de novo va identificar una signatura de 12 gens. La majoria d’aquests gens, relacionats amb la resposta immunitària i un mal pronòstic en la leucèmia mieloide aguda, estaven menys expressats en els casos relacionats amb la teràpia. Un tercer estudi va trobar una correlació entre la incidència de leucèmia mieloide aguda i la radiació gamma natural mitjana a Europa, amb taxes de leucèmia més altes als països amb una exposició gamma més gran. En conjunt, l’exposició a dosis baixes va provocar un augment del dany a l’ADN en cèl·lules radiosensibles, cosa que podria desencadenar una inestabilitat genètica i augmentar el risc de càncer. A dosis més altes, com les de radioteràpia, es va observar senescència 24 hores després de l’exposició, probablement deguda a un dany extens en l’ADN. Les cèl·lules senescents van alliberar components del SASP, que podrien promoure el microambient inflamatori observat 30 dies després. Aquesta inflamació podria contribuir a la proliferació de cèl·lules leucèmiques. Les neoplàsies mieloides relacionades amb la teràpia van mostrar una resposta immune deteriorada, cosa que podria afavorir la progressió del càncer i explicar la seva naturalesa agressiva. Finalment, la relació entre la incidència de leucèmia mieloide aguda i la radiació gamma terrestre dona suport a una connexió entre la radiació de baixa dosi i el risc de leucèmia, tot i que calen més estudis per confirmar-ho.

Los seres humanos están expuestos diariamente a fuentes de radiación ionizante, tanto naturales como antropogénicas. Esta exposición es significativa debido al aumento del riesgo de cáncer, incluso a dosis bajas. Las leucemias, particularmente las neoplasias mieloides, se encuentran entre los cánceres más fuertemente relacionados con la radiación, aunque los mecanismos carcinogénicos aún no están claros. Además, la respuesta interindividual a dosis idénticas de radiación varía. Aunque los estudios con dosis medias y altas revelan diferencias en la susceptibilidad, la mayoría de las fuentes de exposición implican dosis bajas. Esta tesis investiga los cambios moleculares y celulares provocados por diferentes exposiciones médicas a la radiación, las variaciones según la radiosensibilidad intrínseca y la relación con el desarrollo del cáncer. Primero, para comparar las respuestas a una dosis de radiación equivalente a una tomografía computarizada (20 mGy) en líneas celulares con distinta radiosensibilidad, se analizaron varios parámetros y se compararon con los efectos a una dosis media (500 mGy). La línea radiorresistente no mostró cambios a 20 mGy, mientras que la línea radiosensible presentó un aumento en el daño al ADN, la proliferación y la muerte celular. Esto se correlacionó con una mayor expresión de genes antioxidantes en las células radiorresistentes, lo que sugiere la existencia de un mecanismo de protección. A 500 mGy, ambas líneas mostraron cambios, siendo más fuerte la respuesta antioxidante en las células radiorresistentes, con menos daño al ADN y apoptosis, y una menor proliferación, probablemente debido a una detención del ciclo celular para permitir la reparación del ADN. Sin embargo, la cinética de reparación del ADN fue similar en ambas líneas, lo que indica que las diferencias de radiosensibilidad a dosis bajas y medias se deben principalmente a la capacidad antioxidante. En un segundo estudio, una línea celular linfoblastoide fue expuesta a un régimen simulado de radioterapia (cinco dosis de 1 Gy), y se analizó la expresión génica. Veinticuatro horas después de la exposición, se observaron niveles elevados de genes relacionados con la senescencia y el fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP). Estos marcadores estaban ausentes después de 30 días, momento en el que se sobreexpresaron genes involucrados en la inflamación. Un metaanálisis que comparó los perfiles de expresión génica de neoplasias mieloides relacionadas con la terapia y casos de novo identificó una firma de 12 genes. La mayoría de estos genes, relacionados con la respuesta inmune y un mal pronóstico en la leucemia mieloide aguda, estaban regulados a la baja en los casos relacionados con la terapia. Un tercer estudio encontró una correlación entre la incidencia de leucemia mieloide aguda y la radiación gamma natural promedio en Europa, con mayores tasas de leucemia en países con mayor exposición gamma. En general, la exposición a dosis bajas provocó un aumento del daño al ADN en células radiosensibles, lo que podría desencadenar inestabilidad genética y aumentar el riesgo de cáncer. A dosis más altas, como las utilizadas en radioterapia, se observó senescencia celular 24 horas después de la exposición, probablemente debido a un daño extenso en el ADN. Las células senescentes liberaron componentes del SASP, lo que podría promover el microambiente inflamatorio observado 30 días después. Esta inflamación podría contribuir a la proliferación de células leucémicas. Las neoplasias mieloides relacionadas con la terapia mostraron una respuesta inmune deteriorada, lo que podría impulsar la progresión del cáncer y explicar su naturaleza agresiva. Finalmente, el vínculo observado entre la incidencia de leucemia mieloide aguda y la radiación gamma terrestre respalda una conexión entre la radiación ionizante de baja dosis y el riesgo de leucemia, aunque se necesitan más estudios para confirmarlo.

Humans are daily exposed to both natural and human-made sources of ionizing radiation. This exposure is significant due to the increased cancer risk, even at low doses. Leukemias, particularly myeloid neoplasms, are among the cancers most strongly linked to radiation, though the carcinogenic mechanisms remain unclear. Additionally, individuals vary in their responses to identical radiation doses. While medium and high-dose studies reveal susceptibility differences, most exposure sources are low-dose. This thesis investigates molecular and cellular changes from different medical radiation exposures, variations based on intrinsic radiosensitivity, and the connection to cancer development. First, to compare responses to a radiation dose equivalent to a CT scan (20 mGy) in cell lines with differing radiosensitivity, several parameters were analyzed and compared to effects at a medium dose (500 mGy). The radioresistant line showed no changes at 20 mGy, while the radiosensitive line had increased DNA damage, proliferation, and cell death. This correlated with higher antioxidant gene expression in the radioresistant cells, suggesting a protective mechanism. At 500 mGy, both lines showed changes, with the radioresistant cells exhibiting a stronger antioxidant response, less DNA damage and apoptosis, and reduced proliferation, likely due to cell cycle arrest for DNA repair. However, DNA repair kinetics were similar in both lines, indicating that radiosensitivity differences at low and medium doses are largely due to antioxidant capacity. In a second study, a lymphoblastoid cell line was exposed to a simulated radiotherapy regimen (five 1 Gy doses), and gene expression was analyzed. Twenty-four hours after exposure, genes linked to senescence and the senescence-associated secretory phenotype (SASP) were upregulated. These markers were absent after 30 days, at which point genes involved in inflammation were overexpressed. A meta-analysis comparing gene expression profiles of therapy-related myeloid neoplasms and de novo cases identified a 12-gene signature. Most of these genes, related to immune response and poor acute myeloid leukemia prognosis, were downregulated in therapy-related cases. A third study found a correlation between acute myeloid leukemia incidence and average natural gamma radiation in Europe, with higher leukemia rates in countries with greater gamma exposure. Overall, low-dose exposure led to increased DNA damage in radiosensitive cells, potentially triggering genetic instability and raising cancer risk. At higher doses, like those in radiotherapy, cell senescence was observed 24 hours post-exposure, likely due to extensive DNA damage. Senescent cells released SASP components, potentially promoting the inflammatory microenvironment observed 30 days later. This inflammation may contribute to leukemic cell proliferation. Therapy-related myeloid neoplasms showed an impaired immune response, possibly driving cancer progression and explaining their aggressive nature. Lastly, the observed link between acute myeloid leukemia incidence and terrestrial gamma radiation supports a connection between low-dose ionizing radiation and leukemia risk, though further studies are needed for confirmation.