zdorПроблемы здоровья и экологииHealth and Ecology Issues2220-09672708-6011Gomel State Medical University10.51523/2708-6011.2023-20-4-12zdor-2652Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА И БИОЛОГИЯEXPERIMENTAL MEDICINE AND BIOLOGYМеханические и структурные свойства лимфоцитов крысы и человека после воздействия рентгеновского излучения на цельную кровь in vitroMechanical and structural properties of rat and human lymphocytes after the exposure of the whole blood to X-rays in vitrohttps://orcid.org/0000-0002-6812-753XЧелноковаИ. А.ChelnokovaI. А.

Челнокова Ирина Александровна, научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем

Гомель

Irina A. Chelnokova, Researcher, Laboratory of Biological Systems Stability

Gomel

https://orcid.org/0000-0002-6365-3856ШкляроваА. Н.ShkliaravaN. M.

Шклярова Анастасия Николаевна, младший научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем

Гомель

Nastassia M. Shkliarava, Junior Researcher, Laboratory of Biological Systems Stability

Gomel

https://orcid.org/0000-0002-0262-0858ЕгоренковН. И.YegorenkovN. I.

Егоренков Николай Иванович, д.х.н., профессор кафедры биологической химии

Гомель

Nikolai I. Yegorenkov, Doctor of Chemical Sciences, Pro- fessor of the Department of Biological Chemistry

Gomel

https://orcid.org/0000-0002-8516-0884СтародубцеваМ. Н.StarodubtsevaM. N.

Стародубцева Мария Николаевна, д.б.н., профессор кафедры медицинской и биологической физики; главный научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем

Гомель 

Maria N. Starodubtseva, Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department of Medical and Biological Physics; Chief Researcher, Laboratory of Biological Systems Stability

Gomel

Институт радиобиологии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Radiobiology of the National Academy of Sciences of BelarusГомельский государственный медицинский университетGomel State Medical UniversityГомельский государственный медицинский университет; Институт радиобиологии Национальной академии наук БеларусиGomel State Medical University; Institute of Radiobiology of the National Academy of Sciences of Belarus20230501202420494–101Copyright © Челнокова И.А., Шклярова А.Н., Егоренков Н.И., Стародубцева М.Н., 20242024Челнокова И.А., Шклярова А.Н., Егоренков Н.И., Стародубцева М.Н.Chelnokova I.А., Shkliarava N.M., Yegorenkov N.I., Starodubtseva M.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gsmu.by/jour/article/view/2652

Цель исследования. Выявить с помощью атомной микроскопии изменения параметров структурных и механических свойств лимфоцитов периферической крови, вызванные облучением цельной крови рентгеновским излучением, и определить возможность оценки состояния и радиационно-индуцированные программы гибели лимфоцитов с использованием анализа набора таких параметров.Материалы и методы. Цельную кровь крыс и человека облучали рентгеновским излучением (1–100 Гр) in vitro. Лимфоциты выделяли из крови после суток хранения, помещали на стеклянные пластины, фиксировали глутаровым альдегидом и высушивали. Изучение структурных и механических свойств проводили с помощью атомно-силового микроскопа (ACM) Bruker Bioscope Resolve в режиме PeakForce QNM на воздухе. Для наборов АСМ-параметров, в которые были включены модуль упругости, сила адгезии, шероховатость клеточной поверхности и размеры клеток, для разных экспериментальных выборок была проведена кластеризация данных методом k-средних.Результаты. Облучение крови рентгеновским излучением вызвало изменение параметров структурных и механических свойств лимфоцитов, измеренных с помощью АСМ на наномасштабе. Кластеризация наборов АСМ-параметров выявила кластеры с подобной структурой в каждой экспериментальной группе (человек; крысы 6 и 16 месяцев). Изученные четыре кластера ассоциированы с разными состояниями клеток и программами их гибели: неактивные клетки, активированные клетки с повышенной жесткостью, апоптотические клетки со сниженной жесткостью и клетки, гибнущие по другим, отличным от апоптоза программам гибели с повышенной жесткостью. Каждый кластер (тип клеток) с определенным набором АСМ-параметров был разным образом представлен в популяции лимфоцитов крови в зависимости от дозы рентгеновского излучения.Заключение. Комплекс АСМ-параметров лимфоцитов, включающий модуль упругости, силу адгезии, шероховатость и размеры клеток, может быть полезным при автоматическом определении состояния лимфоцитов и программы их гибели при локальном облучении организма с вовлечением периферической крови, например при радиотерапии. 

Objective. By the means of atomic force microscopy to determine the changes in the parameters of the structural and mechanical properties of peripheral blood lymphocytes induced by the irradiation of whole blood by X-rays and identifying the possibility of assessing a state and radiation-induced lymphocyte death programs by analyzing a set of such parameters.Materials and methods. Whole blood of rats and humans was irradiated with X-rays (1–100 Gy) in vitro. Lymphocytes were isolated from the blood after a day of storage, placed on glass slides, fixed with glutaraldehyde and dried. The study of structural and mechanical properties was carried out with the help of atomic force microscope Bruker Bioscope Resolve in Peak Force QNM mode in air. For the sets of AFM parameters, which included elastic modulus, adhesion force, cell surface roughness and cell sizes, a k-mean clustering of data was carried out for the studied experimental groups.Results. The X-ray irradiation of the blood caused changes in the structural and mechanical properties of lymphocytes measured by AFM at the nanoscale. Clustering analysis of the sets of AFM parameters revealed clusters with similar structure in each experimental group (humans, 6and 16-month rats). The studied four clusters were associated with cell states and cell death programs: non-activated cells, activated cells with increased stiffness, apoptotic cells with reduced stiffness, and cells dying via programs other than apoptotic ones with increased stiffness. Each cluster (cell type) with a specific set of AFM parameters was represented differently in the blood lymphocyte population, depending on the dose of X-rays.Conclusion. The set of ACM parameters of lymphocytes including elastic modulus, adhesion force, roughness, and cell sizes, can be helpful for automatically determining the state and death program of lymphocytes after the local irradiation of humans with the involvement of peripheral blood (for example, after radio-therapeutic causes).

рентгеновское излучениекрысачеловеккровьлимфоцитымеханические свойстваатомно-силовая микроскопияX-raysrathumanbloodlymphocytesmechanical propertiesatomic force microscopyРабота выполнена в рамках ГПНИ «Природные ресурсы и окружающая среда», подпрограмма «Радиация и биологические системы», задание 3.01.2 «Разработать критерии оценки радиационно-индуцированных изменений ткани внутренней среды, основанной на анализе структуры и механических свойств клеточного компонента на моделях in vitro и in vivo».The work was carried out within the framework of the State Research Institute “Natural Resources and the Environment”, the subprogram “Radiation and biological systems” task 3.01.2 “To develop criteria for assessing the radiation-induced changes in tissues of the internal environment based on an analysis of the structural and mechanical properties of the cellular component using in vitro and in vivo models”.ReferencesLa Verde G, Artiola V, Panzetta V, Pugliese M, Netti PA, Fusco S. Cytoskeleton Response to Ionizing Radiation: A Brief Review on Adhesion and Migration Effects. Biomedicines. 2021;9(9);1102. DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines9091102La Verde G, Artiola V, Panzetta V, Pugliese M, Netti PA, Fusco S. Cytoskeleton Response to Ionizing Radiation: A Brief Review on Adhesion and Migration Effects. Biomedicines. 2021;9(9);1102. DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines9091102Starodubtseva MN Mechanical Properties of the Cell Surface Layer Measured by Contact Atomic Force Microscopy. In: FM Borodich, X. Jin, (eds) Contact Problems for Soft, Biological and Bioinspired Materials. Biologically-Inspired Systems. Springer; 2022;15;51-72. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-85175-0_3Starodubtseva MN Mechanical Properties of the Cell Surface Layer Measured by Contact Atomic Force Microscopy. In: FM Borodich, X. Jin, (eds) Contact Problems for Soft, Biological and Bioinspired Materials. Biologically-Inspired Systems. Springer; 2022;15;51-72. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-85175-0_3Belka C, Ottingr H, Kreuzfelder E, Weinmann M, Lindemann M, Lepple-wienhues A, Budach W, Grosse-Wilde H, Bamberg M. Impact of localized radiotherapy on blood immune cells counts and function in humans. Radiotherapy and Oncology. 1999;50(2);199-204. DOI: https://doi.org/10.1016/s0167-8140(98)00130-3Belka C, Ottingr H, Kreuzfelder E, Weinmann M, Lindemann M, Lepple-wienhues A, Budach W, Grosse-Wilde H, Bamberg M. Impact of localized radiotherapy on blood immune cells counts and function in humans. Radiotherapy and Oncology. 1999;50(2);199-204. DOI: https://doi.org/10.1016/s0167-8140(98)00130-3Yao Z, Jones J, Kohrt H, Strober S. Selective resistance of CD44hi T cells to p53-dependent cell death results in persistence of immunologic memory after total body irradiation The Journal of Immunology. 2018;187(8);4100-4108. DOI: https://doi.org/10.4049/jimmunol.1101141Yao Z, Jones J, Kohrt H, Strober S. Selective resistance of CD44hi T cells to p53-dependent cell death results in persistence of immunologic memory after total body irradiation The Journal of Immunology. 2018;187(8);4100-4108. DOI: https://doi.org/10.4049/jimmunol.1101141Kachikwu EL, Iwamoto KS, Liao Y-P, DeMarco JJ, Agazaryan N, Economou JS, McBride WH, Schaue D. Radiation enhances regulatory T cell representation International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2011;81(4);1128-1135. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2010.09.034Kachikwu EL, Iwamoto KS, Liao Y-P, DeMarco JJ, Agazaryan N, Economou JS, McBride WH, Schaue D. Radiation enhances regulatory T cell representation International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2011;81(4);1128-1135. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2010.09.034Qu Y, Jin S, Zhang A, Zhang B, Shi X, Wang J, Zhao Y, Gamma-ray resistance of regulatory CD4+ CD25+ Foxp3+ T cells in mice. Radiation research. 2010;173(2);148-157. DOI: https://doi.org/10.1667/RR0978.1Qu Y, Jin S, Zhang A, Zhang B, Shi X, Wang J, Zhao Y, Gamma-ray resistance of regulatory CD4+ CD25+ Foxp3+ T cells in mice. Radiation research. 2010;173(2);148-157. DOI: https://doi.org/10.1667/RR0978.1Bogdándi EN, Balogh A, Felgyinszki N, Szatmári T, Persa E, Hildebrandt G, Sáfrány G, Lumniczky K. Effects of low-dose radiation on the immune system of mice after total-body irradiation. Radiation research. 2010;174(4);480-489. DOI: https://doi.org/10.1667/RR2160.1Bogdándi EN, Balogh A, Felgyinszki N, Szatmári T, Persa E, Hildebrandt G, Sáfrány G, Lumniczky K. Effects of low-dose radiation on the immune system of mice after total-body irradiation. Radiation research. 2010;174(4);480-489. DOI: https://doi.org/10.1667/RR2160.1Di Carlo D. A Mechanical Biomarker of Cell State in Medicine. SLAS Technology. 2012;1(17);32-42. DOI: https://doi.org/10.1177/2211068211431630Di Carlo D. A Mechanical Biomarker of Cell State in Medicine. SLAS Technology. 2012;1(17);32-42. DOI: https://doi.org/10.1177/2211068211431630Hu M, Wang J, Zhao H, Dong S, Cai J. Nanostructure and nanomechanics analysis of lymphocyte using AFM: From resting, activated to apoptosis. J Biomech. 2009;42;1513-1519. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.03.051Hu M, Wang J, Zhao H, Dong S, Cai J. Nanostructure and nanomechanics analysis of lymphocyte using AFM: From resting, activated to apoptosis. J Biomech. 2009;42;1513-1519. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.03.051Jin H, Liang Q, Chen T, Wang X Resveratrol Protects Chondrocytes from Apoptosis via Altering the Ultrastructural and Biomechanical Properties: An AFM Study. PLoS ONE. 2014;9(3):e91611. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0091611Jin H, Liang Q, Chen T, Wang X Resveratrol Protects Chondrocytes from Apoptosis via Altering the Ultrastructural and Biomechanical Properties: An AFM Study. PLoS ONE. 2014;9(3):e91611. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0091611der Meeren LV, Verduijn J, Krysko DV, Skirtach AG. AFM Analysis Enables Differentiation between Apoptosis, Necroptosis, and Ferroptosis in Murine Cancer Cells. iScience. 2020;23:101816. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101816der Meeren LV, Verduijn J, Krysko DV, Skirtach AG. AFM Analysis Enables Differentiation between Apoptosis, Necroptosis, and Ferroptosis in Murine Cancer Cells. iScience. 2020;23:101816. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101816Falcke SE, Rühle PF, Deloch L, Fietkau R, Frey B, Gaipl US. Clinically Relevant Radiation Exposure Differentially Impacts Forms of Cell Death in Human Cells of the Innate and Adaptive Immune System. Int J Mol Sci. 2018;19(11):3574. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms19113574Falcke SE, Rühle PF, Deloch L, Fietkau R, Frey B, Gaipl US. Clinically Relevant Radiation Exposure Differentially Impacts Forms of Cell Death in Human Cells of the Innate and Adaptive Immune System. Int J Mol Sci. 2018;19(11):3574. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms19113574Paganetti H. A review on lymphocyte radiosensitivity and its impact on radiotherapy. Front Oncol. 2023;13:1201500. DOI: https://doi.org/10.3389/fonc.2023.1201500Paganetti H. A review on lymphocyte radiosensitivity and its impact on radiotherapy. Front Oncol. 2023;13:1201500. DOI: https://doi.org/10.3389/fonc.2023.1201500Lambin P, Lieverse RIY, Eckert F, Marcus D, Oberije C, van der Wiel AMA, Guha C, Dubois LJ, Deasy JO. Lymphocyte-Sparing Radiotherapy: The Rationale for Protecting Lymphocyte-rich Organs When Combining Radiotherapy with Immunotherapy. Semin Radiat Oncol. 2020;30(2):187-193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.semradonc.2019.12.003Lambin P, Lieverse RIY, Eckert F, Marcus D, Oberije C, van der Wiel AMA, Guha C, Dubois LJ, Deasy JO. Lymphocyte-Sparing Radiotherapy: The Rationale for Protecting Lymphocyte-rich Organs When Combining Radiotherapy with Immunotherapy. Semin Radiat Oncol. 2020;30(2):187-193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.semradonc.2019.12.003

The authors declare that there are no conflicts of interest present.