Οξειδωτικό stress και κυτταρικός θάνατος οφειλόμενος σε ακτινοβόληση των CD34+ προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων: προστασία από την παρουσία του IGF-1

Abstract

Radiation exerts direct as well as indirect effects on DNA through the generation of reactive oxygen species (ROS). Irradiated hematopoietic progenitor cells (HPCs) experience DNA strand breaks, favoring genetic instability, due to ROS generation. Our aim was to study the effect of a range of radiation doses in HPCs and the possible protective mechanisms activated by insulin-like growth factor-1 (IGF-1). ROS generation was evaluated, in the presence or absence of IGF-1 in liquid cultures of human HPCs-CD34+ irradiated with 1-, 2- and 5-Gy X-rays, using a flow cytometry assay. Manganese superoxide dismutase (MnSOD) expression was studied by western blot analysis and visualized by an immunofluorescence assay. Apoptosis was estimated using the following assays: Annexin-V assay, DNA degradation assay, BCL-2/BAX mRNA and protein levels and caspase-9 protein immunofluorescence visualization. Viability and clonogenic potential were studied in irradiated HPCs. The generation of superoxide anion radicals at an early and a late time point was increased. This linear increase was reversed by the IGF-1 presence, restoring O.- generation at the levels of the innate production as manifested in control non irradiated samples. The hydrogen peroxide generation was increased at early time point but at late time point was stable. IGF-1 presence further enhanced the radiation-induced increase of MnSOD at 24 h post irradiation. IGF 1 inhibited the mitochondria- mediated pathway of apoptosis by regulating the m-RNA and protein expression of BAX, BCL-2 and the BCL-2/BAX ratio and by decreasing caspase-9 protein expression. IGF-1 presence in culture media of irradiated cells restored the clonogenic capacity and the viability of HPCs as well. In conclusion, our data support that IGF-1 anticipates oxidative microenvironment of HPCs by reducing the oxidative stress in intracellular environment due to a range of doses of radiation. IGF-1 succeeds to eliminate free radicals by favoring scavenger’s mechanisms and by regulating elements responsible for the mitochondrial pathway of apoptosis, allowing the sustained clonogenic capacity of hematopoietic progenitor cells. - See more at: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/6246#sthash.Ns7J9qCT.dpuf

Η ακτινοθεραπεία αποτελεί μέρος της θεραπείας πολλών αιματολογικών κακοηθών νοσημάτων επηρεάζοντας τον αριθμό και την λειτουργικότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων CD34+ Το DNA των κυττάρων αποτελεί το βασικότερο και ίσως καλύτερα μελετημένο μόριο-στόχο της ακτινοβολίας. Ο μηχανισμός που προκαλεί βλάβη στο DNA είναι άμεσος αλλά και έμμεσος. Η άμεση επίδραση και βλάβη της ακτινοβολίας στο DNA αφορά στην απευθείας δράση της στο μόριο του DNA που είναι δυνατόν να οδηγήσει σε αντικατάσταση ή απώλειας μιας βάσης, αλλαγές στην τεταρτοταγή δομή του DNA και κατά συνέπεια στις αλληλεπιδράσεις του με άλλα μόρια του κυττάρου (cross links), σπασίματα της διπλής έλικας DSB (Double Strand Breaks) ή της μίας μόνο εκ των δύο αλυσίδων SSB (Single Strand Breaks), σημειακές μεταλλάξεις ή απώλεια τμήματος των χρωμοσωμάτων. Ο έμμεσος μηχανισμός δράσης της ακτινοβολίας στο DNA αφορά την δημιουργία ελευθέρων ριζών από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα μόρια του νερού, ενδοκυττάρια και εξωκυττάρια από τη μία αλλά και από την απευθείας βλάβη του μιτοχονδρίου που αποτελεί κύρια ενδοκυττάρια πηγή ελευθέρων ριζών. Οι παραγόμενες ελεύθερες ρίζες με τη σειρά τους προκαλούν απευθείας βλάβη στο μόριο του DNA, με αποτέλεσμα την πυροδότηση ενός φαυλού κύκλου ενδοκυττάριας παραγωγής ελευθέρων ριζών και πρόκλησης βλαβών στο μόριο του DNA. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της δράσης χαμηλών και υψηλότερων δόσεων ακτινοβολίας (1, 2 και 5Gy) σε προγονικά αιμοποιητικά κύτταρα CD34+ προερχόμενα από αίμα ομφαλίου λώρου φυσιολογικών νεογνών, και ο πιθανός προστατευτικός μηχανισμός που ενεργοποιείται από την παρουσία του ινσουλινικού αυξητικού παράγοντα IGF-1. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία ενδοκυττάρια παραγωγή ενεργών μορφών οξυγόνου μελετήθηκε παρουσία ή απουσία του IGF-1, 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση με χρήση κυτταρομετρίας ροής. Η έκφραση του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD εκτιμήθηκε ποσοτικά με την τεχνική της ανοσοαποτύπωσης και ποιοτικά μέσω ανοσοφθορισμού. Η προκαλούμενη από την ακτινοβολία απόπτωση και η δράση του υπό μελέτη αυξητικού παράγοντα εκτιμήθηκε με τις ακόλουθες τεχνικές: •Διπλή χρώση των κυττάρων με Αννεξίνη και Ιωδιούχο προπίδιο και ανάλυση με κυτταρομετρία ροής •Ανάλυση DNA σε γέλη αγαρόζης •Εκτίμηση σε επίπεδο mRNA και πρωτεΐνης του λόγου των μορίων BCL-2 και BAX •Εκτίμηση της έκφρασης του μορίου κασπάση -9, με τη μέθοδο του ανοσοφθορισμού Εκτιμήθηκε επίσης ο πολλαπλασιασμός και η κλωνογόνος ικανότητα των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων. Η ενδοκυττάρια παραγωγή της ρίζας του υπεροξειδίου παρουσίασε αύξηση 30 λεπτά και 24 ώρες μετά την ακτινοβόληση, και η παρουσία του IGF-1 ανέτρεψε το φαινόμενο αυτό, μειώνοντας και επιστρέφοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα του ανιόντος του υπεροξειδίου στα επίπεδα του δείγματος ελέγχου. Αμέσως μετά την ακτινοβόληση των κυττάρων τα ενδοκυττάρια επίπεδα του υπεροξειδίου του υδρογόνου ανευρέθηκαν υψηλά σε σύγκριση με τα αυθόρμητα ενδογενή επίπεδα μη ακτινοβολημένων κυττάρων για όλες τις δόσεις ακτινοβολίας, όμως στον όψιμο χρόνο μελέτης, των 24 ωρών, παρέμειναν σχεδόν σταθερά, παρουσιάζοντας τάση μείωσης, χωρίς όμως να σημειώνονται στατιστικά σημαντικές διαφορές. Είκοσι τέσσερεις ώρες μετά την ακτινοβόληση τα επίπεδα του αντιοξειδωτικού ενζύμου MnSOD αυξήθηκαν, και η παρουσία του IGF-1 οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση της έκφρασης του. Ο IGF-1 ανέστειλε την ενεργοποίηση του μιτοχονδριακού μηχανισμού απόπτωσης ρυθμίζοντας σε μοριακό και κυτταρικό επίπεδο την έκφραση των BCL-2, ΒΑΧ και του λόγου BCL-2/BAX, και μειώνοντας την έκφραση του προαποπτωτικού μορίου κασπάση-9. Θετική ήταν και η δράση του IGF-1 στον πολλαπλασιασμό και στην ικανότητα αποδοτικής αιμοποίησης των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων, ενισχύοντας την ικανότητα πολλαπλασιασμού των ακτινοβολημένων κυττάρων αλλά και την κλωνογόνο ικανότητα τους ως προς τον σχηματισμό BFU-e και CFU-GM αποικιών. Συνοψίζοντας, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι ο IGF-1 συμμετέχει στη διατήρηση της οξειδοαναγωγικής ομοιόστασης του ενδοκυττάριου περιβάλλοντος των προγονικών αιμοποιητικών κυττάρων μειώνοντας τα ενδοκυττάρια επίπεδα των παραγόμενων ενεργών μορφών οξυγόνου. Μέσω θετικής ρύθμισης του αντιοξειδωτικού μηχανισμού MNSOD και συμμετέχοντας προστατευτικά στο μιτοχονδριακό καταρράκτη της απόπτωσης οδηγεί σε προστασία των ακτινοβολημένων αιμοποιητικών κυττάρων επιτρέποντας τους να διατηρήσουν την λειτουργικότητα τους και την ικανότητα αιμοποίησης. - See more at: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/6246#sthash.Ns7J9qCT.dpuf