Features of Brain Damage after Gamma-Neutron Irradiation of the Head and Modification of the Damage by Lactoferrin

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Purpose: To investigate the effect of γ, n-irradiation of the mice head on the brain cells damage, behavior and cognition, and to examine the possibility of using lactoferrin (LF) to alleviate radiation-induced impairments.

Material and methods: Mice heads were irradiated in a beam of neutrons and gamma rays from the IR-8 nuclear reactor. The brain cells of control and irradiated mice were isolated using Percoll. Neurons and resting and activated microglia cells were analyzed using the fluorescently labeled antibodies and flow cytometry. The level of DNA double-strand breaks in neurons was determined by γH2AX histone content. Cytokine gene expression in the hippocampus was studied by RT-PCR. Behavior and cognitive functions were studied using the open field, Morris water maze and novel object recognition tests. LF was isolated from female colostrum by preparative ion-exchange chromatography and purified by affinity chromatography on heparin-sepharose.

Results: γ, n-Irradiation of the mice head at a dose of 1.5 Gy led to an increase in the level of DNA double-strand breaks in neurons. Twenty-four hours after irradiation the total number of cells and the number of neurons in the isolated fraction of brain cells decreased, but the number of microglial cells remained unchanged. The number of resting and activated microglia did not change within 3–72 h after γ, n-irradiation. The expression level of the TNFα, IL-1β, and IL-6 genes increased 2 months after γ, n-irradiation of the mice head at a dose of 1.5 Gy, indicating the development of neuroinflammation. At this time, irradiated mice demonstrated the anxiety-like behavior and impaired spatial and recognition memory. A single i.p. administration of human LF to mice immediately after γ, n-irradiation of the head did not affect the observed radiation-induced disturbances, but decreased the gene expression levels of TNFα, IL-1β and IL-6 pro-inflammatory cytokines and increased the gene expression level of TGFβ anti-inflammatory cytokine in the hippocampus 2 months after radiation exposure. The obtained results indicate a partial decrease in the level of hippocampal neuroinflammation of irradiated animals treated with LF.

Conclusion: γ, n-Irradiation of the mice head at a dose of 1.5 Gy leads to DNA damage of neurons and the decrease in the number of neurons. Microglia cells are more resistant to such radiation exposure. Late after head-only γ, n-irradiation, mice develop neuroinflammation, which is detected by an increase in the pro-inflammatory cytokine gene expression in the hippocampus and also by anxiety-like behavior and impaired cognitive functions. A single LF administration leads to a partial decrease in the neuroinflammation level, but does not affect the other studied parameters. The optimal dosing regimen of LF remains to be determined to preserve cognitive functions after γ, n-irradiation of the brain.

About the authors

A. V. Rodina

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

O. V. Vysotskaya

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

A. S. Zhirnik

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

O. D. Smirnova

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

A. A. Parfenova

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

A. N. Strepetov

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

Yu. P. Semochkina

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

M. V. Nesterenko

LLC "Laktobio"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

E. Yu. Moskaleva

National Research Center "Kurchatov Institute"

Email: moskalevaey@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Gulidov I.А., Aslanidi I.P. On the State and Prospects of Development of Remote Neutron Therapy. Voprosy Onkologii = Problems in Oncology. 2014;60;4:408–412 (In Russ.).
  2. Musabayeva L.I., Lisin V.A., Startseva Zh.A., Gribova O.V., Velikaya V.V., Melnikov A.A. Neutron Therapy at the U-120 Cyclotron. On the Occasion of the 30th Anniversary of the Use of Neutron Therapy - a Review of the Results of Scientific Research. Meditsinskaya Radiologiya i Radiatsionnaya Bezopasnost = Medical Radiology and Radiation Safety. 2013;58;2:53–61 (In Russ.).
  3. Velikaya V.V., Startseva Zh.A., Lisin V.A., Goldberg V.Ye., Popova N.O. Adjuvant Neutron Therapy in Combined Modality Treatment of Patients with Primary-Metastatic Breast Cancer. Medical radiology and radiation safety. 2022;67;5:64–68. doi: 10.33266/1024-6177-2022-67-5-64-68 (In Russ.).
  4. Musabayeva L.I., Choynzonov Ye.L., Gribova O.V., Startseva Zh.A., Velikaya V.V., Lisin V.A. Neutron Therapy in the Treatment of Radioresistant Malignant Tumors. Sibirskiy Onkologicheskiy Zhurnal = Siberian Journal of Oncology. 2016;15(3):67–71. doi: 10.21294/1814-4861-2016-15-3-67-71. (In Russ.).
  5. Walenta S., Mueller-Klieser W. Differential Superiority of Heavy Charged-Particle Irradiation to X-Rays: Studies on Biological Effectiveness and Side Effect Mechanisms in Multicellular Tumor and Normal Tissue Models. Front Oncol. 2016;6:30. doi: 10.3389/fonc.2016.00030.
  6. Matchuk O.N., Zamulayeva I.A., Selivanova Ye.I., Lipunov N.M., Pronyushkina K.A., Ulyanenko S.Ye., et al. Sensitivity of Melanoma B16 Side Population to Low- and High-LET Radiation. Radiatsionnaya Biologiya. Radioekologiya = Radiation Biology. Radioecology. 2012;52;3:261–267 (In Russ.).
  7. Shuvatova V.G., Semochkina Y.P., Strepetov A.N., Moskaleva E.Y. Sensitivity of MCF-7 Mammosphere CSCs to Neutron Radiation. Journal of Cancer Metastasis and Treatment. 2022;8;5:23. doi: 10.20517/2394-4722.2022.29.
  8. Yang L., Yang J., Li G., Li Y., Wu R., Cheng J., et al. Pathophysiological Responses in Rat and Mouse Models of Radiation-Induced Brain Injury. Mol. Neurobiol. 2017;54;2:1022–1032. doi: 10.1007/s12035-015-9628-x.
  9. Eyo U.B., Dailey M.E. Microglia: Key Elements in Neural Development, Plasticity, and Pathology. J. Neuroimmune Pharmacol. 2013;8;3:494–509. doi: 10.1007/s11481-013-9434-z.
  10. Thompson K.K., Tsirka S.E. The Diverse Roles of Microglia in the Neurodegenerative Aspects of Central Nervous System (CNS) Autoimmunity. Int. J. Mol. Sci. 2017;18;3:504. doi: 10.3390/ijms18030504.
  11. Kalm M., Andreasson U., Bjork-Eriksson T., Zetterberg H., Pekny M., Blennow K., et al. C3 Deficiency Ameliorates the Negative Effects of Irradiation of the Young Brain on Hippocampal Development and Learning. Oncotarget. 2016;7;15:19382–19394. doi: 10.18632/oncotarget.8400.
  12. Rodina A.V., Semochkina Y.P., Vysotskaya O.V., Romantsova A.N., Strepetov A.N., Moskaleva E.Y. Low Dose Gamma Irradiation Pretreatment Modulates the Sensitivity of CNS to Subsequent Mixed Gamma and Neutron Irradiation of the Mouse Head. Int. J. Radiat. Biol. 2021;97;7:926–942. doi: 10.1080/09553002.2021.1928787.
  13. Feng L., Li J., Qin L., Guo D., Ding H., Deng D. Radioprotective Effect of Lactoferrin in Mice Exposed to Sublethal X-Ray Irradiation. Exp. Ther. Med. 2018;16;4:3143–3148. doi: 10.3892/etm.2018.6570.
  14. Kopaeva M.Y., Alchinova I.B., Cherepov A.B., Demorzhi M.S., Nesterenko M.V., Zarayskaya I.Y., et al. New Properties of a Well-Known Antioxidant: Pleiotropic Effects of Human Lactoferrin in Mice Exposed to Gamma Irradiation in a Sublethal Dose. Antioxidants (Basel). 2022;11;9:1833. doi: 10.3390/antiox11091833.
  15. Ivanov A.A., Ulanova A.M., Deshevoy Yu.B., Maltsev V.N. Sredstvo Lecheniya Luchevoy Bolezni = Treatment for Radiation Sickness. Pat. № RU2294755C1 Russia. 2007 (In Russ.).
  16. Arzumanov S.S., Safronov V.V., Strepetov A.N. Determination of a Dose Absorbed in a Biological Sample under Mixed Gamma–Neutron Irradiation. Technical Physics. 2018;63;10:1533–1536. doi: 10.1134/S1063784218100031.
  17. Zhirnik A.S., Smirnova O.D., Semochkina Yu.P., Shibayeva K.D., Rodina A.V., Ratushnyak M.G., et al. Cognitive Impairment and Induction of Neuroinflammation in the Late Period after Single Whole Brain γ-Irradiation of Mice. Radiatsionnaya Biologiya. Radioekologiya = Radiation Biology. Radioecology. 2021;61;1:32–43. doi: 10.31857/S0869803121010112 (In Russ.).
  18. Zhirnik A.S., Rodina A.V., Semochkina Yu.P., Vysotskaya O.V., Smirnova O.D., Ratushnyak M.G., et al. Cognitive Disturbances and the State of Brain Glial Cells in Mice Exposed to Fractionated Whole-Brain Irradiation. Meditsinskaya Radiologiya i Radiatsionnaya Bezopasnost = Medical Radiology and Radiation Safety. 2022;67;5:10–17. doi: 10.33266/1024-6177-2022-67-5-10-17 (In Russ.).
  19. Posypanova G.A., Ratushnyak M.G., Semochkina Yu.P., Abisheva A.A., Moskaleva Ye.Yu. The Sensitivity of the Cultured Murine Neural Stem Cells to the Ionizing Radiation. Tsitologiya. 2019;61;10:806–816. doi: 10.1134/S0041377119100067 (In Russ.).
  20. Moskaleva Ye.Yu., Rodina A.V., Chukalova A.A., Posypanova G.A. Effects of γ-Radiation on Mesenchymal Stem Cells from Mouse Bone Marrow and Brain and Their Ability to Induce Tumors. Radiatsionnaya Biologiya. Radioekologiya = Radiation Biology. Radioecology. 2017;57;3:245–256. doi: 10.7868/S0869803117030018 (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».