mesЭкстремальная биомедицинаExtreme Medicine3033-89643033-8972Centre for Strategic Planning of the Federal Medical and Biological Agency10.47183/mes.2023.006mes-88Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕORIGINAL RESEARCHОценка персонифицированной реакции гемопоэтических стволовых клеток на гамма-облучение с использованием гуманизированных мышейAssessment of individual hematopoietic stem cell response to gamma exposure using humanized miceАтаманюкН. И.AtamanyukN. I.

Наталья Игоревна Атаманюк

ул. Воровского, д. 68 А, г. Челябинск, 454141 

Natalia I. Atamanyuk 

 Vorovskogo, 68А, Chelyabinsk, 454141 

vita_pulhra@mail.ruПряхинЕ. А.PryakhinE. A.

Челябинск

Chelyabinsk 

СтяжкинаЕ. В.StyazhkinaE. V.

Челябинск

Chelyabinsk 

ОбвинцеваН. А.ObvintsevaN. A.

Челябинск

Chelyabinsk 

ТряпицынаГ. А.TryapitsynaG. A.

Челябинск 

Chelyabinsk 

ПеретыкинА. А.PeretykinA. A.

Челябинск

Chelyabinsk 

АндреевС. С.AndreevS. S.

Челябинск

Chelyabinsk 

АлдибековаА. Е.AldibekovaA. E.

Челябинск

Chelyabinsk 

АклеевА. В.AkleyevA. V.

Челябинск 

Chelyabinsk 

Уральский научно-практический центр радиационной медицины Федерального медико-биологического агентстваРоссияUrals Research Center for Radiation Medicine of the Federal Medical Biological AgencyRussian FederationУральский научно-практический центр радиационной медицины Федерального медико-биологического агентства ; Челябинский государственный университетРоссияUrals Research Center for Radiation Medicine of the Federal Medical Biological Agency ; Chelyabinsk State UniversityRussian Federation2023241020242514450Copyright © Атаманюк Н.И., Пряхин Е.А., Стяжкина Е.В., Обвинцева Н.А., Тряпицына Г.А., Перетыкин А.А., Андреев С.С., Алдибекова А.Е., Аклеев А.В., 20242024Атаманюк Н.И., Пряхин Е.А., Стяжкина Е.В., Обвинцева Н.А., Тряпицына Г.А., Перетыкин А.А., Андреев С.С., Алдибекова А.Е., Аклеев А.В.Atamanyuk N.I., Pryakhin E.A., Styazhkina E.V., Obvintseva N.A., Tryapitsyna G.A., Peretykin A.A., Andreev S.S., Aldibekova A.E., Akleyev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.extrememedicine.ru/jour/article/view/88

Оценка персонифицированной реакции клеток, тканей и организма на радиационное воздействие является важной проблемой радиобиологии и радиационной защиты. Целью исследования было разработать метод оценки персонифицированной реакции гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) человека в модели гуманизированных мышей. ГСК пуповинной или периферической крови вводили иммунодефицитным мышам NOD SCID. После острого внешнего гамма-облучения в дозах 0,5 Гр, 1 Гр и 1,5 Гр оценивали число ГСК (CD34+-клеток), созревающих и зрелых лейкоцитарных клеток CD45+, долю ГСК среди всех CD45low/+-клеток через трое суток (период максимальной гибели) и 14 суток (период активного восстановления) после облучения. Методом регрессионного анализа рассчитывали зависимость показателей от дозы облучения. Описана экспоненциальная зависимость выживаемости ГСК человека у гуманизированных мышей через трое суток после облучения (R2 = 0,93; F = 211; p < 0,01), линейная зависимость от дозы количества ГСК на 14-е сутки после облучения (R2 = 0,65; F = 12,9; p = 0,01). В качестве показателя, отражающего гибель ГСК и восстановление их числа и функциональной активности, предложен коэффициент К14/3, равный отношению доли ГСК среди всех CD45low/+-клеток человека на 14-е сутки после облучения к этому параметру на третьи сутки. К14/3 имел обратную зависимость от дозы облучения (R2 = 0,57; F = 13,3; p = 0,004), был выше у радиорезистентных мышей и в модели индуцированной цистеамином радиорезистентности у гуманизированных мышей. Модель мышей, гуманизированных ГСК периферической крови, может быть использована для оценки персонифицированных реакций ГСК на острое внешнее гаммаоблучение на основе применения показателя К14/3, данных о выживаемости и восстановлении ГСК.

Assessment of individual responses of cells, tissues and the whole body to radiation exposure is an important challenge for radiobiology and radiation safety. The study was aimed to develop the method for estimation of the human hematopietic stem cell (HSC) individual response in the humanized mouse model. The cord blood or peripheral blood HSCs were administered to the NOD SCID immunodeficient mice. The number of maturing HSCs (CD34+ cells) and mature CD45+ leukocytes was assesed after the acute gamma exposure to the doses of 0.5 Gy, 1 Gy, and 1.5 Gy, along with the HSC share among all CD45low/+ cells within three days (period of maximum mortality) and 14 days (period of active restoration) after exposure. The relationship between the indicato values and the exposure dose was calculated by regression analysis. There was exponential relationship between the human HSC survival rate in humanized mice and the dose on day three after exposure (R2 = 0.93; F = 211; p < 0.01), while the relationship between the number of HSCs and the dose on day 14 after exposure was linear (R2 = 0.65; F = 12.9; p = 0.01). The C14/3 coefficient calculated as a ratio of the HSC share among all human CD45low/+ cells on day 14 after exposure to the same parameter on day three after exposure was proposed as an indicator of HSC mortality and HSC number restoration. C14/3 negatively correlated with the exposure dose (R2 = 0.57; F = 13.3; p = 0.004), it was higher in radioresistant mice and the model of cysteamine-induced radioresistance in humanized mice. The model mice humanized using the peripheral blood HSCs can be used to assess individual HSC response to acute external gamma exposure based on C14/3 and the data on the HSC survival and restoration.

гемопоэтические стволовые клеткиострый радиационный синдромгуманизированные мышииндивидуальная радиочувствительностьhematopoietic stem cellsacute radiation syndromehumanized miceindividual radiosensitivityРабота выполнена в рамках государственного задания ФМБА России.The study was performed as part of the State Assignment of FMBA of Russia.ReferencesХаитов Р. М., Аклеев А. В., Кофиади И. А. Индивидуальная радиочувствительность и иммунитет: национальное руководство. Челябинск: Книга, 2018; 216 с.Xaitov RM, Akleev AV, Kofiadi IA. Individual'naya radiochuvstvitel'nost' i immunitet: nacional'noe rukovodstvo. Chelyabinsk: Kniga, 2018; 216 s. Russian.Applegate KE, Rühm W, Wojcik A, Bourguignon M, Brenner A, Hamasaki K, et al Individual response of humans to ionising radiation: governing factors and importance for radiological protection. Radiat Environ Biophys. 2020; 59 (2): 185–209. DOI: 10.1007/s00411-020-00837-y. PMID: 32146555.Applegate KE, Rühm W, Wojcik A, Bourguignon M, Brenner A, Hamasaki K, et al Individual response of humans to ionising radiation: governing factors and importance for radiological protection. Radiat Environ Biophys. 2020; 59 (2): 185–209. DOI: 10.1007/s00411-020-00837-y. PMID: 32146555.Human Radiosensitivity. Report of the independent Advisory Group on Ionising Radiation Documents of the Health Protection Agency. London, 2013; 164 p.Human Radiosensitivity. Report of the independent Advisory Group on Ionising Radiation Documents of the Health Protection Agency. London, 2013; 164 p.Ferlazzo ML, Bourguignon M, Foray N. Functional Assays for Individual Radiosensitivity: A Critical Review. Semin Radiat Oncol. 2017; 27 (4): 310–5. DOI: 10.1016/j.semradonc.2017.04.003. PMID: 28865513.Ferlazzo ML, Bourguignon M, Foray N. Functional Assays for Individual Radiosensitivity: A Critical Review. Semin Radiat Oncol. 2017; 27 (4): 310–5. DOI: 10.1016/j.semradonc.2017.04.003. PMID: 28865513.Когарко И. Н., Аклеев А. В., Петушкова В. В., Нейфах Е. А., Когарко Б. С., Ктиторова О. В., и др. Адаптивный ответ как критерий оценки индивидуальной радиочувствительности человека. Радиация и риск (Бюллетень НРЭР). 2022; 1. Доступно по ссылке: https://cyberleninka.ru/article/n/adaptivnyy-otvet-kak-kriteriy-otsenki-individualnoyradiochuvstvitelnosti-cheloveka-obzor (дата обращения: 08.11.2022).Kogarko IN, Akleev AV, Petushkova VV, Nejfax EA, Kogarko BS, Ktitorova OV, i dr. Adaptivnyj otvet kak kriterij ocenki individual'noj radiochuvstvitel'nosti cheloveka. Radiaciya i risk (Byulleten' NREhR). 2022; 1. Dostupno po ssylke: https://cyberleninka.ru/article/n/adaptivnyy-otvet-kak-kriteriy-otsenki-individualnoyradiochuvstvitelnosti-cheloveka-obzor (data obrashheniya: 08.11.2022). Russian.Fliedner TM, Graessle DH. Hematopoietic cell renewal systems: mechanisms of coping and failing after chronic exposure to ionizing radiation. Radiat Environ Biophys. 2008; 47: 63–69. DOI: org/10.1007/s00411-007-0148-6.Fliedner TM, Graessle DH. Hematopoietic cell renewal systems: mechanisms of coping and failing after chronic exposure to ionizing radiation. Radiat Environ Biophys. 2008; 47: 63–69. DOI: org/10.1007/s00411-007-0148-6.Shao L, Luo Y, Zhou D. Hematopoietic stem cell injury induced by ionizing radiation. Antioxid Redox Signal. 2014; 20 (9): 1447–62. DOI:10.1089/ars.2013.5635.Shao L, Luo Y, Zhou D. Hematopoietic stem cell injury induced by ionizing radiation. Antioxid Redox Signal. 2014; 20 (9): 1447–62. DOI:10.1089/ars.2013.5635.Fujiwara S. Humanized mice: a brief overview on their diverse applications in biomedical research. J Cell Physiol. 2018; 233: 2889–901.Fujiwara S. Humanized mice: a brief overview on their diverse applications in biomedical research. J Cell Physiol. 2018; 233: 2889–901.Ito R, Takahashi T, Ito M. Humanized mouse models: Application to human diseases. J Cell Physiol. 2018; 233 (5): 3723–8.Ito R, Takahashi T, Ito M. Humanized mouse models: Application to human diseases. J Cell Physiol. 2018; 233 (5): 3723–8.Wang C, Oshima M, Sashida G, et al. Non-lethal ionizing radiation promotes aging-like phenotypic changes of human hematopoietic stem and progenitor cells in humanized mice. PLoS ONE. 2015; 10 (7): e0132041. DOI: org/10.1371/journal.pone.0132041.Wang C, Oshima M, Sashida G, et al. Non-lethal ionizing radiation promotes aging-like phenotypic changes of human hematopoietic stem and progenitor cells in humanized mice. PLoS ONE. 2015; 10 (7): e0132041. DOI: org/10.1371/journal.pone.0132041.Zhang L, Mack R, Breslin P, Zhang J. Molecular and cellular mechanisms of aging in hematopoietic stem cells and their niches. J Hematol Oncol. 2020; 13 (1): 157. DOI: 10.1186/s13045-020-00994-z. PMID: 33228751; PMCID: PMC7686726.Zhang L, Mack R, Breslin P, Zhang J. Molecular and cellular mechanisms of aging in hematopoietic stem cells and their niches. J Hematol Oncol. 2020; 13 (1): 157. DOI: 10.1186/s13045-020-00994-z. PMID: 33228751; PMCID: PMC7686726.de Haan G, Lazare SS. Aging of hematopoietic stem cells. Blood. 2018; 131 (5): 479–87. DOI: 10.1182/blood-2017-06-746412. PMID: 29141947.de Haan G, Lazare SS. Aging of hematopoietic stem cells. Blood. 2018; 131 (5): 479–87. DOI: 10.1182/blood-2017-06-746412. PMID: 29141947.Mejia-Ramirez E, Florian MC. Understanding intrinsic hematopoietic stem cell aging. Haematologica. 2020; 105 (1): 22–37. DOI: 10.3324/haematol.2018.211342. PMID: 31806687; PMCID: PMC6939535.Mejia-Ramirez E, Florian MC. Understanding intrinsic hematopoietic stem cell aging. Haematologica. 2020; 105 (1): 22–37. DOI: 10.3324/haematol.2018.211342. PMID: 31806687; PMCID: PMC6939535.Shao L, Luo Y, Zhou D. Hematopoietic stem cell injury induced by ionizing radiation. Antioxid Redox Signal. 2014; 20 (9): 1447– 62. DOI: 10.1089/ars.2013.5635. PMID: 24124731; PMCID: PMC3936513.Shao L, Luo Y, Zhou D. Hematopoietic stem cell injury induced by ionizing radiation. Antioxid Redox Signal. 2014; 20 (9): 1447– 62. DOI: 10.1089/ars.2013.5635. PMID: 24124731; PMCID: PMC3936513.Yoshida K, Satoh Y, Uchimura A, Misumi M, Kyoizumi S, Taga M, et al. Massive expansion of multiple clones in the mouse hematopoietic system long after whole-body X-irradiation. Sci Rep. 2022; 12 (1): 17276. DOI: 10.1038/s41598-022-21621-6. PMID: 36241679; PMCID: PMC9568546.Yoshida K, Satoh Y, Uchimura A, Misumi M, Kyoizumi S, Taga M, et al. Massive expansion of multiple clones in the mouse hematopoietic system long after whole-body X-irradiation. Sci Rep. 2022; 12 (1): 17276. DOI: 10.1038/s41598-022-21621-6. PMID: 36241679; PMCID: PMC9568546.Brojakowska A, Kour A, Thel MC, et al. Retrospective analysis of somatic mutations and clonal hematopoiesis in astronauts. Commun Biol. 2022; 5: 828. Available from: https://doi.org/10.1038/s42003-022-03777-z.Brojakowska A, Kour A, Thel MC, et al. Retrospective analysis of somatic mutations and clonal hematopoiesis in astronauts. Commun Biol. 2022; 5: 828. Available from: https://doi.org/10.1038/s42003-022-03777-z.Атаманюк Н. И., Пряхин Е. А., Андреев С. С., Алдибекова А. Е., Тряпицына Г. А., Шапошникова И. А., и др. Использование ксенотрансплантации гемопоэтических клеток человека, выделенных из периферической крови взрослых людей и пуповинной крови, иммунодефицитным мышам для изучения действия ионизирующего излучения. Вопросы радиационной безопасности. 2021; 1: 72–83.Atamanyuk NI, Pryaxin EA, Andreev SS, Aldibekova AE, Tryapicyna GA, Shaposhnikova IA, i dr. Ispol'zovanie ksenotransplantacii gemopoehticheskix kletok cheloveka, vydelennyx iz perifericheskoj krovi vzroslyx lyudej i pupovinnoj krovi, immunodeficitnym mysham dlya izucheniya dejstviya ioniziruyushhego izlucheniya. Voprosy radiacionnoj bezopasnosti. 2021; 1: 72–83. Russian.Атаманюк Н. И., Стяжкина Е. В., Обвинцева Н. А., Тряпицына Г. А., Шапошникова И. А., Андреев С. С., и др. Кинетика гибели и восстановления клеток костного мозга у мышей двух линий с разной радиочувствительностью после острого γ-облучения.Вопросы радиационной безопасности. 2021; 4: 62–72.Atamanyuk NI, Styazhkina EV, Obvinceva NA, Tryapicyna GA, Shaposhnikova IA, Andreev SS, i dr. Kinetika gibeli i vosstanovleniya kletok kostnogo mozga u myshej dvux linij s raznoj radiochuvstvitel'nost'yu posle ostrogo γ-oblucheniya. Voprosy radiacionnoj bezopasnosti. 2021; 4: 62–72. Russian.Biancotti J-C, Town T. Increasing hematopoietic stem cell yield to develop mice with human immune systems. BioMed Research International. 2013; 11. DOI: 10.1155/2013/740892.Biancotti J-C, Town T. Increasing hematopoietic stem cell yield to develop mice with human immune systems. BioMed Research International. 2013; 11. DOI: 10.1155/2013/740892.Brzozowska K, Pinkawa M, Eble MJ, et all. In vivo versus in vitro individual radiosensitivity analysed in healthy donors and in prostate cancer patients with and without severe side effects after radiotherapy. Int J Radiat Biol. 2012; 88: 405–13.Brzozowska K, Pinkawa M, Eble MJ, et all. In vivo versus in vitro individual radiosensitivity analysed in healthy donors and in prostate cancer patients with and without severe side effects after radiotherapy. Int J Radiat Biol. 2012; 88: 405–13.Kišonas J, Venius J, Sevriukova O, Grybauskas M, Dabkevičienė D, Burneckis A, et al. Individual Radiosensitivity as a Risk Factor for the Radiation-Induced Acute Radiodermatitis. Life. 2022; 12 (1): 20. Available from: https://doi.org/10.3390/life12010020.Kišonas J, Venius J, Sevriukova O, Grybauskas M, Dabkevičienė D, Burneckis A, et al. Individual Radiosensitivity as a Risk Factor for the Radiation-Induced Acute Radiodermatitis. Life. 2022; 12 (1): 20. Available from: https://doi.org/10.3390/life12010020.Yip H, Haupt C, Maresh G, Zhang X, Li L. Humanized mice for immune checkpoint blockade in human solid tumors. Am J Clin Exp Urol. 2019; 7 (5): 313–20. PMID: 31763362; PMCID: PMC6872471.Yip H, Haupt C, Maresh G, Zhang X, Li L. Humanized mice for immune checkpoint blockade in human solid tumors. Am J Clin Exp Urol. 2019; 7 (5): 313–20. PMID: 31763362; PMCID: PMC6872471.Golebiewska A, Hau AC, Oudin A, Stieber D, Yabo YA, Baus V, et al. Patient-derived organoids and orthotopic xenografts of primary and recurrent gliomas represent relevant patient avatars for precision oncology. Acta Neuropathol. 2020; 140 (6): 919–49. DOI: 10.1007/s00401-020-02226-7. PMID: 33009951; PMCID: PMC7666297.Golebiewska A, Hau AC, Oudin A, Stieber D, Yabo YA, Baus V, et al. Patient-derived organoids and orthotopic xenografts of primary and recurrent gliomas represent relevant patient avatars for precision oncology. Acta Neuropathol. 2020; 140 (6): 919–49. DOI: 10.1007/s00401-020-02226-7. PMID: 33009951; PMCID: PMC7666297.Nilsson JA, Olofsson Bagge R, Ny L. Mouse avatars take off as cancer models. Nature. 2018; 562 (7726): 192. DOI: 10.1038/d41586-018-06982-1. PMID: 30305752.Nilsson JA, Olofsson Bagge R, Ny L. Mouse avatars take off as cancer models. Nature. 2018; 562 (7726): 192. DOI: 10.1038/d41586-018-06982-1. PMID: 30305752.Rottstegge M, Tipton T, Oestereich L, Ruibal P, Nelson EV, Olal C, et al. Avatar Mice Underscore the Role of the T Cell-Dendritic Cell Crosstalk in Ebola Virus Disease and Reveal Mechanisms of Protection in Survivors. J Virol. 2022; 96 (18): e0057422. DOI: 10.1128/jvi.00574-22. PMID: 36073921; PM.Rottstegge M, Tipton T, Oestereich L, Ruibal P, Nelson EV, Olal C, et al. Avatar Mice Underscore the Role of the T Cell-Dendritic Cell Crosstalk in Ebola Virus Disease and Reveal Mechanisms of Protection in Survivors. J Virol. 2022; 96 (18): e0057422. DOI: 10.1128/jvi.00574-22. PMID: 36073921; PM.

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