Bone-Marrow Compartment under Chronic γ- Irradiation Conditions ex vivo

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Long-term exposure to ionizing radiation at low doses is one of the risk factors for astronauts’ health, at the same time, hematopoietic disorders caused by damage to bone marrow (BM) cells are the most common result of irradiation. The aim of this work was to evaluate the effects of chronic exposure to ionizing radiation on hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and BM stromal progenitor cells. In radiation exposure modeling, rats were exposed to 10-fold external fractionated gamma-irradiation at a total dose of 500 cGy for 33 days. The control group of animals was kept in standard vivarium conditions. The cellular composition and functional characteristics of rat femoral BM-derived cells were examined. A decrease in BM cellularity and changes in the expression of surface markers were observed after irradiation, which may indicate a disruption in the hematopoietic and non-hemopoietic cells communication. Stromal progenitor cells after irradiation were characterized by higher levels of induced and spontaneous adipogenic differentiation and reduced proliferative potential. The number of different hematopoietic colonies, except CFU-GM and the total number of colonies were decreased in the experimental group. After irradiation the culture of BM-derived cells was characterized by a higher production of cytokines, which inhibit HSPC proliferation (IL-18, IFNγ) and activate their differentiation (IL-6). There was also an increase in the expression of pro-resorptive genes and cytokines (Sost) along with a decrease in the expression of genes involved in osteogenesis. Thus, it was demonstrated that chronic fractionated irradiation in the low dose range causes negative changes in the stromal and hematopoietic BM compartment, which may lead to impaired hematopoiesis.

About the authors

E. A. Markina

State Scientific Center of the Russian Federation – The Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: goncharova-tim@list.ru
Moscow, Russia

P. I. Bobyleva

State Scientific Center of the Russian Federation – The Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: blastoblast@gmail.com
Moscow, Russia

O. V. Zhidkova

State Scientific Center of the Russian Federation – The Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: flain-fish@yandex.ru
Moscow, Russia

P. V. Lashukov

State Scientific Center of the Russian Federation – The Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: goncharova-tim@list.ru
Moscow, Russia

L. B. Buravkova

State Scientific Center of the Russian Federation – The Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: buravkova@imbp.ru
Moscow, Russia

References

  1. Domaratskaya E.I., Michurina T.V., Bueverova E.I. et al. Studies on clonogenic hemopoietic cells of vertebrate in space: problems and perspectives.Adv. Space. Res.2002;30:771–776. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00394-0
  2. Markina E.A., Kokhan V.S., Roe M.P. et al. The Effects of Radiation and Hindlimb Unloading on Rat Bone Marrow Progenitor Cells.Cell. Tissue. Biol.2018;12:183–196. https://doi.org/10.1134/S1990519X18030069
  3. Vacek A., Michurina T.V., Serova L.V. et al. Decrease in the number of progenitors of erythrocytes (BFUe, CFUe), granulocytes and macrophages (GM-CFC) in bone marrow of rats after a 14-day flight onboard the Cosmos-2044 Biosatellite.Folia. Biol.1991; 37:35–41
  4. Wronski T.J., Morey E.R. Effect of spaceflight on periosteal bone formation in rats.Am. J. Physiol.-Regul. Integr. Comp. Physiol.1983;244:R305–R309. https://doi.org/10.1152/ajpregu.1983.244.3.R305
  5. Дурнова Г.Н., Капланский А.С., Морей-Холтон Э.Р. и др. Исследование большеберцовых костей крыс, экспонированных на “Спейслэб-2”: Гистоморфометрический анализ.Авиакосм. экол. мед.1996;30(1):21–26. [Durnova G.N., Kaplanskij A.S., Morej-Holton E.R. i dr. Issledovanie bol’shebercovyh kostej krys, eksponirovannyh na “Spejsleb-2”: Gistomorfometricheskij analiz. Aviakosm.Ekol. Med. 1996;30(1):21–26. (In Russ.)]
  6. Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г., Коломенский А.В. Межпланетные и орбитальные космические полеты. Радиационный риск для космонавтов. Радиобиологическое обоснование. М.: Экономика, 2009. 639 с. [ Shafirkin A.V., Grigor’ev Yu.G., Kolomenskij A.V. Mezhplanetnyei orbital’nye kosmicheskie polety. Radiacionnyj risk dlya kosmonavtov. Radiobiologicheskoe obosnovanie. M.: Izd. Ekonomika, 2009. 639 s. (In Russ.)]
  7. Green D.E., Rubin C.T. Consequences of irradiation on bone and marrow phenotypes, and its relation to disruption of hematopoietic precursors.Bone.2014; 63:87–94. https://doi.org/10.1016/j.bone.2014.02.018
  8. Waselenko J.K. Medical Management of the acute radiation syndrome: recommendations of the strategic national stockpile radiation working group. Ann. Int. Med.2004;140:1037. https://doi.org/10.7326/0003-4819-140-12-200406150-00015
  9. Fliedner T.M., Graessle D.H., Meineke V., Feinendegen L.E. Hemopoietic response to low dose-rates of ionizing radiation shows stem cell tolerance and adaptation.Dose-Response.2012;10:dose-response.1. https://doi.org/10.2203/dose-response.12-014.Feinendegen
  10. Henry E., Arcangeli M.-L. How hematopoietic stem cells respond to irradiation: similarities and differences between low and high doses of ionizing radiations.Exp. Hematol. 2021;94:11–19. https://doi.org/10.1016/j.exphem.2020.12.001
  11. Richardson R.B. Stem cell niches and other factors that influence the sensitivity of bone marrow to radiation-induced bone cancer and leukaemia in children and adults.Int. J. Radiat. Biol.2011;87:343–359. https://doi.org/10.3109/09553002.2010.537430
  12. Islam M.S., Stemig M.E., Takahashi Y., Hui S.K. Radiation response of mesenchymal stem cells derived from bone marrow and human pluripotent stem cells.J. Radiat. Res.2015;56:269–277. https://doi.org/10.1093/jrr/rru098
  13. Wang Y., Zhu G., Wang J., Chen J. Irradiation alters the differentiation potential of bone marrow mesenchymal stem cells.Mol. Med. Rep.2016;13:213–223. https://doi.org/10.3892/mmr.2015.4539
  14. Yang L., Liu Z., Chen C. et al. Low-dose radiation modulates human mesenchymal stem cell proliferation through regulating CDK and Rb.Am. J. Transl. Res.2017;9(4):1914–1921.
  15. Mcphee J.C., Charles J.B. Human health and performance risks of space exploration missions. National Aeronautics and Space Administration, 2009. 398 p.
  16. Cao X., Wu X., Frassica D., et al. Irradiation induces bone injury by damaging bone marrow microenvironment for stem cells.Proc. Natl. Acad. Sci. 2011;108:1609–1614. https://doi.org/10.1073/pnas.1015350108
  17. Chalot M., Barroca V., Devanand S. et al. Deleterious effect of bone marrow-resident macrophages on hematopoietic stem cells in response to total body irradiation.Blood. Adv.2022;6:1766–1779. https://doi.org/10.1182/bloodadvances.2021005983
  18. Rettig M.P., Ansstas G., DiPersio J.F. Mobilization of hematopoietic stem and progenitor cells using inhibitors of CXCR4 and VLA-4. 2012;26:34–53. https://doi.org/10.1038/leu.2011.197
  19. Arbonés M.L., Ord D.C., Ley K. et al. Lymphocyte homing and leukocyte rolling and migration are impaired in L-selectin-deficient mice.Immunity.1994;1:247–260. https://doi.org/10.1016/1074-7613(94)90076-0
  20. Alwood J.S., Shahnazari M., Chicana B. et al. Ionizing radiation stimulates expression of pro-osteoclastogenic genes in marrow and skeletal tissue.J. Interferon. Cytokine. Res.2015;35:480–487. https://doi.org/10.1089/jir.2014.0152
  21. Li Y., Hoffman M.D., Benoit D.S.W. Matrix metalloproteinase (MMP)-degradable tissue engineered periosteum coordinates allograft healing via early stage recruitment and support of host neurovasculature.Biomaterials.2021;268:120535. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120535
  22. Si J., Wang C., Zhang D. et al. Osteopontin in bone metabolism and bone diseases.Med. Sci. Monit. 2020;26:e919159. https://doi.org/10.12659/MSM.919159
  23. Poncin G., Beaulieu A., Humblet C. Characterization of spontaneous bone marrow recovery after sublethal total body irradiation: importance of the osteoblastic/adipocytic balance.PLoS. ONE.2012;7:e30818. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0030818
  24. Zou Q., Hong W., Zhou Y. Bone marrow stem cell dysfunction in radiation-induced abscopal bone loss.J. Orthop. Surg.2016;11:3. https://doi.org/10.1186/s13018-015-0339-9
  25. Zhong L., Yao L., Holdreith N. et al. Transient expansion and myofibroblast conversion of adipogenic lineage precursors mediate bone marrow repair after radiation.JCI. Insight. 2022;7:e150323. https://doi.org/10.1172/jci.insight.150323
  26. Ma J., Shi M., Li J. et al. Senescence-unrelated impediment of osteogenesis from Flk1+ bone marrow mesenchymal stem cells induced by total body irradiation and its contribution to long-term bone and hematopoietic injury.Haematologica.2007;92:889–896. https://doi.org/10.3324/haematol.11106
  27. Muramoto G.G., Chen B., Cui X. et al. Vascular endothelial cells produce soluble factors that mediate the recovery of human hematopoietic stem cells after radiation injury.Biol. Blood. Marrow. Transplant.2006;12:530–540. https://doi.org/10.1016/j.bbmt.2005.12.039
  28. Li T., Wu Y. Paracrine molecules of mesenchymal stem cells for hematopoietic stem cell niche.Bone. Marrow. Res.2011;2011:1–8. https://doi.org/10.1155/2011/353878
  29. Jahandideh B., Derakhshani M., Abbaszadeh H. et al. The pro-Inflammatory cytokines effects on mobilization, self-renewal and differentiation of hematopoietic stem cells.Hum. Immunol.2020;81:206–217. https://doi.org/10.1016/j.humimm.2020.01.004

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».