Investigation of the dose dependence of the induction of cellular senescence in a small cell lung cancer cell line : implementation of R.C.R. (repairable-conditionally repairable) model

• Main Author: Μακρής, Νικόλαος
• Other Authors: Νικηφορίδης, Γεώργιος
• Language: gr
• Published: 2010
• Subjects: Radiobiology; Small cell lung cancer; Clonogenic survival; Cell death; 571.936; Ακτινοβιολογία; Μικροκυτταρικός καρκίνος πνεύμονα; Κλωνογόνος επιβίωση; Κυτταρικός θάνατος
• Online Access: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/3775

The purpose of this work is to make an attempt to quantify and model various types of cell death for a small cell lung cancer (SCLC) cell line (U1690) after exposure to a 137Cs source and as well as to compare cell survival models, the Linear-Quadratic (LQ) and Repairable Conditionally – Repairable model (RCR). This study is based on four different experiments that were taken place at Cancer Centrum Karolinska (CCK). A human small cell lung cancer (SCLC) cell line after the exposure to a 137Cs source was used for the extraction of the clonogenic cell survival curve. Additionally for the determination and quantification of various modes of cell death the method of fluorescence staining was implemented, where we categorized the cell death based on morphological characteristics. As next with the flow cytometry analysis we measured the properties of individual particles and more specifically the percentage of cells in each phase of the cell cycle. The quantification of senescent cells was performed by staining the samples with senescence associated-β-gal solution and then scoring as senescent cells those that had incorporated the substance. These data were introduced into a maximum likelihood fitting to calculate the best estimates of the parameters used by the model in section 2.8. In this model we sorted the modes of cell death into three categories: apoptotic, senescent and other types of cell death (nec/apop, necrotic, micronuclei, giant). In regards to the clonogenic cell survival assay the RCR model shows a ρ2 value that is equal to 6.10 whereas for the LQ model is 9.61. Moreover from the fluorescence microscopy and senescence assay we observed an initial increase of the probability of three different categories of cell death on day 2 and at higher doses there was saturation. On day 7 a significant induction of apoptosis in a dose and time dependent manner was evident whereas senescence was slightly increased in response to dose but not to time. As for the „other types of cell death‟ category on day 7 showed a higher probability that the one on day 2 and as well as a prominent dose dependence. A dose dependent accumulation of cells in the G2/M phase of the cell cycle was induced by photons on day 2. The accumulation in the G2/M phase on day 2 is released on day 7 and simultaneously an increase of the probability of apoptosis with time was observed. The RCR model is fitted better to the experimental data rather than the LQ model. On day 2 there is a slight increase of the apoptotic and senescent probability with dose. On the other hand on day 7 the shape of the curve of apoptosis differs and we observe a sigmoidal increase with dose. At both time points the mathematical model fit the data reasonable well. Due to the fact that the clonogenic survival doesn‟t coincide with the one extracted from the fluorescence microscopy, a more accurate way of quantification of cell death need to be used (e.g. CVTL). === Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι η ποσοτικοποίηση και μοντελοποίηση διαφόρων τύπων κυτταρικού θανάτου μικροκυτταρικού καρκίνου πνεύμονα μετά από ακτινοβόληση με πηγή Καισίου (137Cs) καθώς και η σύγκριση μοντέλων κυτταρικής επιβίωσης, Linear-Quadratic (LQ) και Repairable Conditionally-Repairable. Η μελέτη είναι βασισμένη σε τέσσερα ξεχωριστά πειράματα τα οποία πραγματοποιήθηκαν στο Cancer Centrum Karolinska (CCK). Ανθρώπινος μικροκυτταρικός καρκίνος πνεύμονα χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της καμπύλης κυτταρικής επιβίωσης μετά από ακτινοβόληση με πηγή Καισίου (137Cs). Επιπρόσθετα για τον προσδιορισμό και την μοντελοποίηση των διαφόρων ειδών θανάτου εφαρμόστηκε η μέθοδος της φθορίζουσας μικροσκοπίας, με την βοήθεια της οποίας κατηγοριοποιήθηκε ο κυτταρικός θάνατος βάσει μορφολογικών χαρακτηριστικών. Στη συνέχεια μέσω της κυτταρομετρίας ροής υπολογίσαμε τις ιδιότητες μεμονομένων σωματιδίων (κυττάρων) και πιο συγκεκριμένα το ποσοστό των κυττάρων σε κάθε φάση του κυτταρικού κύκλου. Η ποσοτικοποίηση των κυττάρων γήρανσης πραγματοποιήθηκε μέσω της χρώσης των δειγμάτων με διάλυμα συσχετιζόμενο με την γήρανση και μετά καταγράφηκαν σαν κύτταρα γήρανσης αυτά τα οποία είχαν ενσωματώσει την ουσία. Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν σε μια διαδικασία προσαρμογής μέγιστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood fitting) ώστε να υπολογιστούν οι βέλτιστες τιμές των παράμετρων που χρησιμοποιούνται από το μοντέλο στην ενότητα 2.8. Στο παρόν μοντέλο έχουμε ταξινομήσει τον κυτταρικό θάνατο σε τρεις κατηγορίες: απόπτωση, γήρανση και άλλοι τύποι κυτταρικού θανάτου (νεκ/αποπ, νέκρωση, μικροπυρήνες και γίγαντες). Όσον αφορά την κλωνογόνο κυτταρική επιβίωση το RCR μοντέλο παρουσιάζει τιμή χ2 ίση με 6.10 ενώ για το LQ μοντέλο ίση με 9.61. Επιπλέον μέσω της φθορίζουσας μικροσκοπίας και της χημικής δοκιμής για την κυτταρική γήρανση παρατηρήσαμε την 2η μέρα αρχική αύξηση της πιθανότητας και για τις τρεις κατηγορίες κυτταρικού θανάτου ενώ εμφανής ήταν ο κορεσμός στις υψηλότερες δόσεις. Την 7η μέρα παρουσιάστηκε επαγωγή της απόπτωσης με δοσο/χρονο-εξαρτώμενο τρόπο καθώς και το ότι η γήρανση των κυττάρων αυξήθηκε ελάχιστα με την δόση αλλά όχι με τον χρόνο. Σχετικά με την τρίτη κατηγορία ‘άλλοι τύποι κυτταρικού θανάτου’ την 7η μέρα ανέδειξε υψηλότερη πιθανότητα συγκριτικά με την 2η μέρα καθώς και μια έκδηλη εξάρτηση με την δόση. Κατά την ανάλυση του κυτταρικού κύκλου για την 2η μέρα αναδεικνύεται συσσώρευση των κυττάρων με δοσοεξαρτώμενο τρόπο στην φάση G2/M του κυτταρικού κύκλου. Η συσσώρευση των κυττάρων στην φάση G2/M την 2η μέρα απελευθερώθηκε την 7η μέρα με ταυτόχρονη αύξηση της πιθανότητας για απόπτωση συναρτήσει της δόσης. Βρέθηκε ότι το RCR μοντέλο προσαρμόζεται καλύτερα στα πειραματικά δεδομένα σε σχέση με το LQ μοντέλο. Την 2η μέρα παρατηρήθηκε πολύ μικρή αύξηση της πιθανότητας για απόπτωση και γήρανση συναρτήσει της δόσης. Ενώ την 7η μέρα η μορφή της καμπύλης της απόπτωσης διαφοροποιήθηκε και παρατηρήθηκε σιγμοειδής αύξηση με την δόση. Το μαθηματικό μοντέλο προσαρμόζεται αρκετά καλά στα δεδομένα για την 2η και 7η μέρα. Ένας πιο ακριβής τρόπος υπολογισμού της ποσοτικοποίησης του κυτταρικού θανάτου θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί εξ’αιτίας του γεγονότος ότι η καμπύλη της κλωνογόνου επιβίωσης δεν συμπίπτει με αυτή που παράχθηκε από την μικροσκοπία φθορισμού.