Biological responses and applications of low-dose irradiation in mouse models

Abstract

Low-dose irradiation (LDI) refers to radiation doses lower than 100 mSv that do not pose a significant risk to the human body. Until now, most epidemiological studies have reported that radiation exposure increases incidences of blood and thyroid cancers. The linear no-threshold (LNT) theory is commonly used to estimate the linear increase in health risks in response to increasing radiation doses. However, this theory lacks safety thresholds, considering that the smallest dose of radiation can increase the risk of cancer. Despite the inadequate scientific evidence, the dose-response relationship of LDI is generally extrapolated from high-dose irradiation. However, many studies have found that LDI has beneficial effects on humans through a variety of cellular modifications, including homeostasis, adaptive response, bystander effect, and immune activity. Thus, the aim of this study was to investigate the biological effects of LDI in a mouse model. First, I analyzed the immune response of mice to low-range single or fractionated irradiation. Early in the single-LDI-exposure period, increased CD4+ T-cell and decreased dendritic cell and natural killer cell recovery responses were observed. T helper-cell (Th) 1-related cytokine expression and antioxidant response-related factors were also seen to increase. In contrast, fractionated LDI initially increased CD4+ T-cell numbers and induced Th2-related cytokines and factors. Therefore, LDI appeared to control the secretion of Th cell-related cytokines and the expression of antioxidant-related factors according to dose in mice. Then, I investigated the immunomodulatory effects of whole-body LDI in the septic infection mouse model. Pre-exposure to LDI (10 cGy) before inoculation of the gram-negative bacteria Escherichia coli significantly protected mice from septic death. Pre-exposure to LDI decreased inflammatory-related cytokine and nitrous oxide (NO) production by macrophages, leading to increased microbicidal activity and bacterial clearance. Moreover, a splenic immune subpopulation and their activation markers increased in septic mice, and further increases were exhibited in LDI-pre-exposed septic mice. Altogether, LDI-induced immune activation elicited a defense mechanism in response to the inflammatory response. Finally, the role of LDI was investigated in the tumor transplantation animal model. Whole-body LDI of 1 cGy, administered 10 times, suppressed metastasis and activated T-cell and dendritic cell expression in lungs that received artificial and intravenous tumor injections. In addition, LDI in combination with high-dose radiation significantly reduced both irradiated and non-irradiated distant tumor growth and induced the recruitment of immune cells, eventually resulting in abscopal effects. In conclusion, the results of the present study suggest that LDI activates the immune response and triggers anti-infective and anti-cancer effects, underlining the potential use of LDI for appropriate disease cases.;저선량 방사선이란 인체에 통계학적으로 유의적인 위험을 유발하지 않는 100 mSv 이하의 낮은 선량의 방사선을 의미한다. 현재까지 대부분의 역학 연구를 통해 방사선 피복 시 혈액 암이나 갑상선 암의 발생이 증가하며 기타 질환 발병률 증가와 밀접한 관계가 있다고 보고되어 있으며, 방사선의 인체 위험도는 방사선량이 증가될수록 높아지는 문턱 없는 선형 모델 (linear no-threshold model, LNT)로 제시된다. 비록 저선량 구간에서의 위험이 선량에 비례하는지에 대한 과학적인 증거는 충분하지 않지만, 고선량에서 관찰된 선량-반응 관계를 저선량 구간에까지 외삽하여 아무리 낮은 선량이라 할지라도 인체에 위험하다고 가정하는 것으로, 방사선 방호나 안전의 목적에서 현재까지 가장 타당한 모델로 간주되고 있다. 하지만, 100 mSv 이하의 저선량 방사선에 대해서는 아직 인체에 직접적으로 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 과학적으로 증명되지 않은 상태이며, 일부 세포나 동물 실험 연구를 중심으로 저선량 방사선의 항상성(hormesis), 적응 효과(adaptive response), 방관자 효과(bystander effect) 및 면역 활성 효과와 같은 다양한 작용들이 인체에 오히려 유익한 영향을 나타낸다는 상반된 연구 결과가 많이 보고되었다. 이에, 본 연구에서는 저선량 방사선이 생체 면역반응에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 여러 동물 모델을 이용하여 검증하고자 하였다. 먼저, 정상 마우스에 매우 낮은 저선량으로 단독 및 분할 조사하여 면역 반응을 분석하였다. 단독 조사 시, 초기 시간에 CD4 T-세포 증가와 함께 도움 T 세포(T helper-cell, Th) 1 관련 사이토카인 및 항산화 반응 관련 인자들의 발현이 증가되는 것으로 확인되었다. 반면에 분할 조사 시, 단독 조사와 마찬 가지로 초기 시간에 CD4 T-세포가 증가 되었으며, Th2 관련 사이토카인이 발현되는 것으로 관찰되었다. 그러므로 저선량 방사선의 조사 선량 및 방식에 따라 Th 세포와 관련 사이토카인 분비 및 항산화 인자들의 발현이 조절됨을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 저선량 방사선의 면역 활성 효과가 실질적인 질환모델에서 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 패혈증 감염 동물 모델과 종양 이식 동물모델에서의 효과를 확인하였다. 그람 음성균인 대장균(Escherichia coli, E.coli)을 접종하기 전 저선량 방사선 (10 cGy)을 조사 한 패혈증 동물에서 생존율 향상이 관찰되었으며, 각 장기에 존재하는 박테리아 수와 염증 관련 사이토카인 및 산화질소 관련 인자들의 발현이 감소되었고, 비장 내 면역세포 분포가 증가되었음을 확인하였다. 이러한 결과로 저선량 방사선에 의한 면역 반응의 활성화는 신체 내 염증 반응에 대응할 수 있는 적응 기전에 관여 할 수 있음을 제시하였다. 종양 이식 동물모델에서는 1 cGy 10회 분할 조사 시 대조군에 비해 폐전이가 억제되는 것을 확인하였으며, T-세포와 수지상세포 발현이 증가됨을 관찰하였다. 또한, 전신 저선량 방사선 조사와 국소 고선량 방사선 조사 병용 시, 면역세포 발현 증가와 함께 방사선 치료 범위 바깥의 전이 암세포 사멸이 관찰되었다. 이러한 결과로 항암 치료용 고선량 방사선 조사와 함께 저선량 방사선 조사를 병행할 경우 저선량 방사선의 면역 증진 및 종양악성화 저해 효과로 보다 유의적인 종양 성장 억제가 나타남을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 저선량 방사선이 면역반응을 활성화하여 항감염 효과 및 항암 효과를 나타낼 수 있음을 확인하였으며 관련 질환에 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다.