The effect of chronic hypoxia and low dose-rate beta-irradiation on the MCF-7 human cancer cell : by in vitro cellular protein incorporation of 3H-valine in 8% O2

Abstract

Hypoksiske celler som eksponeres for akutt bestråling vil, som hovedregel, være mer strålingsresistente enn veloksygenerte celler. Tidligere studier har derimot vist at kronisk hypoksiske celler tåler ståling med lav doserate dårligere enn enn veloksygenerte celler.

I denne oppgaven ble den humane brystkreftcellen MCF-7 eksponert for varierende oksygenkonsentrasjoner og dermed varierende grad av kronisk hypoksi, og cellenes oksygenforbruk (respirasjon) og formeringsevne (proliferasjon) ble undersøkt.

I tillegg har 3H-valin, en radioaktiv versjon av den essensielle aminosyren valin, blitt brukt til å bestråle cellene med lav-doserate $\beta$-stråling. En andel 3H-valin ble tilsatt cellenes vekstmedium, og når cellene inkorporerte valin i sine proteiner bestrålte de radioaaktive atomene cellen innenfra. Mikrodosimetriske beregninger på dette systemet ble utført.

Til slutt ble respirasjonen til celler eksponert for både hypoksi og lav-doserate bestråling studert.

Det følgende ble observert i eksperimentene og tilhørende analyse:

* En spesifikk mediumaktivitet på 1.67 uCi/ml resulterte i en doserate på 0.0270 +/- 0.0030 Gy/t til MCF-7-kjernen. Videre ble en spesifikk mediumaktivitet på 0.735 uCi/ml brukt til å oppnå en doserate på 0.0119 +/- 0.0013 Gy/t, sammenliknbar med doseratene brukt i tidligere studier.

* En oksygenkonsentrasjon i atmosfæren på 8% ble funnet til å oppfylle kravene om at cellene ikke skulle dø av oksygenmangel, mens de samtidig opplevde tilstrekkelig lav oksygentilgjengelighet til å utvise hypoksiske effekter.

*Den målte maksimale cellerespirasjonen for celler som grodde i en en atmosfære med 8% var - 642.7 fmol/(t*celle) for ubestrålte celler - 812.1 fmol/(t*celle) for celler bestrålt med 0.027 Gy/t - 530.3 fmol/(t*celle) for celler bestrålt med 0.012 Gy/t Imidlertid ble ikke eksperimentet med 0.012 Gy/t kjørt lenge nok til å kunne ekskludere noen eventuell videre økning i respirasjon.

* Cellene under bestråling opparbeidet en lavere pericellulær oksygenkonsentrasjon (POC) enn ubestrålte celler. Videre så en doserate på 0.012 Gy/t ut til å resultere i enda lavere POC enn en doserate på 0.027 Gy/t.

* Den pericellulære oksygenkonsentrasjonen når cellenes respirasjonsmaksimum ble målt var - 2.55 +/- 0.28 %O2 for ubestrålte celler - 3.31 +/- 0.99 %O2 for celler bestrålt med 0.0270 Gy/t - 0.750 +/- 0.029 %O2 for celler bestrålt med 0.012 Gy/t

Disse resultatene indikerer at en doserate på 0.012 Gy/t (dvs en spesifikk mediumaktivitet på 0.735 uCi/ml) resulterte i en betydlig redusering i nedre terskelverdi for maksimal respirasjon, sammenliknet med ikke-bestrålte celler. Dette ble derimot ikke observert i cellene bestrålt med 0.027 Gy/t, noe som kan indikere at den lavere doseraten på 0.012 Gy/h resulterer i en større cellulær effekt enn doseraten på 0.027 Gy/h.

Hypoxic cells exposed to acute irradiation are found, in general, to be more radioresistant than the equivalent well-oxygenized counterpart due to various cellular responses to low oxygen availability. However, previous studies have indicated that chronic hypoxic cells are less tolerable to low dose-rate irradiation than well-oxygenized cells.

In the present study the MCF-7 human breast cancer cell was exposed to various oxygen concentrations and thus varying levels of chronic hypoxia, and the associated cellular respiration and proliferation were investigated.

In addition, 3H-valine, a radioactive version of the essential amino acid valine, was used to irradiate the cells with low dose-rate $\beta$-irradiation. A fraction of 3H-valine was added to the growth medium of the cells, and as the valine was incorporated into the cellular proteins, the radioactive decay irradiated the cell from within. The microdosimetry of this system was performed.

Finally, some respirational effects of cells simultaneously exposed to both hypoxia and low dose-rate irradiation were investigated.

The following was observed in the experiments and associated analysis:

* The initial medium specific activity of 1.67 uCi/ml yielded a dose-rate to the MCF-7 nucleus of 0.0270 +/- 0.0030 Gy/h. Furthermore, a medium specific activity of 0.735 uCi/ml was used to achieve a lower dose-rate of 0.0119 +/- 0.0013 Gy/h, more comparable to the dose-rates used in earlier studies.

* A gas phase oxygen concentration of 8% was found to meet the two requirements of not killing the cells by asphyxy, while still providing sufficient low oxygen availability, making the observation of hypoxia effects possible.

* In a gas phase oxygen concentration of 8%, the maximum measured cellular respiration was - 642.7 fmol/(h*cell) for the unirradiated cells - 812.1 fmol/(h*cell) for cells irradiated with 0.027 Gy/h - 530.3 fmol/(h*cell) for cells irradiated with 0.012 Gy/h

However, the 0.012 Gy/h experiment was not run long enough to exclude any further increase in respiration.

* The irradiated cells seemed to accumulate lower pericellular oxygen concentrations than unirradiated cells. Furthermore, a dose-rate of 0.012 Gy/h seemed to yield even lower POC values than 0.027 Gy/h.

* The pericellular oxygen concentration at which the cellular respiration was at its maximum was - 2.55 +/- 0.28 %O2 for the unirradiated cells - 3.31 +/- 0.99 %O2 for cells exposed to 0.027 Gy/h - 0.750 +/- 0.029 %O2 for cells exposed to 0.012 Gy/h

These results indicated that a dose-rate of 0.012 Gy/h (i.e. a specific medium activity of 0.735 uCi/ml) yielded a significantly decreased lower threshold for maximum respiration compared to the unirradiatad cells. They also indicate that a dose-rate of 0.012 Gy/h yields a greater cellular response than a dose-rate of 0.027 Gy/h with respect to lowered POC values.