Irradiation Causes Biphasic Neutrophilic Granulocyte Phagocytic Function*

Background and Purpose:

The anti-inflammatory effect of low-dose radiotherapy is clinically well described. Nevertheless, until now neither the optimal dose nor the background of tissue reactions have been defined. The current study examines the influence of low radiation doses on neutrophilic granulocyte function, which could be helpful in finding the optimal dose for either stimulation or suppression of anti-inflammatory activity.

Material and Methods:

Lymphoprep^® density gradient-purified neutrophilic granulocytes of three voluntary, healthy donors were used for all experiments. Granulocytes were incubated 48 h in RPMI 1640 and irradiated with single doses of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 6.0, and 12 Gy using a ¹³⁷Cs IBL 437L irradiator. Their function was assessed by measuring granulocytic release of reactive oxygen species (ROS) with luminol-enhanced chemiluminescence after stimulation with phorbol myristate acetate (PMA).

Results:

Relative changes of ROS release (ROS release before stimulation was set to 100%) increased after stimulation with PMA (mean ± standard deviation [SD]): 0 Gy: 147.6% ± 60%; 0.5 Gy: 153.6% ± 70%; 1.0 Gy: 164.9% ± 63%; 1.5 Gy: 177.8% ± 66%; 2.0 Gy: 162.5% ± 57%; 2.5 Gy: 156.2% ± 60%; 3.0 Gy: 159.2% ± 60%; 3.5 Gy: 126.9% ± 55%; 4.0 Gy: 137.9% ± 71%; 6.0 Gy: 148.3% ± 65%; 12.0 Gy: 156.1% ± 52%. The relative ROS release showed a significant increase at 1.5 Gy (p < 0.001) after PMA stimulation and a significant decrease of ROS release at 3.5 Gy (p < 0.005) and less markedly at 4.0 Gy (p < 0.05). 6.0 and 12.0 Gy showed a significant (p < 0.05) increase again.

Conclusion:

This ex vivo in vitro study on native human neutrophilic granulocytes shows an increase at 1.5 Gy and a significant decrease of granulocyte function at 3.5 and 4.0 Gy, as it was described for different other phenomena in low-dose radiotherapy. These results may provide a further explanation for the local anti-inflammatory effect of low-dose ionizing irradiation

Hintergrund und Ziel:

Der antiinflammatorische Effekt niedrigdosierter Strahlentherapie ist klinischerseits bereits gut beschrieben. Dennoch konnte bis heute weder die optimale Dosierung noch die Grundlage der Gewebereaktion definiert werden. Die vorliegende Studie untersucht den Einfluss niedriger Strahlendosen auf die Funktion neutrophiler Granulozyten, um so Hinweise auf die optimale Dosis zur Stimulation bzw. Unterdrückung antiinflammatorischer Aktivität zu erhalten.

Material und Methodik:

Native humane neutrophile Granulozyten wurden von drei gesunden Probanden mittels Dichtegradienten gewonnen. Die Granulozyten wurden 48 h in RPMI 1640 inkubiert und mittels eines ¹³⁷Cs-IBL-437L-Bestrahlungsgeräts mit 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 6 und 12 Gy bestrahlt. Ihre Funktion wurde anhand der granulozytären Freisetzung von reaktiven Sauerstoffradikalen (ROS [„reactive oxygen species“]) mittels luminolverstärkter Chemilumineszenz nach Stimulation mit Phorbol-Myristat-Acetat (PMA) gemessen.

Ergebnisse:

Die relativen Änderungen der ROS-Freisetzung (ROS-Freisetzung vor Stimulation wurde gleich 100% gesetzt) nach Stimulation mit PMA betrugen (Mittelwert ± Standardabweichung [SD]): 0 Gy: 147,6% ± 60%; 0,5 Gy: 153,6% ± 70%; 1 Gy: 164,9% ± 63%; 1,5 Gy: 177,8% ± 66%; 2 Gy: 162,5% ± 57%; 2,5 Gy: 156,2% ± 60%; 3 Gy: 159,2% ± 60%; 3,5 Gy: 126,9% ± 55%; 4 Gy: 137,9% ± 71%; 6 Gy: 148,3% ± 65%; 12 Gy: 156,1% ± 52%. Die relative ROS-Freisetzung zeigte einen signifikanten Anstieg bei 1,5 Gy (p < 0,001) nach PMA-Stimulation, allerdings einen deutlich signifikanten Abfall der ROS-Freisetzung bei 3,5 Gy (p < 0,005) und etwas weniger deutlich bei 4 Gy (p < 0,05). 6 und 12 Gy zeigten wieder einen signifikanten Anstieg.

Schlussfolgerung:

Diese Ex-vivo-in-vitro-Untersuchung an nativen humanen neutrophilen Granulozyten zeigte einen Anstieg der Granulozytenfunktion bei 1,5 Gy sowie einen signifikanten Abfall bei 3,5 und 4,0 Gy, wie er schon für verschiedene Phänomene niedrigdosierter Strahlentherapie beschrieben worden ist. Die Ergebnisse können einen weiteren Erklärungsansatz für den lokalen entzündungshemmenden Effekt niedrigdosierter Strahlentherapie bieten.