Individual Radiosensitivity Does not Correlate with Radiation-Induced Apoptosis in Lymphoblastoid Cell Lines or CD³⁺ Lymphocytes

Background and Purpose:

Spontaneous and radiation-induced apoptosis of lymphoblastoid cell lines (LCLs) derived from healthy donors, cancer patients and donors with radiosensitivity syndromes as well as CD³⁺ lymphocytes from patients with ≥ grade 3 late toxicity were investigated as a possible marker for the detection of individual radiosensitivity. These investigations are based on the hypothesis that hypersensitive patients have reduced levels of apoptosis after in vitro irradiation as a result of a defect in the signaling pathway.

Material and Methods:

Epstein-Barr virus-(EBV-)transformed LCLs derived from five healthy donors, seven patients with heterozygous or homozygous genotype for ataxia-telangiectasia or Nijmegen breakage syndrome and five patients with ≥ grade 3 late toxicity (RTOG) were investigated. In addition, CD³⁺ lymphocytes from 21 healthy individuals and 18 cancer patients including five patients with a proven cellular hypersensitivity to radiation were analyzed. Cells were irradiated in vitro with a dose of 2 and 5 Gy and were incubated for 48 h. Apoptotic rates were measured by the TUNEL assay followed by customized image analysis.

Results:

Four out of seven radiosensitivity syndrome patients were identified to have an increased cellular radiosensitivity as determined by reduced apoptotic rates after irradiation of their respective LCLs. Comparatively, only two of the five hypersensitive cancer patients were clearly identified by reduced apoptotic rates. Spontaneous apoptotic rates were very homogeneous among all 39 samples from controls and patients, while lymphocytes of all cancer patients showed significantly lower radiation-induced rates.

Conclusion:

Only a subgroup of hypersensitive patients may be identified by reduction of radiation-induced apoptotic rate. It is concluded that the hypothesis according to which hypersensitive cells have reduced levels of apoptosis is only conditionally true. The authors suggest that this assay can be used in combination with additional tests evaluating DNA double-strand break repair, cell-cycle control and chromosomal aberrations for the evaluation for individual hypersensitivity.

Hintergrund und Ziel:

Spontane und strahleninduzierte Apoptose in lymphoblastoiden Zelllinien (LCL) von Gesunden, Krebspatienten und Spendern mit Strahlenempfindlichkeitssyndromen sowie in CD³⁺-Lymphozyten von Patienten mit Spättoxizität ≥ Grad 3 wurden mit dem Ziel untersucht, Apoptose als einen Marker zur Detektion von Strahlenempfindlichkeit zu verwenden. Dies basiert auf der Hypothese, dass erhöht strahlenempfindliche Zellen auf In-vitro-Bestrahlung mit erniedrigten Apoptoseraten reagieren, was durch eine Störung in der Signaltransduktion bedingt ist.

Material und Methodik:

Epstein-Barr-Virus-(EBV-)transformierte LCL von fünf gesunden Spendern, sieben Patienten mit heterozygotem oder homozygotem Genotyp für Ataxia teleangiectatica oder Nijmegen-Breakage-Syndrom und fünf Patienten mit Spättoxizität ≥ Grad 3 (RTOG) wurden untersucht. Zusätzlich wurden CD³⁺-Lymphozyten von 21 Gesunden und 18 Krebspatienten einschließlich fünf Patienten mit nachgewiesener Strahlenempfindlichkeit untersucht. Die Zellen wurden in vitro mit 2 und 5 Gy bestrahlt und für 48 h inkubiert. Die Apoptoseraten wurden mit dem TUNEL-Assay und einem selbst entwickelten Bildanalysesystem gemessen.

Ergebnisse:

Nur vier der sieben Patienten mit Strahlenempfindlichkeitssyndromen wiesen eine durch erniedrigte Apoptoseraten belegte zelluläre Strahlenempfindlichkeit auf. Entsprechend konnten nur zwei der fünf erhöht strahlenempfindlichen Krebspatienten durch erniedrigte Apoptoseraten identifiziert werden. Die spontanen Apoptoseraten der Lymphozyten aller 39 Patienten und Kontrollen waren in sich sehr ähnlich, während die Lymphozyten der Krebspatienten erniedrigte strahleninduzierte Apoptoseraten aufwiesen.

Schlussfolgerung:

Nur eine Untergruppe der erhöht strahlenempfindlichen Patienten kann durch erniedrigte Apoptoseraten identifiziert werden. Die Hypothese, dass strahlenempfindliche Zellen mit reduzierten Apoptoseraten auf In-vitro-Bestrahlung reagieren, gilt nur teilweise. Für die Detektion von erhöhter Strahlenempfindlichkeit wäre eine Kombination mit anderen Tests, die die DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur, Zellzykluskontrolle und chromosomale Aberrationen untersuchen, zu empfehlen.