VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Влияние последовательности действия нейтронного и протонного излучений на опухолевый ответ и реакции кожи при облучении солидной карциномы Эрлиха у мышей

В.Е. Балакин1, О.М. Розанова2*, Т.А. Белякова1, Е.Н. Смирнова2, Н.С. Стрельникова1, А.Е. Шемяков1,2, А.В. Смирнов1

1.Физико-технический центр Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Протвино, Россия;
2.Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, Россия;

* rozanova.iteb(at)gmail.com

Введение. Протонная терапия успешно используется для лечения наиболее распространенных и сложных видов рака. Для дальнейшего развития этого вида терапии разрабатываются методы и подходы усиления действия протонного излучения с помощью FLASH-терапии, наноэнхансеров, и сочетанного действия с другими видами излучений, обладающими синергетическими или аддитивными свойствами. В последние годы сформировалось представление о сложном клеточном строении злокачественных образований и присутствия в них опухолевых стволовых клеток, которые обладают способностью формировать опухоль, поддерживать ее рост, а также отвечают за радиорезистентность агрессивных опухолей и возникновение рецидивов после радиотерапии. Поскольку существует достаточно экспериментальных доказательств о роли опухолевых стволовых клеток в развитии отсроченных вторичных опухолей как на месте первичной, так и в другой локализации, то для повышения эффективности протонной терапии необходимо усиление воздействия именно на эту популяцию клеток опухоли.

Цель. Исследование влияния последовательности действия протонного излучения (ПИ) в суммарной дозе 80 Гр и нейтронного в дозе 5 Гр при сочетанном облучении солидной формы асцитной карциномы Эрлиха (АКЭ) на опухолевый ответ и лучевые реакции кожи у мышей-опухоленосителей.

Материалы и методы. Эксперименты проводили на белых беспородных мышах-самцах линии SHK в возрасте 8–9 недель. Всех мышей содержали в виварии ИТЭБ РАН в стандартных условиях со свободным доступом к сухому корму и воде. Было использовано 120 мышей, по 15–30 мышей в каждой группе. В качестве модели опухоли была выбрана быстрорастущая неместазирующая солидная форма АКЭ. Для индукции солидной АКЭ, мышам внутримышечно вводили 2 × 106 клеток в бедро левой задней лапы. При такой имплантации опухолевых клеток частота индукции АКЭ у мышей через 5 сут составляла 100%, и животные гибли через 47±5 сут.

Первое локальное облучение опухолей у мышей тонким сканирующим пучком протонов в пике Брэгга или нейтронами проводили на 5-й день после инокуляции АКЭ, когда опухолевый узел пальпировался у всех животных. Перед каждым облучением мышей анестезировали внутрибрюшинной инъекцией селективных препаратов ксилазина (Interchemie, Нидерланды) в дозировке 0,7 мг/кг и золетила 100 (Virbac, Франция) – 3,4 мг/кг.

Опухоль у мышей в первой группе облучали только двумя фракциями ПИ по 40 Гр через 24 ч («протоны»), во второй группе предварительно за 3 ч до первой фракции ПИ мышей с АКЭ облучали нейтронами в дозе 5 Гр («нейтроны + протоны»), третью группу облучали нейтронами в дозе 5 Гр через 3 ч после второй фракции ПИ («протоны + нейтроны»), а в четвертой – опухоль однократно облучали нейтронами в дозе 5 Гр («нейтроны»), пятая контрольная группа включала необлученных мышей с опухолями, подвергавшихся транспортировке к источникам излучений, анестезии и имитации условий облучения.

Результаты и обсуждение. В группах «протоны», «нейтроны+протоны» и «протоны+нейтроны» наблюдалась регрессия первичного опухолевого узла через неделю после облучения и отсутствие вторичного роста опухоли в течение месяца. В группе «нейтроны» у всех животных наблюдалась задержка индукции роста опухоли на 15 сут, затем скорость роста опухоли была такая же как в контроле. Задержка роста опухолей после нейтронного облучения увеличила максимальную продолжительность жизни мышей с опухолями до 77 сут по сравнению с контролем, где она равна 54 сут, а средняя продолжительность жизни (СПЖ) животных облученной группы увеличилось на 15 дней.

В связи с тем, что пальпируемый объем опухоли был соизмерим с размером лапы животного, и опухолевый узел примыкал к кожным покровам, то при облучении кожа получала значительную дозу. В группе «нейтроны» развитие 4 степени кожных повреждений наблюдалось у 40% мышей, почти столько же, что и у группы «протоны», а сочетанное облучение нейтронами до протонов почти в 2 раза увеличивало частоту наиболее тяжелых кожных реакций по сравнению с одним только ПИ. В группе «протоны+нейтроны» наблюдалась самая благополучная картина лучевых последствий: низкая доля мышей с 4 степенью поражения кожи, и у 30% мышей была 1 степень выраженности поражений.

У мышей, подвергшихся комбинированному облучению, все случаи возобновления роста опухоли наблюдались в течение 5–12 недель после облучения в отличие от мышей, облученных только ПИ, у которых возобновление роста опухоли наблюдалось в более поздние сроки, через 19–35 недель. На протяжении всего периода наблюдения доля мышей с возобновившимся ростом опухоли той же локализации, что и первичная, составил 36% в группе «протоны» и 50% и 43% в группах «нейтроны + протоны» и «протоны + нейтроны" соответственно. СПЖ мышей без рецидивов в группах с воздействием нейтронов и протонов была достоверно меньше (118 и 124 сут) по сравнению с группой «протоны» (278 сут). СПЖ мышей с рецидивами в группе «протоны» составляла 115 сут после облучения; в группах «нейтроны+протоны» и «протоны+нейтроны» она была меньше, 65 и 80 дней соответственно.

Мыши, у которых опухолевый узел не развивался в месте облучения на протяжении всей жизни, в группах, подвергшихся комбинированному облучению, гибли значительно раньше, чем в группе, подвергавшейся только ПИ. Максимальная продолжительность жизни в группе «нейтроны + протоны» составила 7 мес, в группе «протоны + нейтроны» – 11 мес, в группе «протоны» – 21 мес.

Таким образом, анализ таких отдаленных последствий облучения, как время ремиссии, частота и скорость роста вторичных опухолей, продолжительность жизни мышей-опухоленосителей показал, что дополнительное воздействие на АКЭ нейтронов как до, так и после ПИ значительно ухудшает показатели эффективности терапии.

Importance of exposure sequence of neutron and proton radiations on the tumor response and skin reactions under irradiation of solid Ehrlich carcinoma on mice

V.E. Balakin1, O.M. Rozanova2*, T.A. Belyakova1, E.N. Smirnova2, N.S. Strelnikova1, A.E. Shemyakov1,2, A.V. Smirnov1

1.Physical Technical Center, Lebedev Physical Institute of RAS, Protvino, Russia;
2.Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of RAS, Pushchino, Russia;

* rozanova.iteb(at)gmail.com

Introduction. Proton therapy is successfully used to treat the most common and complex types of cancer. For further extension and improvement of this type of therapy, methods and approaches to enhance the effect of proton radiation are being developed using FLASH therapy, nanoenhancers, and combined action with other types of radiation with synergistic or additive properties. In recent years, an idea has been advanced on the complex cell structure in cancer tumors as well as the presence of cancer stem cells in them, not only alleged to be capable of forming a tumor and maintaining its growth but also is responsible for the radioresistance of aggressive tumors and the occurrence of relapses after radiotherapy. Since there is substantial evidence indicating a contribution of cancer stem cells to the formation of secondary malignancies at later terms at the location of the primary tumor as well as in other sites, in order to increase the effectiveness of proton therapy, it is necessary to increase the impact on this population of tumor cells.

Purpose. Impact of exposure sequence of combined action of proton radiation (PR) at a total dose of 80 Gy and neutrons at a dose of 5 Gy on the tumor response of the solid form of Ehrlich ascites carcinoma (EAC), reactions of the skin in tumor-bearing mice, duration of remission, incidence of tumor regrowth, and the life span was studied.

Materials and methods. The experiments were carried out using 8–9-week-old white outbred SHK male mice. The mice were kept in a vivarium at the ITEB RAS, under standard conditions and had free access to the standard dry ration and water. A total of 120 mice were used, with 15–30 mice in each group. As a tumor model, a fast-growing non-metastatic solid form of EAC was chosen. With the aim of inducing the solid form of EAC, the animals received intramuscular injections of 2 × 106 cells into the hips of the left hind legs. At this concentration of tumor cells, the frequency of tumor induction after 5 days is was 100%, and the death of animals occurs occurred after 47 ± 5 days.

The first irradiation of EAC with PBSP in the Bragg peak or neutrons was carried out on the 5th day following the inoculation of EAC when the tumor nodule was palpated in each animal. In order to immobilize the mice at the time of irradiations, they were intraperitoneally injected with an anesthetizing mixture of Zoletil/Xylazine (0.7/3.4 mg/kg).

EAC in the first group of mice was irradiated only with PR in two fractions of 40 Gy with the interval of 24 hours (“protons”); EAC in the second group was irradiated once with neutrons at a dose of 5 Gy 3 h prior to the first fraction of PR (“neutrons + protons”); EAC in the third group was exposed to neutron irradiation at a dose of 5 Gy 3 h following the last PR fraction (“protons + neutrons”); and EAC in the fourth group of animals was exposed once to neutron irradiation at a dose of 5 Gy (“neutrons”). The fifth, sham control group consisted of unirradiated tumor-bearing mice, which were transported to radiation sources, anesthetized, and maintained under conditions imitating irradiation.

Results and discussion. In the "protons", "neutrons + protons" and "protons + neutrons" groups, a regression of primary tumor nodes in all mice a week after the irradiation and the absence of tumor regrowth within a month were observed. In the "neutrons" group, the delay of tumor growth induction was observed for 15 days in all animals, but then the tumor growth increased with a similar rate as in the control group. The delay in the tumor growth rate after irradiation with neutrons increased the maximum life span of mice to 77 days compared with the control where it was 54 days, and the average lifespan (AL) of irradiated animals increased by 15 days.

Since the palpable volume of the tumor was comparable with the size of the paw, and the tumor node was close to the skin, the skin received a high dose during irradiation. In the "neutrons" group, the development of grade 4 skin lesions was observed in 40% of mice, almost the same as in the "protons" group, and combined irradiation with neutrons delivered before protons increased almost twofold the frequency of the most severe skin reactions compared with the "protons" group. In the “protons + neutrons” group, the most favorable post-irradiation picture was observed: a low percent of mice with the 4th grade of skin damage and grade 1 skin damage in 30% of mice.

In mice exposed to combined irradiation, all cases of tumor regrowth were observed within 5–12 weeks after irradiation, by contrast to mice irradiated only with PR in which the resumption of tumor growth was observed at later terms, after 19–35 weeks. Throughout the observation period, the percentage of mice with the resumed growth of tumor of the same localization as the primary was 36% in the group "protons" and 50 and 43% in the groups "neutrons + protons" and "protons + neutrons", respectively.

The AL of mice without tumor regrowth in the groups with the combined exposure to neutrons and protons was significantly less (118 and 124 days) than in the group “protons” (278 days). The AL of mice with tumor regrowth in the group "protons" was 115 days after irradiation; in the groups "neutrons + protons" and "protons + neutrons", it was significantly less, 65 and 80 days after irradiation, respectively.

Cured mice, in which the tumor node did not develop at the site of irradiation throughout the life span, died earlier in the groups after the combined exposure than in the group irradiated with protons only. The maximum lifespan in the group "neutrons + protons" was 7 months, in the group "protons + neutrons" 11 months, and in the group "protons" 21 months.

Thus, the data on the duration of remission, incidence of tumor regrowth, and the life span of tumor-bearing mice demonstrate that additional exposure to neutrons on EAC both before and after PR significantly impairs the long-term effects of therapy.



Докладчик: Белякова Т.А.
240
2022-11-02

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists