Ming Cui

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Huiwen Xiao

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Yuan Li

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Shuqin Zhang

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Jiali Dong

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Bin Wang

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Changchun Zhu

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul de medicină al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Mian Jiang

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Tong Zhu

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Junbo He

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Haichao Wang

2 Laborator de medicină de urgență, Institutul Feinstein pentru cercetare medicală, Manhasset NY, 11030 SUA,

Saijun Fan

1 Laboratorul cheie Tianjin de medicină radiațională și medicină nucleară moleculară, Institutul de medicină radiațională, Academia chineză de științe medicale și Colegiul medical al Uniunii Beijing, 238 Baidi Road, Tianjin 300192 China,

Date asociate

Abstract

Abstract

Remediile tradiționale pentru radioterapie - efecte secundare adverse împletite ignora dimorfismul specific sexului al răspunsurilor divergente ale pacienților. Persoanele de diferite sexe reprezintă variante de performanță care urmează același regim terapeutic. În studiul de față, simvastatina sau dieta bogată în grăsimi a fost dezvoltată pentru a proteja în mod specific împotriva toxicității la radiații a bărbaților sau a femeilor, bazată parțial pe sex - structură distinctă a microbiotei intestinale.

intestinale

1. Introducere

Cancerul a devenit treptat o cauză principală de deces în întreaga lume. Aproximativ jumătate din toate diagnosticele de cancer au o indicație pentru radioterapie, cu o utilizare substanțial mai mare în setările metastatice. 1, 2 După expunerea la radiații, se întrepătrund un spectru complex de complicații clinice, inclusiv toxicitatea măduvei osoase (sindrom hematopoietic) și toxicitatea gastrointestinală (sindromul GI), care sunt cunoscute în mod colectiv sub numele de sindromul de radiație acută (ARS). 3, 4 Datorită sensibilității sistemului hematopoietic și a tractului GI la radiațiile ionizante, ARS facilitează procesele patologice intratabile și poate provoca chiar moartea. 5, 6 Până în prezent, odată cu creșterea continuă a numărului de supraviețuitori de cancer, prevenirea efectelor secundare adverse asociate radioterapiei a devenit o prioritate urgentă. 7, 8 Chiar și pentru populația sănătoasă, expunerea nedorită la radiații, cum ar fi evenimente teroriste, accidente industriale și dezastre naturale, într-un cadru de accidente de masă este, de asemenea, o problemă serioasă de sănătate publică. 9 Până în prezent, abordările terapeutice curative pentru atenuarea toxicității radiațiilor rămân nesatisfăcute și nevoi medicale urgente.

Tractul GI de mamifere adăpostește trilioane de microbi simbiotici în lumen denumiți în mod colectiv ca microbiota intestinală, care este modelat de factori comuni, inclusiv dieta, stilul de viață, medicația, factorii determinanți ai vieții timpurii, mediul și genetica. 10, 11 Recent, investigațiile care se concentrează asupra microbiotei intestinale au cunoscut o renaștere, iar dovezile crescânde stau la baza rolurilor esențiale ale microbilor enterici ca elemente de reglare cheie în statutul fiziologic și patologic al gazdelor. 12, 13, 14 De exemplu, microbiota intestinală guvernează procesul metabolic și echilibrul energetic și educă răspunsurile imune înnăscute și adaptative ale gazdelor. 15, 16 Grupul nostru a demonstrat că expunerea la radiații modelează abundența și compoziția microbiotei intestinale, 6, 17 și transplantul de microbiote fecale (FMT) de microbi intestinali de la un donator sănătos poate oferi o strategie terapeutică pentru toxicitatea cauzată de radiații. 18 Cu toate acestea, variațiile interindividuale ale microbiomului intestinal ar putea fi potențiale capcane în timpul performanței FMT cuplate patologii multiple. 19 Important, în studiul anterior, am descoperit că structura microbiotei intestinale între șoareci masculi și femele a prezentat un dimorfism clar atât în ​​abundența microbiană, cât și în compoziție. 18

În studiul de față, raportăm că diferențele specifice genului au impact asupra eficacității tratamentului față de toxicitatea indusă de radiații și evaluează în continuare mecanismele moleculare de bază la modelele de șoareci. Pentru a imita iradierea accidentală și radioterapia la cancerele pelvine și abdominale, șoarecii masculi și femele au fost expuși la iradiere corporală totală de 7 Gy pentru a evalua rata de supraviețuire, iradiere totală a corpului de 4 Gy pentru a evalua toxicitatea hematopoietică și iradiere abdominală totală de 12 Gy pentru a evalua GI toxicitate. În general, administrarea de simvastatină pe cale orală este medicamentoasă pentru șoarecii masculi iradiați, în timp ce HFD este în mod specific protector numai pentru femele. Manipularea simvastatinei și consumul de HFD au restabilit tulburarea indusă de radiații a modelului taxonomic bacterian intestinal, au reprogramat profilul de expresie genetică a țesuturilor intestinului subțire la șoarecii masculi și femele respective. Astfel, descoperirile noastre oferă noi perspective asupra strategiilor terapeutice pentru radioterapie - efecte adverse asociate bazate pe distincția de gen și disecă mecanismul protector de bază. Observațiile noastre susțin că tratamentele pentru sindromul de radiații acute ar trebui să ia în considerare dimorfismul sexual atât în ​​medii experimentale, cât și clinice.

2. Rezultate

2.1. Strategia terapeutică față de radiații - toxicitatea cauzată se referă la distincția sexuală

Șoarecilor masculi și femele li s-a administrat oral simvastatină sau au fost hrăniți cu o dietă bogată în grăsimi (HFD) după iradiere corporală totală de 7 Gy (TBI). Grupul cu simvastatină a prezentat o rată mai mare de supraviețuire și greutate corporală la șoarecii masculi, dar HFD a condus la o stare mai slabă la acești animale masculi (Figura 1 A, B). Dimpotrivă, tratamentul cu HFD, dar nu cu simvastatina, a crescut rata de supraviețuire și a redus pierderea în greutate a șoarecilor femele (Figura (Figura 1C, D). 1 C, D). În modelele de iradiere abdominală totală de 12 Gy (TAI), HFD a scăzut în mod similar greutatea corporală a șoarecilor masculi, dar a crescut cea a șoarecilor femele, care era într-un contrast puternic cu eficacitatea simvastatinei (Figura 1E, F), 1 E, F), indicând un răspuns specific sexului și distinct la doi agenți terapeutici cu radiații în două modele animale de leziune prin radiații. Atorvastatina și rosuvastatina nu au reușit să afecteze rata de supraviețuire și greutatea corporală a șoarecilor masculi sau femele după expunerea la radiații (Figura 1G, H; 1G, H; Figura S1A, B, informații de susținere), sugerând simvastatina ca statină specifică și terapeutică pentru leziunile radiațiilor în animale masculine.

Distincția sexuală are efecte terapeutice asupra toxicității cauzate de radiații. A, B) Kaplan - analiza Meier A) și măsurarea greutății corporale B) la șoareci masculi din cele trei grupuri după 7 Gy TBI, n = 30 per grup; P 2 ANUNȚ; Figura S2A, B, Informații suport). Gavajul oral al simvastatinei a restaurat timusul și țesuturile splinei la șoarecii masculi; întrucât HFD a conferit o protecție similară numai animalelor femele (Figura 2A - D; 2 A - D; Figura S2A, B, informații de sprijin). Într-un contrast puternic, administrarea de simvastatină a redus greutatea timusurilor și a splinei la șoarecii femele iradiați; întrucât HFD nu a modificat greutatea acestor țesuturi la animalele masculine, ceea ce implică faptul că simvastatina ar putea fi un agent dăunător pentru femeile care primesc radioterapie (Figura 2A - D; 2 A - D; Figura S2A, B, Informații de susținere). Simvastatina a șters radiația - intensificat IL-6 și TNFɑ în sângele periferic (PB) al șoarecilor masculi iradiați (Figura 2E; 2 E; Figura S3A, Informații de susținere); întrucât HFD a abrogat aceste modificări la femelele iradiate (Figura (Figura 2F; 2 F; Figura S3B, Informații de susținere) Modificările malonaldehidei (MDA) în PB au coincis cu cele ale factorilor de inflamație (Figura 2G, 2G, H). Împreună, observațiile noastre demonstrează că simvastatina ar putea fi o opțiune terapeutică. spre toxicitatea sistemului hematopoietic asociat cu radiațiile pentru animalele masculine. Pentru femei, HFD ar putea fi utilizat pentru a proteja împotriva leziunilor sistemului hematopoietic induse de iradiere.

2.5. Opțiunile terapeutice optime reprogramează profilul de expresie genetică al șoarecilor iradiați intestin subțire

Pentru a aborda mecanismul molecular prin care strategiile terapeutice optime ameliorează toxicitatea indusă de radiații într-o manieră dependentă de sex, am evaluat profilul de expresie miARN al șoarecilor expuși TAI cu sau fără tratamente optime folosind tehnica de secvențiere. Profilurile de expresie miARN ale țesuturilor intestinului subțire de la șoareci masculi și femele au fost modificate după 12 Gy TAI (Figura S12A-D, Informații de susținere). Cu toate acestea, manipularea simvastatinei pe cale orală sau HFD a reprogramat profilurile de expresie miARN ale șoarecilor masculi sau femele iradiați individual. În special, expunerea TAI a crescut - a reglementat expresia let - 7g - 3p, miR - 30f, miR - 10a - 5p, miR - 9-55p, miR - 6539 și novel_399, în jos - a reglementat cea a miR - 340-55p, miR - 199a - 5p, miR - 362-55p, miR - 5121, miR - 200a - 3p, miR - 181c - 3p și miR - 3535 în țesuturile intestinului subțire de la șoareci masculi iradiați, care au fost inversați prin gavajul oral al simvastatinei (Figura 6 A, B). La șoarecii femele expuși TAI, țesuturile intestinului subțire au prezentat un nivel mai ridicat de miR - 700-33p, un nivel inferior de miR - 126b - 5p și miR - 335-33p, care au fost șterse prin hrănirea cu HFD (Figura 6C, D), 6 C, D), indicând faptul că strategiile terapeutice optime păstrează profilul de expresie miARN modificat de TAI.

Opțiunile terapeutice optime reprogramează profilul de expresie genică în formă de radiație a șoarecilor din intestinul subțire. În acest experiment, șoarecii masculi au fost împărțiți în trei grupuri. Un grup a fost expus la 12 Gy TAI, un grup a fost tratat cu simvastatină după expunerea la 12 Gy TAI, un alt grup a fost controlat. Șoarecii femele au fost, de asemenea, împărțiți în trei grupuri. Un grup a fost expus la 12 Gy TAI, un grup a fost hrănit cu HFD după expunerea la 12 Gy TAI, un alt grup a fost controlat. Țesuturile intestinului subțire au fost obținute în ziua 21 după iradiere. A - D) Analiza cluster a miARN exprimate diferențial a țesuturilor intestinului subțire de la șoareci masculi A, B) și femele C, D). A: grupul de control versus grupul TAI, B: grupul de simvastatină versus grupul TAI, C: grupul de control versus grupul TAI, D: grupul HFD versus grupul TAI. E - L) Analiza bioinformatică a diferitelor proteine ​​grupate în căi ale țesuturilor intestinului subțire de la șoareci masculi și femele prin KEGG. M, N) Kaplan - Analiza Meier a ratei globale de supraviețuire a pacienților cu cancer de prostată și cancer ovarian. P (Figura 6E - H). 6 E - H). La șoareci de sex feminin, TAI a restrâns, de asemenea, căile în jurul joncțiunii aderente, important, HFD a restructurat modelul metabolic al șoarecilor iradiați, cum ar fi activarea metabolismului acizilor grași și amortizarea secreției de insulină (Figura (Figura 6I - L), 6 I - L), care au fost în conformitate cu studiul nostru anterior. 18 Aceste descoperiri au furnizat dovezi substanțiale care susțin că, deși simptomele șoarecilor masculi și femele după expunerea la iradiere au fost diferite, ameliorarea toxicității induse de radiații ar trebui să se bazeze pe dimorfismul sexual. În analogie cu șoarecii masculi, TAI a perturbat căile implicate în ritmul circadian al șoarecilor femele (Figura (Figura 6E, I). 6 E, I). Dat fiind statinele sunt inhibitori ai HMG - CoA reductazei (HMGCR) 30, analizăm rata globală de supraviețuire a pacienților cu cancer de prostată și cu cancer ovarian pe baza expresiei HMGCR. În mod curios, pacienții cu cancer de prostată cu niveluri scăzute de HMGCR (http://gepia.cancer-pku.cn/) și pacienții cu cancer ovarian cu niveluri ridicate de HMGCR (http://kmplot.com/analysis/) au reprezentat o rată de supraviețuire globală mai mare (Figura (Figura6 6 M, N).

2.6. Microbiota intestinală guvernează efectele curative ale Simvastatinei și HFD

Microbiota intestinală contribuie la efectele radioprotectoare ale simvastatinei și HFD la șoarecii mici. Șoarecii au fost adăpostiți cu amestec de antibiotice (ABX) în apă potabilă. A, B) Fotografii ale timusurilor A) și splinei B) de la șoareci masculi din cele patru grupuri, timusurile și splinei au fost obținute în ziua 21 după 4 Gy TBI. n = 18 per grup. C) S-a examinat nivelul IL-6 în PB. Sunt indicate diferențe semnificative: * P 9 ANUNȚ; Figura S16B, C, Informații suport). Așa cum era de așteptat, FMT a modificat, de asemenea, profilul florei bacteriene intestinale a primitorilor de sex masculin și feminin (Figura 9E - H; 9 E - H; Figura S17A - D, informații de susținere), indicând faptul că FMT modelează într-adevăr modelul de compoziție bacteriană enterică al bărbatului. primitorii au fost tratați cu simvastatină sau HFD după 7 Gy TBI În mod curios, simvastatina nu a reușit să protejeze primitorii de sex masculin împotriva toxicității induse de radiații, acoperind rata de supraviețuire neschimbată și pierderea în greutate incrementală (Figura (Figura 9I, J)). 9 I, J). HFD nu au condus la modificări semnificative ale ratei de supraviețuire și a greutății corporale mai mici (Figura (Figura 9K, L), 9 K, L), sugerând că efectele curative ale simvastatinei și HFD depind împreună, datele sugerează că simvastatina și HFD pierde eficacitatea terapeutică în ceea ce privește leziunile asociate radiațiilor la șoarecii masculi și femele cu dezechilibru al florei intestinale.

4. Concluzii

Aici, prezentul nostru studiu demonstrează că bărbații și femeile iradiați au primit o opțiune terapeutică specială care reprezintă răspunsuri diverse. În detaliu, gavajul oral al simvastatinei ameliorează leziunile sistemului hematopoietic, îmbunătățește funcția tractului gastrointestinal și integritatea epitelială doar la bărbații iradiați, dar hrănirea cu HFD atenuează în mod deschis toxicitatea măduvei osoase și a GI doar la femelele iradiate. În special, antibioticele care provoacă sau transplantul de microbiote intestinale de la donatori sexuali opuși eradică efectul curativ al simvastatinei sau HFD la sexele respective. Din punct de vedere mecanic, simvastatina și HFD au păstrat profilul expresiei miARN, au reprogramat spectrul expresiei ARNm în țesuturile intestinului subțire și modelul taxonomic bacterian enteric de la șoareci masculi și femele expuși la TAI. Observațiile noastre sugerează acum că strategiile de reabilitare pentru pacienții cu cancer care primesc radioterapie ar trebui să ia în considerare sexul pacienților. Pentru a îmbunătăți prognosticul, pacienților de sex masculin supuși radioterapiei trebuie să li se administreze simvastatină, dar nu o dietă bogată în grăsimi, pentru a combate efectele secundare asociate radiațiilor; întrucât pacienții de sex feminin ar putea primi o dietă bogată în grăsimi, dar nu simvastatină, în timpul radioterapiei.

5. Secțiunea experimentală

Informații cu privire la următoarele aspecte ale acestui studiu sunt disponibile în Informații de susținere: șoareci, studiu de iradiere, administrare de medicamente și diete bogate în grăsimi, reacție în lanț cu transcripție inversă polimerază (RT - PCR), măsurarea splinei, glandei timusului și colonului, histologie, FITC - experimente de permeabilitate la dextran, cuantificarea IL-6, TNFɑ și LCN2 prin ELISA, măsurarea malondialdehidei, prepararea și administrarea scaunului donatorului, analiza diversității bacteriene, cuantificarea și calificarea ARN pentru secvențierea, pregătirea bibliotecii pentru secvențierea transcriptomului, pregătirea bibliotecii pentru ARN mic secvențierea, analiza de îmbogățire KEGG a genelor exprimate diferențial, testul antibioticelor și analiza statistică. Experimentele pe animale au fost efectuate în conformitate cu ghidurile instituționale aprobate de Comitetul de îngrijire și etică a animalelor din IRM - PUMC, care a respectat Ghidul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator și ghidul Institutului Național de Sănătate pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator.

Conflict de interese

Autorii nu declară niciun conflict de interese.