A new approach to assessing the consequences of radiation on the eye

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The authors propose a new approach to assessing the consequences of exposure to ionizing radiation on the structures of the eye. The approach is based on the results recently obtained by the authors together with employees of the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, according to which radiation exposure causes oxidation of the bisretinoids contained in the structures of the eye - the retina and retinal pigment epithelium. As a result of this oxidation, the fluorescence spectrum of bisretinoids shifts to the blue region of the visible spectrum. The shift in the fluorescence spectrum can be recorded non-invasively using the method of recording fundus autofluorescence, which is currently generally accepted in ophthalmology. Since the oxidation of bisretinoids occurs during radiation exposure, it becomes possible almost immediately after irradiation to assess the degree of impact of ionizing radiation on both the structures of the eye and the body as a whole. There is no analogue to such a non-invasive assessment of the effects of radiation on the body. The proposed approach may become important for assessing the radiation safety of nuclear industry workers, astronauts, and patients undergoing proton or gamma therapy.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. A. Ostrovsky

Lomonosov Moscow State University; Emanuel Institute of Biochemical Physics of the Russian Academy of Siences

Author for correspondence.
Email: ostrovsky3535@mail.ru

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow; Moscow

T. B. Feldman

Lomonosov Moscow State University; Emanuel Institute of Biochemical Physics of the Russian Academy of Siences

Email: feldmantb@mail.ru

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Tairbekov M.G., Petrov V.M. Medical and biological effects of ionizing radiation. M.: MEPhI, 2005.
  2. Yakovleva M.A., Feldman T.B., Lyakhova K.N. et al. Ionized radiation-mediated retinoid oxidation in the retina and retinal pigment epithelium of the murine eye // Radiat. Res. 2022. V. 197. P. 270–279.
  3. Feldman T., Yakovleva M., Utina D. et al. Short-Term and Long-Term Effects after Exposure to ionizing radiation and visible light on retina and retinal pigment epithelium of mouse eye // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. 17049.
  4. Schmitz-Valckenberg S., Holz F.G., Bird A.C. et al. Fundus autofluorescence imaging // Retina. 2008. V. 28. P. 385-409.
  5. Ostrovsky M.A. Molecular physiology of the visual pigment rhodopsin. Current directions // Russian Physiological Journal named after I.M. Sechenov. 2020, vol. 106, no. 4, pp. 401–420.
  6. Boulton M., Dontsov A., Jarvis-Evans J. et al. Lipofuscin is a photoinducible free radical generator. J. Photochem. Photobiol. B Biol. 1993, no.19, pp. 201–204.
  7. Sparrow J.R., Vollmer-Snarr H.R., Zhou J. et al. A2E-epoxides damage DNA in retinal pigment epithelial cells. Vitamin E and other antioxidants inhibit A2E-epoxide formation. J. Biol. Chem. 2003, vol. 278, no. 20, pp. 18207–18213.
  8. Dontsov A., Yakovleva M., Trofimova N. et al. Water-soluble products of photooxidative destruction of the bisretinoid A2E cause proteins modification in the dark. Int. J. Mol. Sci. 2022, vol. 23(3), 1534.
  9. Feldman T., Ostrovskiy D., Yakovleva M. et al. Lipofuscin-mediated photic stress induces a dark toxic effect on ARPE-19 cells. Int. J. Mol. Sci. 2022, vol. 23(20), 12234.
  10. Feldman T.B., Yakovleva M.A., Larichev A.V. et al. Spectral analysis of fundus autofluorescence pattern as a tool to detect early stages of degeneration in the retina and retinal pigment epithelium. Eye. 2018, vol. 32, pp. 1440–1448.
  11. Bourauel L., Vaisband M., von der Emde L. et al. Spectral analysis of human retinal pigment epithelium cells in healthy and AMD eyes. Invest Ophthalmol. Vis. Sci. 2024, vol. 65, 10.
  12. Schweitzer D., Gaillard E.R., Dillon J. et al. Time-resolved autofluorescence imaging of human donor retina tissue from donors with significant extramacular drusen. Invest. Ophth. Vis. Sci. 2012, vol. 53, pp. 3376–3386.
  13. Schweitzer D., Quick S., Schenke S., et al. Comparison of parameters of time-resolved autofluorescence between healthy subjects and patients suffering from early AMD. Ophthalmologe. 2009, vol. 106, pp. 714–722.
  14. Schweitzer D., Deutsch L., Klemm M. et al. Fluorescence lifetime imaging ophthalmoscopy in type 2 diabetic patients who have no signs of diabetic retinopathy. J. Biomed. Opt. 2015, vol. 20, pp. 61106.
  15. Ramm L., Jentsch S., Augsten R. et al. Fluorescence lifetime imaging ophthalmoscopy in glaucoma. Graefes. Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 2014, vol. 252, pp. 2025–2026.
  16. Jentsch S., Schweitzer D., Schmidtke K.U. et al. Retinal fluorescence lifetime imaging ophthalmoscopy measures depend on the severity of Alzheimer’s disease. Acta ophthalmologica. 2014, vol. 93, pp. 241–247.
  17. RF patent for invention No. 2651126 (04/18/2018): Feldman T.B., Ostrovsky M.A., Yakovleva M.A., Larichev A.V., Borzenok S.A., Arbukhanova P.M. A method for early detection of age-related macular degeneration of the retina.
  18. Utility model patent No. 176795 (01/29/2018): Larichev A.V., Panchenko V.Ya., Ostrovsky M.A., Feldman T.B. An optical device for examining the fundus of the eye to detect age-related macular degeneration of the retina.
  19. Feldman T.B., Dontsov A.E., Yakovleva M.A. et al. Photobiology of lipofuscin granules in the retinal pigment epithelium cells of the eye: norm, pathology, age. Biophys. Rev. 2022, vol. 14, pp. 1051–1065.
  20. Mao X.W., Boerma M., Rodriguez D. et al. Acute effect of low-dose space radiation on mouse retina and retinal endothelial cells. Radiat. Res. 2018, vol. 190, pp. 45–52.
  21. Mao X.W., Pecaut M.J., Stodieck L.S. et al. Space flight environment induces mitochondrial oxidative damage in ocular tissue. Radiat. Res. 2013, vol. 180, pp. 340–350.
  22. Mao X.W., Archambeau J.O., Kubinova L. et al. Quantification of rat retinal growth and vascular population changes after single and split doses of proton irradiation: translational study using stereology methods. Radiat. Res. 2003, vol. 160, pp. 5–13.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diagram of the vertebrate eye. Irradiation of a mouse with accelerated protons or gamma rays at a dose of 4 Gy. A – structures of the eye: pupil, lens, retina and retinal pigment epithelium; B – retina, photoreceptor cells (rods and cones), retinal pigment epithelium, vascular membrane; C – fluorescence spectra of chloroform extracts obtained from the retinas and retinal pigment epithelium of mice irradiated with a dose of 4 Gy. The excitation wavelength was 488 nm. The fluorescence spectra are normalized at a wavelength of 550 nm Source: the drawing is adapted from [2].

Download (67KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The picture of autofluorescence of the human fundus: a large dark spot on the right is a blind spot (exit of the optic nerve); a small dark spot in the center is the area of central vision (macula)

Download (26KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The principle of spectral analysis of fundus autofluorescence – preclinical diagnosis of age-related macular degeneration [9, 18] A – comparative statistical analysis of the spectral characteristics of suspensions of retinal pigment epithelium cells from cadaveric donor eyes without signs of pathology (norm) and with signs of age-related macular degeneration (AMD). The excitation wavelength is 488 nm. Fluorescence spectra were normalized at 592 nm; B – fluorescence spectra of suspensions of retinal pigment epithelium cells obtained from individual cadaveric eyes of a healthy donor (norm) at the age of 58 years and a donor with signs of age-related macular degeneration (AMD) at the age of 59 years; integral intensities in the spectral ranges I1 (530-580 nm) and I2 (600-650 nm) Source: the drawing is adapted from [10].

Download (33KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».