Effectiveness of cell therapy of acute radiation syndrome in mice with intravenous and intraperitoneal administration of a cellular product

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The therapeutic effect of fibroblast-like cells obtained from the stromal vascular fraction of subcutaneous adipose tissue of mice and cultured for the treatment of bone marrow form of acute radiation syndrome was studied on a mouse experimental model. The cells were identified as multipotent mesenchymal stem (stromal) cells, owing to adhesion to plastic, confluent monolayer formation during cultivation, and the fact that osteogenic differentiation in vitro resulted in osteoblast maturation and calcium deposit formation, which indicated their multipotent nature. Irradiation of laboratory rodents was conducted using the X-ray therapy unit “RUM-17”. Stromal cells were obtained from subcutaneous adipose tissue of a mouse and grown in a culture of 3–4 passages and used as a cell product. Cell transplantation was performed 24 h after uniform X-ray irradiation of mice at a dose of 7.8 Gy. This is the first study to compare the therapeutic efficacy of allogeneic transplantation of multipotent mesenchymal stem cells with the different routes (intravenous and intraperitoneal) of cell suspension administration. A significant increase was found in the survival rate of mice during the 30-day follow-up period after lethal dose irradiation, which depended on the number of injected cells and delivery method of the biomedical cell product. Thus, with intravenous administration of 30 and 60 × 103 multipotent mesenchymal stem cells, the 30-day survival rate of mice after irradiation at a dose of 7.8 Gy increased by 54.5% and 40%, respectively, compared with that of untreated animals (p = 0.03). An increase in the number of cells in the cell product to 120 × 103/mouse led to a decrease in therapy effectiveness. In intraperitoneal administration, the protection of animals from death was 57% after transplantation of 30 and 60 × 103 cells (= 0.039) and 50% after application of 120 × 103 cells. On day 30 after irradiation, in the introduction of a cellular product in different schemes, 70%–80% of animals showed restoration of the values of the main indicators of the hematopoiesis system to initial levels. Thus, cell therapy using multipotent mesenchymal stem cells isolated from adipose tissue with intravenous and intraperitoneal delivery routes of the cellular product to the irradiated body protects mice from death after exposure to X-ray radiation in lethal doses, decreasing the severity of radiation damage to the hematopoietic system in mice, and provides prospects for further research as an effective and safe treatment for acute radiation sickness.

About the authors

Elena V. Murzina

Kirov Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7052-3665
SPIN-code: 5188-0797

MD, Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalya V. Pak

Kirov Military Medical Academy

Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1239-5663
SPIN-code: 7181-3780

MD, Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalia V. Aksenova

Kirov Military Medical Academy

Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5645-7072
SPIN-code: 6821-6887

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalya A. Zhirnova

Kirov Military Medical Academy

Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9948-6260
SPIN-code: 8308-2139

MD, Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Olga M. Veselova

Kirov Military Medical Academy

Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-9345-1845
SPIN-code: 4864-8391

researcher

Russian Federation, Saint Petersburg

Aleksej A. Khovpachev

Kirov Military Medical Academy

Email: khovpachev@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-5780-1557
SPIN-code: 6189-3624

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolaj V. Belyj

Kirov Military Medical Academy

Email: elenmurzina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9370-8678
SPIN-code: 8676-3186

clinical laboratory diagnostics doctor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Merkulov VA, Bunyatyan ND, Radaev SM. Problems and perspectives of cell therapy in clinical practice. Bulletin of the Scientific Centre for Expert Evaluation of Medicinal Products. Regulatory Research and Medicine Evaluation. 2011;(2):35–38. EDN: RWVTFZ
  2. Moskalev AB, Gumileskiy BYu, Apchel AV, Tsygan VN. Stem cells and their physiological effects. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2019;68(4):172–180. EDN: ZBDYZF
  3. Qian L, Cen J. Hematopoietic stem cells and mesenchymal stromal cells in acute radiation syndrome. Oxid Med Cell Longev. 2020;2020:8340756. doi: 10.1155/2020/8340756
  4. Singh VK, Seed TM. Pharmacological management of ionizing radiation injuries: current and prospective agents and targeted organ systems. Expert Opin Phamacother. 2020;21(3):317–337. doi: 10.1080/14656566.2019.1702968
  5. Vlasenko AN, Gaiduk SV, Legeza VI, et al. Clinical radiology. Saint Petersburg: Foliant; 2020. 448 p. (In Russ.)
  6. Samoylov AS, Konchalovsky MV, Bushmanov Ayu, et al. Recommendations for the diagnosis and treatment of bone marrow form of acute radiation syndrome. Gematologiya i transfuziologiya. 2023;68(1):98–128. EDN: NONQCI doi: 10.35754/0234-5730-2023-68-1-98-12
  7. Asano S. Current status of hematopoietic stem cell transplantation for acute radiation syndromes. Int J Hematol. 2012;95(3):227–231. doi: 10.1007/s12185-012-1027-8
  8. Kalmykova NV, Alexandrova SV. Therapeutic effects of multipotent mesenchymal stromal cells after irradiation. Radiation biology. Radioecology. 2016;56(2):117–137. EDN: VVHLHR doi: 10.7868/S0869803116020077
  9. Rezvani M. Therapeutic potential of mesenchymal stromal cells and extracellular vesicles in the treatment of radiation lesions — a review. Cells. 2021;10(2):427. doi: 10.3390/cells10020427
  10. Potapnev MP. Analysis of approaches to increase the efficacy of cell therapy based on mesenchymal stromal cells. Genes & Cells. 2021;16(4):22–28. EDN: FWMWHS doi: 10.23868/202112003
  11. Directive 2010/63/EU of the European parliament and of the council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes (Text with EEA relevance). Official Journal of the European Union. 2010:33–79. (In Russ.)
  12. Zuk PA, Zhu M, Ashjian P. Human adipose tissue is a source of multipotent stem cells. Mol Biol Cell. 2002;13(12):4279–4295. doi: 10.1091/mbc. E02–02–0105
  13. Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. Cytotherapy. 2006;8(4):315–317. doi: 10.1080/14653240600855905
  14. Vasil’ev VS, Manturova NE, Vasil’ev SA, Teryushkova ZhI. Biological features of adipose tissue. Plastic Surgery and Aesthetic Medicine. 2019;2:33–42. EDN: FFFVTP doi: 10.17116/plast.hirurgia201902133
  15. Bandekar M, Maurya DK, Sharma D, Sandur SK. Preclinical studies and clinical prospects of Wharton’s Jelly-derived MSC for treatment of acute radiation syndrome. Curr Stem Cell Rep. 2021;7(2):85–94. doi: 10.1007/s40778-021-00188-4
  16. Kovalenko OA, Azzam EI, Ende N. Human umbilical cord blood mononucleated cells enhance the survival of lethally irradiated mice: dosage and the window of time. J Radiat Res. 2013;54(6):1010–1014. doi: 10.1093/jrr/rrt062
  17. Lee RH, Pulin AA, Seo MJ, et al. Intravenous hMSCs improve myocardial infarction in mice because cells embolized in lung are activated to secrete the anti-inflammatory protein TSG-6. Cell Stem Cell. 2009;5(1):54–63. doi: 10.1016/j.stem.2009.05.003
  18. Schmuck EG, Koch JM, Centanni JM, et al. Biodistribution and clearance of human mesenchymal stem cells by quantitative three-dimensional cryoimaging after intravenous infusion in a rat lung injury model. Stem Cells Transl Med. 2016;5(12):1668–1675. doi: 10.5966/sctm.2015-0379
  19. Payushina OV, Tsomartova DA, Chereshneva YV., et al. Regulatory effects of mesenchymal stromal cells on the development of liver fibrosis: Cellular and molecular mechanisms and prospects of clinical application. Journal of General Biology. 2020;81(1):83–95. doi: 10.31857/S0044459620020062
  20. Chinnapaka S, Yang KS, Samadi Y, et al. Allogeneic adipose-derived stem cells mitigate acute radiation syndrome by the rescue of damaged bone marrow cells from apoptosis. Stem Cells J. 2021;10(7):1095–1114. doi: 10.1002/sctm.20-0455
  21. Pinzur L, Akyuez L, Levdansky L, et al. Rescue from lethal acute radiation syndrome (ARS) with severe weight loss by secretome of intramuscularly injected human placental stromal cells. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2018;9(6):1079–1092. doi: 10.1002/jcsm.12342
  22. Maiborodin IV, Maslov RV, Mikheeva TV, et al. The distribution of multipotent mesenchymal stromal cells and their detritus throughout the organism after subcutaneous introduction. Journal of General Biology. 2020;81(1):96–107. EDN: JPTPXD doi: 10.31857/S0044459620020050
  23. Hu KX, Sun QY, Guo M, Ai HS. The radiation protection and therapy effects of mesenchymal stem cells in mice with acute radiation injury. British J Rad. 2010;83(985):52–58. doi: 10.1259/bjr/61042310

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Monolayer of stromal cells obtained from the adipose tissue of a laboratory mouse, incr. × 10

Download (950KB)
3. Fig. 2. Modification of stromal cells obtained from mouse adipose tissue during osteogenic differentiation into osteoblasts: a — incr. × 5; b — incr. × 20

Download (1MB)
4. Fig. 3. Calcium deposits in osteogenic differentiation of stromal cells obtained from mouse adipose tissue: a, b — control; c, d — cultivation in a differentiation medium, incr. × 10. Staining: a, c — alizarin red; b, d — by the von Koss method

Download (2MB)
5. Fig. 4. Survival curves of mice after total irradiation at a dose of 7.8 Gy without treatment (K) or with administration 24 h after irradiation of stromal cells isolated from mouse adipose tissue (MSC) in the amount of 30, 60, and 120 thousand cells/mouse: a — intravenous; b — intraperitoneal

Download (385KB)
6. Fig. 5. Body weight change in mice: intact (To biol), after irradiation at a dose of 7.8 Gy without treatment (To vol), or with the introduction of stromal cells isolated from mouse adipose tissue (MSC, 30, 60, and 120 thousand cells/mouse): a — intravenous; b — intraperitoneal. Differences compared to the K biol group: * — p < 0.001; ** — p < 0.01; *** — p < 0.05 (Mann – Whitney U criterion)

Download (535KB)
7. Fig. 6. Lung mass indices in intact mice of the biol group and on day 30 after irradiation at a dose of 7.8 Gy in the Kl group without treatment or with the introduction of MMSCs isolated from mouse adipose tissue (30, 60, and 120 thousand cells/mouse). Differences compared to the K biol group: * — p < 0.05 (Mann – Whitney U test)

Download (129KB)
8. Fig. 7. Mass indices of the spleen in intact mice (K biol) and on day 30 after irradiation at a dose of 7.8 Gy in the Kl group without treatment or with the introduction of MMSCs isolated from mouse adipose tissue (30, 60, and 120 thousand cells/mouse). Differences compared to the biol group: * — р < 0.01; ** — р < 0.05 (Mann – Whitney U test)

Download (129KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

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».