Anti-tumor effect of high doses of carbon ions and x-rays during irradiation of Ehrlich ascites carcinoma cells ex vivo

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The effect of carbon ions (12C) with the energy of 400 MeV/nucleon on the dynamics of induction and growth rate of solid tumors in mice under irradiation of Ehrlich’s ascites carcinoma cells (EAC) ex vivo at doses of 5–30 Gy relative to the action of equally effective doses of X-ray radiation was studied. The dynamics of tumor induction under the action of 12C and X-rays had a similar character and depended on the dose during 3 months of observation. The value of the latent period, both when irradiating cells with 12C and X-ray, increased with increasing dose, and the interval for tumor induction decreased. The rate of tumor growth after ex vivo irradiation of EAC cells was independent of either dose or type of radiation. The dose at which EAC tumors are not induced within 90 days was 30 Gy for carbon ions and 60 Gy for X-rays. The value of the relative biological effectiveness of carbon ions, calculated from an equally effective dose of 50% probability of tumors, was 2.59.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. E. Balakin

P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: belyakovata@lebedev.ru

Corresponding Member, Branch “Physical-Technical Center” 

Russian Federation, Protvino

Т. А. Belyakova

P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: belyakovata@lebedev.ru

Branch “Physical-Technical Center”

Russian Federation, Protvino

О. М. Rozanova

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: belyakovata@lebedev.ru
Russian Federation, Pushchino

E. N. Smirnova

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: belyakovata@lebedev.ru
Russian Federation, Pushchino

N. S. Strelnikova

P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: belyakovata@lebedev.ru

Branch “Physical-Technical Center”

Russian Federation, Protvino

Е. А. Кузнецова

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: belyakovata@lebedev.ru
Russian Federation, Pushchino

References

  1. Yamada S., Takiyama H., Isozaki Y., et al. Carbon-ion Radiotherapy for Colorectal Cancer // J. Anus. Rectum Colon. 2021. V. 5. № 2. P. 113–120.
  2. Malouff T.D., Mahajan A., Krishnan S., et al. Carbon Ion Therapy: A Modern Review of an Emerging Technology// Front. Oncol. 2020. V. 10:82.
  3. Durante M., Debus J., Loeffler J.S. Physics and biomedical challenges of cancer therapy with accelerated heavy ions // Nat. Rev. Phys. 2021. Vol. 3. № 12. P. 777—790.
  4. Desouky O., Zhou G. Biophysical and radiobiological aspects of heavy charged particles // Journal of Taibah University for Science. 2015. Vol. 10. P. 187–194.
  5. Saager M., Glowa C., Peschke P., et al. Split dose carbon ion irradiation of the rat spinal cord: Dependence of the relative biological effectiveness on dose and linear energy transfer // Radiotherapy and oncology: journal of the European Society for Therapeutic Radiology and Oncology. 2015. Vol. 117. P. 358–363.
  6. Elsasser T., Weyrather W.K., Friedrich T., et al. Quantification of the relative biological effectiveness for ion beam radiotherapy: direct experimental comparison of proton and carbon ion beams and a novel approach for treatment planning // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2010. Vol. 78. P. 1177–1183.
  7. Batlle E., Clevers H. Cancer stem cells revisited // Nat. Med. 2017. Vol. 23. P. 1124–1134.
  8. Dzobo K., Senthebane D.A., Ganz C., et al. Advances in therapeutic targeting of cancer stem cells within the tumor microenvironment: an updated review // Cells. 2020. Vol. 9, № 8.
  9. Chang L., Graham P., Hao J., et al. Cancer stem cells and signaling pathways in radioresistance // Oncotarget. 2016. Vol. 7. № 10. P. 11002–11017.
  10. Mishra S., Tamta A.K., Sarikhani M., et al. Subcutaneous Ehrlich ascites carcinoma mice model for studying cancer-induced cardiomyopathy // Scientific reports. 2018. Vol. 8. № 1. Published 2018 Apr 4.
  11. Balakin V.E., Rozanova O.M., Smirnova E.N., et al. Growth induction of solid Ehrlich ascitic carcinoma in mice after proton irradiation of tumor cells ex vivo // Doklady Biochemistry and biophysics. 2023. Vol.511. № 1. P. 151–155.
  12. Заичкина С.И., Розанова О.М., Смирнова Е.Н. и др. Оценка биологической эффективности ускоренных ионов углерода с энергией 450 МэВ/нуклон в ускорительном комплексе У-70 по критерию выживаемости мышей // Биофизика. 2019. Т. 64. № 6, С. 1208–1215.
  13. Koch R.A., Boucsein M., Brons S., et al. A time-resolved clonogenic assay for improved cell survival and RBE measurements // Clinical and translational radiation oncology. 2023. Vol. 42.
  14. Brownstein J.M., Wisdom A.J., Castle K.D., et al. Characterizing the potency and impact of carbon ion therapy in a primary mouse model of soft tissue sarcoma // Mol. Cancer Ther. 2018. Vol. 17. № 4. P. 858–868.
  15. Sai S., Wakai T., Vares G., et al. Combination of carbon ion beam and gemcitabine causes irreparable DNA damage and death of radioresistant pancreatic cancer stem-like cells in vitro and in vivo // Oncotarget. 2015. Vol. 6. № 8. P. 5517–5535.
  16. Комарова Л.Н., Мельникова А.А., Балдов Д.А. Синергические эффекты комбинированного действия ионов углерода и химиопрепарата доксорубицин на раковых клетках линии HeLa // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2021. № 3, С. 158–168.
  17. Glowa C., Karger C.P., Brons S., et al. Carbon ion radiotherapy decreases the impact of tumor heterogeneity on radiation response in experimental prostate tumors // Cancer Letters. 2016. Vol. 378. № 2. P. 97–103.
  18. Chiblak S., Tang Z., Campos B., et al. Radiosensitivity of patient-derived glioma stem Cell 3-dimensional cultures to photon, proton, and carbon irradiation. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2016. Vol. 95. № 1. P. 112–119.
  19. Sai S., Suzuki M., Kim E.H., et al. Effects of carbon ion beam alone or in combination with cisplatin on malignant mesothelioma cells in vitro // Oncotarget. 2017. Vol. 9. № 19. P. 14849–14861.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dynamics of the appearance of tumors in mice after inoculation of ACE cells irradiated with: (a) carbon ions in the dose range of 5–30 Gy; (b) RI in doses of 20–60 Gy.

Download (165KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dynamics of tumor growth in mice after inoculation of a suspension of ACE cells irradiated with 12C: (a) average relative tumor volumes depending on the days after tumor appearance; (b) The data in (a) are presented as the number of days for the tumor volume to increase 5 times the first measured volume. Volumes are normalized to the first measured volume ≥0.40 cm3. Statistical significance from the control group was assessed using the Mann–Whitney U test (* p ≤ 0.01).

Download (119KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dynamics of tumor growth in mice after inoculation of a suspension of ACE cells irradiated with RR: (a) average relative tumor volumes depending on the days after tumor appearance; (b) The data in (a) are presented as the number of days for tumor volume to increase fivefold from the first volume measured. Volumes are normalized to the first measured volume ≥0.40 cm3. Statistical significance from the control group was assessed using the Mann–Whitney U test (* p ≤ 0.01).

Download (125KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the number of mice without tumors on the dose of 12C and RI 90 days after inoculation of irradiated cells.

Download (49KB)
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».