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X-ray irradiation triggers via ROS production a canonical Ca2+-dependent immune response in T-lymphocytes

Tandl, Dominique (2021):
X-ray irradiation triggers via ROS production a canonical Ca2+-dependent immune response in T-lymphocytes. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00015402,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: X-ray irradiation triggers via ROS production a canonical Ca2+-dependent immune response in T-lymphocytes
Language: English
Abstract:

For decades X-ray irradiation has been employed in cancer therapy for eliminating malignant cells. In this treatment however not only the tumor cells but also cells in the surrounding tissue and blood are unavoidably exposed to ionizing irradiation (IR). While the cellular and molecular effects of radiation on tumor cells are well studied the impact on the immune cells, which are located coincidentally in the blood vessels and the tumor environment, remain elusive. Because of this still existing knowledge gap the present work aims to uncover the effects of X-ray as a type of IR on immune cells, especially T-lymphocytes in the blood. The primary goal is to reveal early radiation-triggered events and to elucidate their downstream effects. The work is motivated by the idea that an understanding of intracellular reaction mechanisms will help to better assess the risks of radio-therapy for tumor patients. The focus on exposed immune cells bears the possibility that X-ray may generate antagonistic or even agonistic effects in these cells, which will help to improve radiation protocols. In the case of an agonistic, hermetic effect on immune cell it even opens the potential for combining radio-immune therapy for a successful cancer treatment. In previous studies it was shown that ionizing radiation can have beneficial effects on T-lymphocytes and stimulate an immune activation in these cells. In this scenario, redox and calcium signals serve as components in second messenger cascades where they cross react with the canonical signaling events that induce immune activation of T-cells. The latter is initiated by antigen binding to the T-cell receptor (TCR) located on the T-cell surface. This is followed by precisely regulated cytosolic calcium (Ca2+cyt) oscillations, which stimulate the nuclear translocation of the transcription factor nuclear factor of activated T-cells (NFAT) and therefore mediate specific immunological modulations. The data of the current study corroborate results from previous investigations that exposing T-lymphocytes to X-ray doses between 0.1 and 5 Gy triggers an intracellular ROS/Ca2+-dependent signaling cascade in Jurkat T-cells and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). The first resolvable events of the IR-triggered pathway are a transient increase in mitochondrial and cytosolic ROS over the first 1-20 minutes after exposure. This is followed after a lack time, within a large variation of 10-80 min after irradiation by long-lasting (>3 h) Ca2+ oscillations with a highly conserved frequency (˜3 mHz) and a dose-dependent amplitude. The Ca2+ signaling cascade involves a clustering of STIM/Orai proteins forming Ca2+-release activated Ca2+ (CRAC) channels, which in turn activates Ca2+-induced Ca2+-release (CICR). As a downstream consequence of the dynamic Ca2+ changes in the cytosol the transcription factor NFAT is translocating from the cytosol into the nucleus approximately 50 min post radiation exposure. As result of the nuclear NFAT shuffling the expression of different T-cell activation markers including the cytokines interleukin-2 and interferon-γ can be detected 24 h post irradiation with a significant expression increase compared to unirradiated controls. The X-ray triggered signaling events are similar to those observed in naïve T-lymphocytes after TCR immune stimulation. This similarity is further highlighted by the fact that not only the key molecules, which are involved in the signaling cascades are identical, but also the dynamics of the events. This includes the delay times between stimulation and onset of Ca2+ oscillations and NFAT translocation as well as the highly conserved frequency of calcium oscillations. In conclusion the present data underscore the assumption that X-ray exposure of T-cells to clinically relevant doses induce an immunological stimulation of these cells via an activation of the same signaling cascade that is also elicited by TCR stimulation. This agonistic effect of X-ray exposure on T-cells might in the future foster therapy approaches which combine the effects of radiation with immunotherapy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Seit Jahrzehnten wird die Röntgenbestrahlung in der Krebstherapie zur Eliminierung bösartiger Zellen eingesetzt. Bei dieser Behandlung werden jedoch nicht nur die Tumorzellen, sondern auch Zellen im umliegenden Gewebe und im Blut zwangsläufig einer ionisierenden Bestrahlung (IR) ausgesetzt. Während die zellulären und molekularen Auswirkungen der Bestrahlung auf die Tumorzellen gut untersucht sind, bleiben die Auswirkungen auf Immunzellen, die sich zufällig in den Blutgefäßen und der unmittelbaren Umgebung des Tumors befinden, unklar. Aufgrund dieser noch vorhandenen Wissenslücke besteht das Ziel der vorliegenden Arbeit daraus, die Auswirkungen von Röntgenstrahlung als eine Art von IR auf Immunzellen, insbesondere T-Lymphozyten, aufzudecken. Der Fokus liegt darauf, frühe durch Strahlung ausgelöste Ereignisse aufzudecken und ihre nachfolgenden intrazellulären Effekte aufzuklären. Die Arbeit motiviert durch die Annahme, dass ein Verständnis der intrazellulären Reaktionsmechanismen dazu beitragen wird, die Risiken der Strahlentherapie für Tumorpatienten besser einschätzen zu können. Die Fokussierung auf exponierte Immunzellen birgt die Möglichkeit, dass Röntgenstrahlen antagonistische oder sogar agonistische Effekte auf diese Zellen erzeugen können, was zu einem verbesserten Ansprechen der Patienten auf die Bestrahlungsprozesse führen kann. Im Falle einer agonistischen, hormetischen Wirkung auf Immunzellen eröffnet sie sogar die Möglichkeit, die Radio- und Immuntherapie für eine erfolgreiche Krebsbehandlung zu kombinieren. In früheren Studien wurde gezeigt, dass ionisierende Strahlung vorteilhafte Wirkungen auf T-Lymphozyten haben und eine Immunaktivierung in diesen Zellen stimulieren kann. In diesem Szenario dienen Redox- und Calciumsignale als Komponenten in second messenger-Kaskaden, die identisch zu kanonischen Signalereignissen, die eine Immunaktivierung in den T-Zellen verlaufen. Letztere wird durch eine Antigenbindung an den T-Zell-Rezeptor (TCR), der sich auf der T-Zell-Oberfläche befindet, ausgelöst. Darauf folgen präzise regulierte cytosolische Calcium-(Ca2+cyt) Oszillationen, die eine nukleare Translokation des Transkriptionsfaktors nuclear factor of activated T-cells (NFAT) stimulieren und damit spezifische immunologische Modulationen vermitteln. Die Daten der aktuellen Studie bestätigen Ergebnisse früherer Untersuchungen, dass die Exposition von T-Lymphozyten mit Röntgendosen zwischen 0,1 und 5 Gy eine intrazelluläre ROS/Ca2+-abhängige Signalkaskade in Jurkat T-Zellen und peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) auslöst. Die ersten auflösbaren Ereignisse des IR-getriggerten Signalwegs sind ein transienter Anstieg der cytosolischen und mitochondrialen ROS in den ersten Minuten nach der Exposition. Darauf folgen nach einer Latenzzeit von einigen Minuten langanhaltende (>3 h) Ca2+-Oszillationen mit einer hochkonservierten Frequenz (˜3 mHz) und einer dosisabhängigen Amplitude. Die Ca2+-Signalkaskade umfasst eine Anhäufung von STIM/Orai-Proteinen, die Ca2+-freisetzungsaktivierte Ca2+-Kanäle (CRAC) bilden, die wiederum die Ca2+-release activated Ca2+ (CICR) aktivieren. Als stromabwärts gerichtete Folge der dynamischen Ca2+-Änderungen im Cytosol migriert der Transkriptionsfaktor NFAT etwa 50 Minuten nach der Bestrahlung vom Cytosol in den Kern. Als Ergebnis dieser Translokation kann 24 h nach der Bestrahlung die Expression verschiedener T-Zell-Aktivierungsmarker, einschließlich der Zytokine Interleukin-2 und Interferon-γ nachgewiesen werden. Die nachgewiesenen durch Röntgenstrahlen ausgelösten Signalereignisse sind nahezu identisch zu denen, die bei naiven T-Lymphozyten nach TCR-Immunstimulation beobachtet werden. Diese Ähnlichkeit wird noch dadurch unterstrichen, dass nicht nur die Schlüsselmoleküle, die an den Signalkaskaden beteiligt sind, identisch sind, sondern auch die Dynamik der Prozesse. Dazu gehören die Latenzzeiten zwischen IR-Stimulation und Beginn der Ca2+-Oszillationen und der NFAT-Translokation sowie die hochkonservierte Frequenz der Calcium-Oszillationen. Zusammenfassend unterstreichen die vorliegenden Daten die Annahme, dass die Röntgenbestrahlung von T-Zellen mit klinisch relevanten Dosen eine immunologische Stimulation dieser Zellen über eine Aktivierung derselben Signalkaskade induziert, die auch durch TCR Bindung hervorgerufen wird. Diese agonistische Wirkung der Röntgenbestrahlung auf T-Zellen könnte in Zukunft Therapieansätze fördern, die die Effekte der Bestrahlung mit einer Immuntherapie kombinieren.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 135 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Plant Membrane Biophysics
Date Deposited: 26 Feb 2021 15:03
Last Modified: 26 Feb 2021 15:03
DOI: 10.26083/tuprints-00015402
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-154022
Referees: Thiel, Prof. Dr. Gerhard ; Löwer, Prof. Dr. Alexander
Refereed: 22 January 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/15402
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