The Effects of Irradiation, Hyper-, and Hypothermia on Viability and Cytotoxicity of Natural Killer Cells

Abstract

Luonnolliset tappajasolut (NK solut) ovat osa luonnollista immuniteettia ja erittäin tärkeitä ensilinjan torjunnassa jo olemassa olevia sekä juuri sytyneitä syöpäsoluja vastaa. NK solujen toimintaan vaikuttaa suuri joukko tekijöitä, mukaan lukien sytokiinit, kuten interferon α, β ja γ (IFN α, β ja γ) ja interleukin-2 (IL-2). Useimmat syövän hoidossa käytetyt menetelmät vaikuttavat eri tavoilla NK solujen elossaolon ja kykyyn tappaa syöpäsoluja eli sytotoksisuuteen. Vaikutukset voivat olla aktivoivia taikka estäviä. Tässä koesarjassa tutkittiin säde-, immunologisten ja lämpöhoitojen sekä näiden yhdistelmien vaikutuksia NK soluihin in vitro. Yksi tutkimuksen tarkoituksista oli selvittää mahdollisuuksia estää, minimoida taikka palauttaa sädetyksen ja hypertermian aiheuttamia vaurioita NK soluihin käyttäen IFN α, β ja γ sekä IL-2. K-562 soluja käytettiin kohdesoluina. NK ja K-562 solujen elossaolokykyä ja NK solujen sytotoksisuutta mitattiin eri menetelmillä.

Näiden tutkimusten mukaan NL solujen eristysmenetelmät vaikuttivat saatujen solupopulaatioiden puhtauteen, elossaoloon ja sytotoksisuuteen. Matalat ja keskimääräiset sädeannokset aktivoivat NK solujen sytotoksisuutta. Korkeammat sädeannokset laskivat sitä annoksesta riippuvalla tavalla. Elossaolokyvyn ja sytotoksisuuden toipumista ei havaittu. Erilaiset sädebiologiset mallinnukset heijastivat parhaiten eri osia sädetyksen annos-vaste käyrissä. Lineaaris-neliöllisen mallin mukaan NK solut kuuluvat akuutisti reagoiviin solutyyppeihin, joissa α tyyppi dominoi. Fraktioitu sädetys tuotti vaihtelevia tuloksia elossaolo- ja sytotoksisuustutkimuksissa. IL-2 lisäsi sädetettyjen NK solujen sytotoksisuutta annoksesta riippuvalla tavalla, kun taas itereferonit eivät aiheuttaneet merkittäviä muutoksia. Ne jopa lisäsivät NK solujen sädeherkkyyttä muutamissa tilanteissa. Lämpötilatutkimuksissa NK solujen sytotoksisuudessa ei havaittu merkittäviä eroja välillä 31°C-41°C. Erittäin dramaattinen sytotoksisuuden lasku todettiin välillä 41C° ja 42° C. Alentunut sytotoksisuus palautui lämpötilasta ja lämmitysajasta riippuvalla tavalla, etupäässä 24 tunnin aikana. IL-2 palautti NK solujen sytotoksisuutta, jopa selvästi yli käsittelemättömien kontrollien IL-2 pitoisuudesta ja inkubaatioajasta riippuen. Tulos oli samanlainen riippumatta siitä, käytettiinkö IL-2 ennen lämpökäsittelyä, sen aika taikka sen jälkeen. Interferoneilla ei tällaista annoksesta taikka antoajankohdasta riippuvaa ominaisuutta havaittu.

Sädetyksen ja hypertermian yhdistelmän vaikutukset NK solujen sytotoksisuuteen olivat samat riippumatta siitä, missä järjestyksessä ne annettiin. IL-2 palautti merkitsevästi sädetyksen ja hypertermian aihettamien sytotoksisuuden vaurioita. Teho oli merkitsevästi parempi, jos IL-2 annettin ennen tätä yhdistelmää. Kliinisessä sädehoidossa yleisesti käytetty päivittäinen 2 Gy annos ei vähennä NK solujen sytotoksisuutta vaan päinvastoin, lisää sitä. Kirjallisuustietojen mukaan myös vivo kuumeilun tasoinen hypertermia aktivoi NK soluja, samoin kuin IL-2, joka lisää NK solujen sytotoksisuutta in vitro ja in vivo annoksesta riippuvalla tavalla. Täten, teoreettiselta kannalta katsoen, olisi mahdollista hoitaa syöpäpotilaita sädehoidon, paikallisen taikka koko kehon hypertermian ja IL-2 yhdistelmällä. Tällaisista tutkimuksista ei tähän mennessä raportoitu. Kuitenkin, immunologisen systeemin tavaton monimutkaisuus, sytöpäsolujen muuntautumiskyky ja niiden ympäristön vaihtelevuus tekevät vaikeaksi ennustaa kliinisiä tuloksia in vitro saatujen tulosten perusteella.

Natural killer (NK) cells are a component of the innate immune system. These cells act as a first line of defense against existing and de novo developing tumor cells. The functions of NK cells are regulated by various factors, including cytokines such as interferon (IFN)-α, -β and -γ and interleukin-2 (IL-2). Most cancer therapies affect the activation or inhibition of NK cells in different ways, including alterations in NK cell viability and cytotoxicity against tumor cells. In this present investigation, the effects of radiation, immunological and thermal treatments, administered alone or in combinations, on NK cells were studied in vitro. This study aimed to explore the potential to minimize, prevent, or restore damage induced by irradiation and hyperthermia to NK cells using IFN-α, -β, or -γ or IL-2. K-562 cells were used as target cells, and the viability of NK and K-562 cells along with NK cell cytotoxicity were measured using several methods.

The findings of these studies indicated that NK cell enrichment methods influenced the purity, viability and cytotoxicity of the NK cell populations that were isolated. Low to medium size irradiation doses activated NK cell cytotoxicity, whereas higher doses reduced it in a dose-dependent manner. No recovery was detectable, and different radiobiological models described best different segments on a radiation dose-effect curve. According to the linear-quadratic model, NK cells are of the acute reacting tissue type with α dominance.

Fractionated radiation demonstrated variable effects on the viability and cytotoxicity of NK cells. IL-2 increased the cytotoxicity of irradiated NK cells in a concentration-dependent manner, whereas IFNs demonstrated mostly insignificant changes. In some contexts, IFNs increased the radiation sensitivity of NK cells. In thermal studies, the cytotoxicity of NK cells showed no significant changes between 31°C and 41°C. However, between 41°C and 42°C, a dramatic reduction in cytotoxicity was observed. The cytotoxicity of NK cells recovered in a temperature- and heating time-dependent manner, mainly over the first 24 h. IL-2 could restore NK cell cytotoxicity in a concentration- and incubation time-dependent manner to levels that even exceeded those in untreated controls. This elevation was observed when IL-2 was used either before, during, or after thermal treatment. IFNs demonstrated no dose- or schedule-dependent effects. The combination of radiation and hyperthermia or vice versa showed equal effects on the NK cell cytotoxicity. IL-2 could significantly restore the impaired cytotoxicity induced by these combinations. Additionally, IL-2 was significantly more potent when administered before the combined radiation and thermal treatment. A radiation dose of 2 Gy, which is similar to a daily dose used at the clinic did not damage but instead enhanced NK cell cytotoxicity in vitro. It is known that hyperthermia in the range of a fever has the same effect in vivo. IL-2 activates cytotoxicity in a dose-dependent manner in vitro and in vivo. Thus, in theory, it should be possible to treat cancer patients using a combination of radiation, either local or whole body hyperthermia, and IL-2. As of now, no such treatment results have been published. However, the immense complexity of the immune system and changes in both tumor cells and the tumor microenvironment make it difficult to predict clinical results based on in vitro findings.