DNA DAMAGE RESPONSE OF EX-VIVO PORCINE EYE LENSES IN ORGAN-CULTURE AND IN-VITRO CULTURED LENS EPITHELIAL CELLS TO IONIZING RADIATION.

Astronauts on space missions, especially on long-term missions to Moon or Mars have a higher risk for the expression of radiation late effects such as cancer or sub-capsular cortical eye lens opacities. This is due to higher dose and different patterns of cellular energy deposition from high-linear-energy-transfer (LET) components of galactic cosmic radiation in space than that of terrestrial low-LET radiation on Earth. The eye lens is considered to be a radiation sensitive organ with radiation induced cataract to occur with a threshold absorbed dose of 0.5 Gy of sparsely ionizing radiation. For terrestrial occupational radiation lens exposure limit is set to yearly 20 mSv by the International Commission on Radiological Protection (1). Doses perceived by astronauts are much higher: in average 150 mSv per year on the International Space Station (ISS) and 1.2 to 1.4 mSv per day on Apollo and Skylab missions (2)

Kabinenluftqualität mit Schwerpunkt auf Geruchsereignissen – Eine Literaturstudie

Einleitung: Während eines Fume and Smell Events (FSE) können Dämpfe oder Gerüche ins Cockpit oder in die Flugzeugkabine gelangen. Insbesondere Kontaminationen der Zapfluft mit Triebwerks- oder Hydrauliköl werden mit vom fliegenden Personal berichteten vor allem neurologischen und/oder respiratorischen Symptomen während und / oder nach einem FSE in Verbindung gebracht. Zudem besteht Besorgnis über eine mögliche chronische Exposition mit toxischen Substanzen in der Kabinenluft. Fragestellungen: In dieser Studie wurde wissenschaftliche Literatur zu Ursachen von Gerüchen, Dampf- und Rauchentwicklung in Flugzeugen, zu chemischen Substanzen, die bei FSE in die Kabine gelangen könnten, zu einer möglichen Exposition von fliegendem Personal bei FSE, und zu akuten und chronischen Symptomen, die nach FSE-Exposition von fliegendem Personal im Kontext mit dem „aerotoxischen Syndrom“ beschrieben wurden und möglichen Ursachen, recherchiert und ausgewertet. Methodik: Durch eine orientierende Literaturrecherche wurde Suchstrings definiert und für eine systematische Recherche in den Literaturdatenbanken Medline, Web of Science und Scopus verwendet. Nach Import in eine Literaturdatenbank folgte ein Abstract- und Volltextscreening, eine Zuordnung zu den Fragestellungen und eine Bewertung der Evidenzklasse der Publikationen, die in Evidenztabellen mit einer zusammenfassenden Bewertung der Evidenzlage aufgelistet wurden. Ergebnisse: Die Häufigkeit von Kabinenluftereignissen wurde auf 1 Ereignis pro 2000-15.000 Flüge geschätzt. FSE können sich in allen Flugphasen ereignen, mit einer Häufung während Steig- und Reiseflug. Als Ursachen wurden u.a. Probleme mit der „Auxiliary Power Unit“ (APU), den Triebwerken, der Klimaversorgung/Environmental Control System (ECS), elektrischen Systemen und Küchengeräten, Kaffeemaschinen und Öfen identifiziert. Messflüge ergaben, CO, Ozon, volatile organic compounds (VOCs) und semi-volatile organic compounds (SVOCs) und Organophosphate im Normalbetrieb und bei vereinzelten Geruchsereignissen aktuelle Richt- oder Grenzwerte nicht überschreiten. Erhöhte CO₂-Konzentrationen und Partikelzählraten traten in der Taxiphase auf. Während des Reiseflugs sind die Konzentrationen von Luftkontaminanten aufgrund der hohen Luftwechselrate in der Flugzeugkabine meist gering und steigen gelegentlich durch Service und Passagieraktivitäten an. Die Beschreibung des durch FSE-ausgelösten Symptomkomplexes beruht im Wesentlichen auf Fall- und Fragebogen-Studien. Die in Expositionsstudien und nach versehentlicher Exposition beschriebenen Symptome zeigen eine gute Übereinstimmung mit einem Teil der durch Fragebogenstudien ermittelten akuten Symptome. Biomarker-Studien ergaben keinen Hinweis auf eine Organophosphatvergiftung. Genetische Variationen bei der Entgiftung wurden in einer Risikoabschätzung mit einem Faktor von 4000 als theoretischer maximaler Unterschied zwischen empfindlichen und unempfindlichen Individuen berücksichtigt. Die berichteten chronischen Symptome sind unspezifisch und divers und es bleibt unklar, ob die Symptome beim fliegenden Personal häufiger vorkommen als in der Allgemeinbevölkerung oder in anderen Berufsgruppen. Wenige Studien wiesen eine Kontrollgruppe auf und zeigten, dass Müdigkeit, Schlafstörungen und Depressionen von Flugbegleiterinnen häufiger berichtet wurden als von der Kontrollgruppe. Vereinzelte Studien mit neurologischer Untersuchung und psychometrischen Tests zeigten eine geringfügige Verschlechterung weniger Parameter. Des Weiteren wurden in kleinen Studien bei Betroffenen Veränderungen des Gehirns mit bildgebenden Verfahren gefunden, oder eine Erhöhung Nervensystem-spezifischer Auto-Antikörper im Serum. Die Bedeutung dieser morphologischen Veränderungen und der Auto-Antikörper im Krankheitsprozess und für die Diagnostik ist noch unklar. Schlussfolgerungen: Es lässt sich vermuten, dass in seltenen Fällen einer starken Kontamination der Zapfluft mit (pyrolysierten) Ölen CO, CO₂, Aldehyde und Feinstaub und ggf. weitere Substanzen ansteigen und akute Symptome wie Augen-, Nasen- und Rachenreizung, Schmerzen / Engegefühl in der Brust, Schwindel, Übelkeit, Erbrechen und Kopfschmerzen direkt oder indirekt verursachen können. Die Datenlage lässt eine Kausalitätsbewertung für mögliche chronische Symptome nicht zu. Dafür wäre u.a. ein Expositionsmonitoring des fliegenden Personals nach Identifikation geeigneter Markersubstanzen im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ohne Exposition gegenüber Kabinenluftkontaminanten erforderlich. Danksagung: Die Literaturstudie erfolgte mit freundlicher Unterstützung der BG Verkehr

Validation of biological recognition elements for signal transduction as first step in the development of whole cell biosensors

Choosing the proper combination of receptor element, cell type and measurable signal requires major consideration for developing cell-based biosensors. In order to use physiologically relevant cellular responses towards (geno)toxic conditions, information on the mechanism of action and of the expected outcome of exposure needs to be considered

Radiation Response of Murine Embryonic Stem Cells

To understand the mechanisms of disturbed differentiation and development by radiation, murine CGR8 embryonic stem cells (mESCs) were exposed to ionizing radiation and differentiated by forming embryoid bodies (EBs). The colony forming ability test was applied for survival and the MTT test for viability determination after X-irradiation. Cell cycle progression was determined by flow cytometry of propidium iodide-stained cells, and DNA double strand break (DSB) induction and repair by γH2AX immunofluorescence. The radiosensitivity of mESCs was slightly higher compared to the murine osteoblast cell line OCT-1. The viability 72 h after X-irradiation decreased dose-dependently and was higher in the presence of leukemia inhibitory factor (LIF). Cells exposed to 2 or 7 Gy underwent a transient G2 arrest. X-irradiation induced γH2AX foci and they disappeared within 72 h. After 72 h of X-ray exposure, RNA was isolated and analyzed using genome-wide microarrays. The gene expression analysis revealed amongst others a regulation of developmental genes (Ada, Baz1a, Calcoco2, Htra1, Nefh, S100a6 and Rassf6), downregulation of genes involved in glycolysis and pyruvate metabolism whereas upregulation of genes related to the p53 signaling pathway. X-irradiated mESCs formed EBs and differentiated toward cardiomyocytes but their beating frequencies were lower compared to EBs from unirradiated cells. These results suggest that X-irradiation of mESCs deregulate genes related to the developmental process. The most significant biological processes found to be altered by X-irradiation in mESCs were the development of cardiovascular, nervous, circulatory and renal system. These results may explain the X-irradiation induced-embryonic lethality and malformations observed in animal studies

Streamlining Culture Conditions for the Neuroblastoma Cell Line SH-SY5Y: A Prerequisite for Functional Studies

The neuroblastoma cell line SH-SY5Y has been a well-established and very popular in vitro model in neuroscience for decades, especially focusing on neurodevelopmental disorders, such as Parkinson’s disease. The ability of this cell type to differentiate compared with other models in neurobiology makes it one of the few suitable models without having to rely on a primary culture of neuronal cells. Over the years, various, partly contradictory, methods of cultivation have been reported. This study is intended to provide a comprehensive guide to the in vitro cultivation of undifferentiated SH-SY5Y cells. For this purpose, the morphology of the cell line and the differentiation of the individual subtypes are described, and instructions for cell culture practice and long-term cryoconservation are provided. We describe the key growth characteristics of this cell line, including proliferation and confluency data, optimal initial seeding cell numbers, and a comparison of different culture media and cell viability during cultivation. Furthermore, applying an optimized protocol in a long-term cultivation over 60 days, we show that cumulative population doubling (CPD) is constant over time and does not decrease with incremental passage, enabling stable cultivation, for example, for recurrent differentiation to achieve the highest possible reproducibility in subsequent analyses. Therefore, we provide a solid guidance for future research that employs the neuroblastoma cell line SH-SY5

The Use of ProteoTuner Technology to Study Nuclear Factor κB Activation by Heavy Ions

Nuclear factor κB (NF-κB) activation might be central to heavy ion-induced detrimental processes such as cancer promotion and progression and sustained inflammatory responses. A sensitive detection system is crucial to better understand its involvement in these processes. Therefore, a DD-tdTomato fluorescent protein-based reporter system was previously constructed with human embryonic kidney (HEK) cells expressing DD-tdTomato as a reporter under the control of a promoter containing NF-κB binding sites (HEK-pNFκB-DD-tdTomato-C8). Using this reporter cell line, NF-κB activation after exposure to different energetic heavy ions (¹⁶O, 95 MeV/n, linear energy transfer—LET 51 keV/µm; ¹²C, 95 MeV/n, LET 73 keV/μm; ³⁶Ar, 95 MeV/n, LET 272 keV/µm) was quantified considering the dose and number of heavy ions hits per cell nucleus that double NF-κB-dependent DD-tdTomato expression. Approximately 44 hits of ¹⁶O ions and ≈45 hits of ¹²C ions per cell nucleus were required to double the NF-κB-dependent DD-tdTomato expression, whereas only ≈3 hits of ³⁶Ar ions were sufficient. In the presence of Shield-1, a synthetic molecule that stabilizes DD-tdTomato, even a single particle hit of ³⁶Ar ions doubled NF-κB-dependent DD-tdTomato expression. In conclusion, stabilization of the reporter protein can increase the sensitivity for NF-κB activation detection by a factor of three, allowing the detection of single particle hits’ effects

Radiation Biology

Radiation biology is an interdisciplinary subject that describes the biological effects of ionizing radiations. It is based on studies in physics, chemistry, biology, and medicine

Improved cellular survival of bystander cells via NF-κB associated recovery after X-irradiation

Radiation-induced bystander effects (RIBE) are an acknowledged issue of radiation therapy. Radiation of tumor tissue has been shown to affect non-irradiated neighboring cells in a paracrine and endocrine manner. Transduction of bystander signaling though remains to be investigated in detail. A part of the transduction is the receptor-initiated activation of signaling pathways by secreted factors of the irradiated cell during irradiation damage response. This work focusses on the activation of the transcription factor Nuclear Factor kappaB (NF-kappaB) in bystander cells after irradiation. NF-kappaB is a well-known contributor to inflammatory processes like cyto- / chemokine production as well as to stress reactions such as the DNA damage response and cell cycle regulation. Using a mouse embryonic fibroblasts (MEF) in vitro model with a genetic knock-out of an NF-kappaB regulator (NEMO, NF-kappaB essential modulator), clonogenic survival and cell cycle distribution was determined in directly irradiated cells and in cells incubated with conditioned medium from X-irradiated cells (bystander treatment). Directly irradiated NEMO ko cells, plated for clonogenic survival immediately after X-irradiation, display the same dose-effect curve as the wildtype (wt) (a/b NEMO ko = 13.92 ± 2.4 vs. a/b wt = 12.37 ± 2.6). But when allowed to recover for 24 h, the wt cells show a broader shoulder in the curve (a/b = 3.5 ± 2.9), indicating a role of NF-kappaB in the repair of radiation induced DNA damages. Looking into the survival of bystander cells, the survival curves show a statistically different slope, with NEMO ko cells surviving better than wt cells (S16 Gy: NEMO ko = 1.66 vs wt = 0.83). The different behavior may correlate with NF-kappaB dependent DNA repair in bystander cells for NEMO ko and wt cells. Cell cycle analysis revealed a 6 hour delayed arrest in G2/M phase in directly irradiated NEMO ko cells compared to wt cells. This indicates that NF-kappaB regulated DNA repair pathways are important for recovery of radiation induced damages. Bystander NEMO ko show an even further delayed arrest at 48 h, while wt bystander cells show no G2/M arrest at all. This supports the assumption that damages have to overcome a certain threshold to be recognized as repair-worthy. As NF-kappaB has been reported to be involved in homologous recombination; cells with impairment in NF-kappaB pathways, such as NEMO ko, register damages caused by bystander treatment differently from wt cells. This leads to G2/M arrest extending time for repair in NEMO ko bystander cells