碳离子脑部照射对海马认知损害的风险评估及相应神经发生微环境变化的机制研究

Novel Carbon-ion radiotherapy can be an effective treatment strategy for primary or metastatic brain tumors. However, whether brain irradiation using carbon ion therapy causes cognitive deficit in patients, which has been a long-lasting urgent but unresolved problem in the field of traditional radiation therapy, is unknown. Our previous studies have showed clearly that whole brain irradiation using electron beams resulted in short-term spatial learning and memory impairment in rats. Based on our previous results, we propose here to further investigate the risk of carbon ion-induced cognitive deficit in rats. We plan to simulate the deposited dose in the rats' normal brain tissues using Monte Carlo simulation, then evaluate whether the doses will cause cognitive deficit in irradiated rats using behavioral tests. We will be aimed to find biomarkers for radiation-induced neurogenesis inhibition and cognitive deficit by miRNA array on the hippocampal tissues and the exosomes from cerebrospinal fluid of irradiated rats. Moreover, using the concept of radiation-induced bystander effects, we will explore the roles of neurogenic niches in radiation-induced neurogenesis inhibition from the angle of intercellular communication by investigating how irradiated astrocytes and cerebral endothelial cells, two important factors of neurogenic niches, affect neural stem/progenitor cells in vitro. In addition, we will explore the contribution of irradiated tumors to radiation-induced cognitive deficit by investigating how irradiated tumors affect neurogenesis, the two important factors of neurogenic niches mentioned above and neural stem/progenitor cells in vivo and in vitro. The research results may have implications in evaluating the risk of carbon ion-induced cognitive deficit and developing preventive and treatment measures.

新兴碳离子治疗为原发或转移性脑肿瘤的治疗提供了利器，但碳离子脑部照射治疗是否会导致放射性认知障碍却不明确。申请人前期结果表明电子线全脑照射可引起大鼠短时空学习和记忆损害，本项目拟在此基础上，通过Monte Carlo模拟计算碳离子Bragg峰前后区域在正常脑组织沉积的剂量，采用行为学实验评估这些剂量是否会导致大鼠认知损害，通过鼠海马组织和脑脊髓液外泌体miRNA芯片分析寻找能预测放射性海马神经发生受抑制及认知损害的生物标志物，并借鉴电离辐射旁效应概念，在体外从胞间通讯角度即神经发生微环境重要元素星形神经胶质细胞和脑血管内皮细胞受照后对神经干/前体细胞的影响来探索神经发生微环境对放射性神经发生受抑制的作用，最后通过体内外实验研究受照肿瘤对神经发生及对微环境元素和神经干/前体细胞的影响来揭示受照肿瘤对放射性神经认知障碍的贡献。结果可为评估碳离子脑部照射治疗的潜在危害和研发防护措施提供理论依据。

包括碳离子治疗在内的放疗技术的发展显著提高了原发性和转移性脑肿瘤及头颈部肿瘤患者的生存期，然而却有临床数据表明，接受脑部放疗的患者可能面临因放射性脑损伤如认知障碍等带来的生活质量下降的问题。目前尚无预测方法和防治手段，其原因在于我们对放射性脑损伤的发生机制仍旧不全面和不深入。本项目从电离辐射旁效应角度重点研究了放射导致的神经发生微环境的变化是否对放射性认知障碍具有贡献，并且探索预测放射性认知障碍的生物标志物，寻找放射性脑损伤的防治靶点。重要结果如下：1、由肿瘤细胞、血管内皮细胞和小胶质细胞等组成的神经发生微环境的变化可通过对神经发生的影响进而贡献于放射性认知障碍。其中受照脑胶质瘤细胞U251和GL261、血管内皮细胞bEnd.3和小胶质细胞BV2都可通过电离辐射旁效应抑制神经干细胞的干性、成球能力及分化。并且受照GL261细胞的旁效应因子可通过其分泌的外泌体进行传输。将受照GL261细胞分泌的外泌体注射到小鼠海马区后，小鼠在Morris水迷宫实验中表现出较注射未受照细胞分泌的外泌体的小鼠更低的认知能力，且其海马DG区颗粒层和颗粒下层的新生细胞及新生成熟神经元的数量均更低，表明受照肿瘤细胞可通过释放有害的旁效应因子抑制小鼠的神经发生，从而引发认知障碍。这些结果从神经发生微环境的角度证实了神经发生抑制在放射性认知障碍中的重要贡献，首次提供了电离辐射旁效应在放射性脑损伤中发挥作用的体内证据。2、接受碳离子照射的肿瘤细胞的子代细胞尽管表现出持续的损伤，但其对未受照神经干细胞不产生明显影响，因而对放射性认知障碍的发生可能并无贡献。3、筛选到一个新颖的防治靶点Reprimo（RPRM），揭示出RPRM在放射性脑损伤的发生中的重要作用及其相关分子机制。RPRM是P53的一个靶基因，参与P53依赖的G2/M周期阻滞。本研究首次发现了RPRM通过调控ATM的出核降解抑制细胞在受照后的DNA损伤修复，从而决定细胞的放射敏感性。而敲出RPRM可以有效地延迟小鼠死亡，降低放射在造血系统、肠道系统和神经系统的损伤。这些结果为开发以RPRM为靶点的新型肿瘤细胞增敏剂和正常组织辐射防护剂奠定了坚实的基础。

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