Введение

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2021-20-3-56-66

oncotomsk-1809

Research Article

ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

LABORATORY AND EXPERIMENTAL STUDIES

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ БОР-НЕЙТРОНОЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ НА РАЗЛИЧНЫЕ ОПУХОЛЕВЫЕ И НОРМАЛЬНУЮ КЛЕТОЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ

ASSESSMENT OF THE EFFECT OF BORON NEUTRON CAPTURE THERAPY ON TUMOR CELL LINES AND PRIMARY EMBRYONIC CELL CULTURE

https://orcid.org/0000-0002-9220-8663

Каныгин

В. В.

Kanygin

V. V.

кандидат медицинских наук, доцент, заведующий лабораторией МБП БНЗТ

SPIN-код: 4211-2417. Author ID (Scopus): 54408472800

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

MD, PhD, Assistant Professor, Head of Medical Biological Laboratory,

Author ID (Scopus): 54408472800

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

kanigin@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-6641-9344

Касатова

А. И.

Kasatova

A. I.

младший научный сотрудник; младший научный сотрудниклаборатории МБП БНЗТ

SPIN-код: 4452-1477. Author ID (Scopus): 54408472800

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 11

Junior Researcher, Medical Biological Laboratory

Author ID (Scopus): 54408472800

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

11, Lavrentiev Ave., 630090, Novosibirsk, Russia

yarullinaai@yahoo.com

https://orcid.org/0000-0002-6756-1457

Разумов

И. А.

Razumov

I. A.

доктор биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории генетики лабораторных животных; старший научный сотрудник лаборатории МБП БНЗТ

SPIN-код: 6537-9019. Researcher ID (WOS): X-1783-2019. Author ID (Scopus): 7003465369

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева,10

DSc, Senior Researcher, Laboratory of Genetics of Laboratory Animals; Senior Researcher, Medical Biological Laboratory

Researcher ID (WOS): X-1783-2019. Author ID (Scopus): 7003465369

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

10, Lavrentiev Ave., 630090, Novosibirsk, Russia

https://orcid.org/0000-0002-9412-3874

Завьялов

Е. Л.

Zavyalov

E. L.

кандидат биологических наук, заведующий ЦКП «SPF»-виварий, старший научный сотрудник лаборатории МБП БНЗТ

SPIN-код: 5251-0923 Researcher ID (WOS): X-2415-2019. Author ID (Scopus): 26321256500.

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева,10

PhD, Senior Researcher, Medical Biological Laboratory

Researcher ID (WOS): X-2415-2019. Author ID (Scopus): 26321256500

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

10, Lavrentiev Ave., 630090, Novosibirsk, Russia

https://orcid.org/0000-0001-8763-2905

Кичигин

А. И.

Kichigin

A. I.

младший научный сотрудник лаборатории МБП БНЗТ

SPIN-код: 4321-2422. Researcher ID (WOS): N-7302-2017. Author ID (Scopus): 57189322552

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Junior Researcher, Medical Biological Laboratory

Researcher ID (WOS): N-7302-2017. Author ID (Scopus): 57189322552

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

https://orcid.org/0000-0002-5558-3229

Мухамадияров

Р. А.

Mukhamadiyarov

R. A.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник; научный сотрудник лаборатории, МБП БНЗТ

SPIN-код: 87474. Researcher ID (WOS): H-7668-2017. Author ID (Scopus): 56532504300

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Россия, 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, 6

PhD, Senior Researcher; Researcher, Medical Biological Laboratory

Researcher ID (WOS): H-7668-2017. Author ID (Scopus): 56532504300

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

6, Sosnovy Ave., 650002, Kemerovo, Russia

https://orcid.org/0000-0002-5313-2563

Таскаев

С. Ю.

Taskaev

S. Yu.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник; заведующий лабораторией БНЗТ

SPIN-код: 7717-9560. Researcher ID (WOS): D-8479-2016

Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 11

DSc, Leading Researcher; Head of Medical Biological Laboratory

Researcher ID (WOS): D-8479-2016

2, Pirogov Street, 630090, Novosibirsk, Russia

11, Lavrentiev Ave., 630090, Novosibirsk, Russia

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»РоссияNovosibirsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»; ФГБНУ «Институт ядерной физики им. Г.И. Будкеpа» СО РАНРоссияInstitute of Nuclear Physics; Novosibirsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»; ФГБНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики» СО РАНРоссияInstitute of Cytology and Genetics; Novosibirsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»; ФГБНУ «ФИЦ Институт цитологии и генетики» СО РАНРоссияNovosibirsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»; Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases; Novosibirsk State UniversityRussian Federation

ФГАОУ ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»; ФГБНУ «Институт ядерной физики им. Г.И. Будкеpа» СО РАНРоссияNovosibirsk State University; Institute of Nuclear PhysicsRussian Federation

2021

28062021

2035666

2021

Каныгин В.В., Касатова А.И., Разумов И.А., Завьялов Е.Л., Кичигин А.И., Мухамадияров Р.А., Таскаев С.Ю.

Kanygin V.V., Kasatova A.I., Razumov I.A., Zavyalov E.L., Kichigin A.I., Mukhamadiyarov R.A., Taskaev S.Y.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/1809

Введение

Введение. В институте ядерной физики им. Г.и. Будкера СО РАн был сконструирован источник нейтронов ускорительного типа с параметрами потока, позволяющими проводить эксперименты по бор-нейтронозахватной терапии (БнЗТ). В основе БнЗТ лежит микроядерная реакция внутри клетки, возникающая в результате поглощения нейтрона стабильным изотопом 10B.

Целью исследования явилось определение влияния БнЗТ на опухолевые клеточные линии и на первично-перевиваемую эмбриональную линию с использованием борфенилаланина (BPa), боркаптата (BsH) и липосомального боркаптата в качестве препаратов бора.

Материал и методы

Материал и методы. клеточные культуры человека: глиобластома (u87), колоректальная аденокарцинома человека (sW-620), меланома человека (sK-Mel28) и первичная эмбриональная клеточная линия были облучены потоком нейтронов в присутствии препаратов бора с концентрацией 10В 40 мкг/мл.

Результаты

Результаты. Ранних цитотоксических эффектов облучения (через 2–4 ч) в отношении всех 4 линий клеток при окрашивании трипановым синим обнаружено не было. По данным МТТ и клоногенного тестов наиболее выраженное снижение выживаемости после БнЗТ было отмечено для линий sW-620 и u87 вне зависимости от используемого препарата доставки бора. Для линии sK-Mel28 наилучший цитотоксический эффект был достигнут при облучении с липосомальным боркаптатом. Для первично-перевиваемой эмбриональной линии была выявлена высокая токсичность при проведении БнЗТ с препаратами борфенилаланина и боркаптата.

Выводы

Выводы. Анализ полученных данных указывает на эффективность воздействия БнЗТ, проводимой на источнике нейтронов ускорительного типа иЯФ СО РАн, на опухолевые линии глиобластомы, колоректальной аденокарциномы и меланомы при использовании препаратов борфенилаланин, боркаптат и липосомальный боркаптат

Introduction

Introduction. Boron neutron capture therapy (bnct) is a promising method for treating tumors, in particular, infiltrative malignant tumors, due to the selective destruction of tumor cells without damaging the surrounding normal tissues. This type of therapy is based on nuclear reaction of neutron capture by stable 10b isotope. For the successful implementation of bnct, boron delivery drugs that must be selectively accumulated in malignant cells in a sufficient amount, and a neutron source with the energy required for the neutron capture reaction are needed. At the budker institute of nuclear physics, the accelerator-based neutron source was designed with flux parameters allowing studies on bnct to be conducted.

Objective

Objective: to assess the effect of bnct on tumor and normal cell lines using borphenylalanine (bpa), borcaptate (bsh) and liposomal borcaptat as boron delivery drugs.

Materials and methods

Materials and methods. Human cell cultures: glioblastoma (u87), colorectal human adenocarcinoma (sw-620), human melanoma (sk-mel28) and primary embryonic cell lines were irradiated with a neutron flux at the presence of bpa, bsh and liposomal bsh with a concentration of 10b 40 μg/ml. The short-term cytotoxic effect of irradiation was evaluated using trypan blue. Cell survival 96 hours after irradiation was determined using mtt test, and survival fraction was evaluated using the clonogenic test.

Results

Results. Early cytotoxic effects of irradiation were not observed for all 4 cell lines. According to mtt and clonogenic tests, the most pronounced effect of bnct was noticed for sw-620 and u87 lines, regardless of boron delivery drug used. For sk-mel28 line, the best effect was achieved after irradiation with liposomal borocaptate. For the primary transplanted embryonic line, high toxicity was revealed when bnct was performed with borphenylalanine and borcaptate.

Conclusion

Conclusion. The data obtained indicate that the accelerator-based bnct using boron delivery drugs, such as borphenylalanine, borcaptate and liposomal borcaptat, has a positive effect on tumor lines of glioblastoma, colorectal adenocarcinoma and melanoma.

бор-нейтронозахватная терапияускорительный источник эпитепловых нейтроновборфенилаланинборкаптатлипосомыклеточные линии.

boron neutron capture therapyaccelerator-based neutron sourceboronophenylalaninesodium borocaptateliposomescell linestrypan blue stainingMtt testclonogenic test

References1

Таскаев С.Ю., Каныгин В.В. Бор-нейтронозахватная терапия. Новосибирск, 2016. 216 с.

Taskaev S.Yu., Kanygin V.V. Boron Neutron Capture Therapy. Novosibirsk, 2016. 216 p. (in Russian).

Sauerwein W.A., Wittig A., Moss R., Nakagawa Y. Neutron Capture Therapy: Principles and Applications. Springer, 2012. 543 p.

Mostovich L.A., Gubanova N.V., Kutsenko O.S., Aleinik V.I., Kuznetsov A.S., Makarov A.N., Sorokin I.N., Taskaev S.Yu., Nepomnyashchikh G.I., Grigoreva E.V. Effect of Epithermal Neutrons on Viability of Glioblastoma Tumor Cells in Vitro. Bull Exp Biol Med. 2011; 151(2): 264–7. doi: 10.1007/s10517-011-1304-1.

Волкова О.Ю., Мечетина Л.В., Таранин А.В., Заборонок А.А., Nakai K., Лежнин С.И., Фролов С.А., Касатов Д.А., Макаров А.Н., Сорокин И.Н., Сычева Т.В., Щудло И.М., Таскаев С.Ю. Влияние нейтронного излучения на жизнеспособность опухолевых клеток, культивируемых в присутствии изотопа бора 10В. Вестник рентгенологии и радиологии. 2016; 97(5): 283–8. doi: 10.20862/0042-4676-2016-97-5-283-288.

Volkova O.Yu., Mechetina L.V., Taranin A.V., Zaboronok A.A., Nakai K., Lezhnin S.I., Frolov S.A., Kasatov D.A., Makarov A.N., Sorokin I.N., Sycheva T.V., Shchudlo I.M., Taskaev S.Yu. Impact of neutron radiation on the viability of tumor cells cultured in the presence of boron-10 isotope. Journal of Radiology and Nuclear Medicine. 2016; 97(5): 283–8. (in Russian). doi: 10.20862/0042-4676-2016-97-5-283-288.

Zaboronok A., Byvaltsev V., Kanygin V., Iarullina A., Kichigin A., Taranin A., Volkova O., Mechetina L., Taskaev S., Muhamadiyarov R., Zavyalov E., Nakai K., Sato E., Yamamoto T., Mathis B., Matsumura A. Boron-neutron capture therapy in Russia: preclinical evaluation of efficacy and perspectives of its application in neurooncology. New Armen Med J. 2017; 11(1): 6–15. doi: 10.18632/oncotarget.24078.

Sato E., Zaboronok A., Yamamoto T., Nakai K., Taskaev S., Volkova O., Mechetina L., Taranin A., Kanygin V., Isobe T., Mathis B.J., Matsumura A. Radiobiological response of U251MG, CHO-K1 and V79 cell lines to accelerator-based boron neutron capture therapy. J Radiat Res. 2018; 59(2): 101–7. doi: 10.1093/jrr/rrx071.

Касатова А.И., Каныгин В.В., Разумов И.А., Таскаев С.Ю., Касатов Д.А., Бывальцев В.А. Исследование биологической эффективности борнейтронозахватной терапии на клетках глиомы и меланомы человека. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2020; 64(3): 110–116.

Kasatova A.I., Kanygin V.V., Razumov I.A., Taskaev S.Yu., Kasatov D.A., Byvaltsev V.A. Investigation of the biological effectiveness of boron neutron capture therapy on human glioma and melanoma cells. Pathological Physiology and Experimental Therapy. 2020; 64(3): 110–116. (in Russian).

Бывальцев В.А., Завьялов Е.Л., Каныгин В.В., Касатова А.И., Кичигин А.И., Разумов И.А., Сычева Т.В., Таскаев С.Ю. Цитопатические эффекты бор-нейтронозахватной терапии на ускорительном источнике эпитепловых нейтронов для культуры клеток глиобластомы человека. Сибирский онкологический журнал. 2019; 18(4): 34–42. doi: 10.21294/1814-4861-2019-18-4-34-42.

Byvaltsev V.A., Zavjalov E.L., Kanygin V.V., Kasatova A.I., Kichigin A.I., Razumov I.A., Sycheva T.V., Taskaev S.Yu. Cytopathic effects of accelerator-based boron neutron capture therapy on human glioblastoma cells. Siberian Journal of Oncology. 2019; 18(4): 34–42. (in Russian). doi: 10.21294/1814-4861-2019-18-4-34-42.

Barth R.F., Zhang Z., Liu T. A realistic appraisal of boron neutron capture therapy as a cancer treatment modality. Cancer Commun (Lond). 2018 Jun 19; 38(1): 36. doi: 10.1186/s40880-018-0280-5.

World Health Organization. Cancer; 2018 [Internet]. URL: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/cancer (cited 12.09.2018).

Coderre J.A., Chanana A.D., Joel D.D., Elowitz E.H., Micca P.L., Nawrocky M.M., Chadha M., Gebbers J.O., Shady M., Peress N.S., Slatkin D.N. Biodistribution of boronophenylalanine in patients with glioblastoma multiforme: boron concentration correlates with tumor cellularity. Radiat Res. 1998 Feb; 149(2): 163–70.

Zavjalov E., Zaboronok A., Kanygin V., Kasatova A., Kichigin A., Mukhamadiyarov R., Razumov I., Sycheva T., Mathis B.J., Maezono S.E.B., Matsumura A., Taskaev S. Accelerator-based boron neutron capture therapy for malignant glioma: a pilot neutron irradiation study using boron phenylalanine, sodium borocaptate and liposomal borocaptate with a heterotopic U87 glioblastoma model in SCID mice. Int J Radiat Biol. 2020 Jul; 96(7): 868–878. doi: 10.1080/09553002.2020.1761039.

Иванов A.А., Касатов Д.А., Кошкарев А.М., Макаров А.Н., Остреинов Ю.М., Сорокин И.Н., Таскаев С.Ю., Щудло И.М. Получение протонного пучка с током 5 мА в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Письма в Журнал технической физики. 2016; 42(12): 1–8. doi: 10.1134/S1063785016060225.

Ivanov A.A., Kasatov D.A., Koshkarev A.M., Makarov A.N., Ostreinov Yu.M., Sorokin I.N., Taskaev S.Yu., Shchudlo I.M. Obtaining a Proton Beam with 5-mA Current in a Tandem Accelerator with Vacuum Insulation. Technical Physics Letters, 2016; 42(12): 1–8. (in Russian). doi: 10.1134/S1063785016060225.

Таскаев С.Ю. Ускорительный источник эпитепловых нейтронов. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2015; 46(6): 1770–1830. doi: 10.1134/S1063779615060064.

Taskaev S.Yu. Accelerator based epithermal neutron source. Physics of Elementary Particles and Atomic Nucleus. 2015; 46(6): 1770–1830. (in Russian). doi: 10.1134/S1063779615060064.

Franken N.A., Rodermond H.M., Stap J., Haveman J., van Bree C. Clonogenic assay of cells in vitro. Nat Protoc. 2006; 1(5): 2315–9. doi: 10.1038/nprot.2006.339.

Каныгин В.В., Завьялов Е.Л., Симонович А.Е., Касатова А.И., Кичигин А.И., Разумов И.А., Таскаев С.Ю. Бор-нейтронозахватная терапия глиобластомы человека на моделях опухоли in vivo. Современные проблемы науки и образования. 2019; 1: 16.

Kanygin V.V., Zavyalov E.L., Simonovich A.E., Kasatova A.I., Kichigin A.I., Razumov I.A., Taskaev S. Boron neutron capture therapy of human glioblastoma on in vivo tumour models. Modern Problems of Science and Education. 2019; 1: 16. (in Russian).

Maruyama K., Ishida O., Kasaoka S., Takizawa T., Utoguchi N., Shinohara A., Chiba M., Kobayashi H., Eriguchi M., Yanagie H. Intracellular targeting of sodium mercaptoundecahydrododecaborate (BSH) to solid tumors by transferrin-PEG liposomes, for boron neutron-capture therapy (BNCT). J Control Release. 2004 Aug 11; 98(2): 195–207. doi: 10.1016/j.jconrel.2004.04.018.

Honkanen J., Rantanen V., Kulmala J., Grénman R., Klemi P., Pekkola K. Radiosensitivity of dermal and tumor fibroblasts derived from the same patient. J Cancer Res Clin Oncol. 1998; 124(8): 415–20. doi: 10.1007/s004320050193.

Menichetti L., Gaetano L., Zampolli A., Del Turco S., Ferrari C., Bortolussi S., Stella S., Altieri S., Salvadori P.A., Cionini L. In vitro neutron irradiation of glioma and endothelial cultured cells. Appl Radiat Isot. 2009 Jul; 67(7–8 Suppl): S336–40. doi: 10.1016/j.apradiso.2009.03.058.

Rossini A.E., Dagrosa M.A., Portu A., Saint Martin G., Thorp S., Casal M., Navarro A., Juvenal G.J., Pisarev M.A. Assessment of biological effectiveness of boron neutron capture therapy in primary and metastatic melanoma cell lines. Int J Radiat Biol. 2015 Jan; 91(1): 81–9. doi: 10.3109/09553002.2014.942013.

Carpano M., Perona M., Rodriguez C., Nievas S., Olivera M., Santa Cruz G.A., Brandizzi D., Cabrini R., Pisarev M., Juvenal G.J., Dagrosa M.A. Experimental Studies of Boronophenylalanine ((10)BPA) Biodistribution for the Individual Application of Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) for Malignant Melanoma Treatment. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2015 Oct 1; 93(2): 344–52. doi: 10.1016/j.ijrobp.2015.05.039.

Kulmala J., Rantanen V., Pekkola-Heino K., Tuominen J., Grénman R. Dosimetry of irradiation models. The 96-well clonogenic assay for testing radiosensitivity of cell lines. Acta Oncol. 1995; 34(1): 105–9. doi: 10.3109/02841869509093647.

Doi A., Kawabata S., Iida K., Yokoyama K., Kajimoto Y., Kuroiwa T., Shirakawa T., Kirihata M., Kasaoka S., Maruyama K., Kumada H., Sakurai Y., Masunaga S., Ono K., Miyatake S. Tumor-specific targeting of sodium borocaptate (BSH) to malignant glioma by transferrinPEG liposomes: a modality for boron neutron capture therapy. J Neurooncol. 2008 May; 87(3): 287–94. doi: 10.1007/s11060-008-9522-8.

Kanygin V., Zaboronok A., Taskaeva I., Zavjalov E., Mukhamadiyarov R., Kichigin A., Kasatova A., Razumov I., Sibirtsev R., Mathis B.J. In Vitro and In Vivo Evaluation of Fluorescently Labeled BorocaptateContaining Liposomes. J Fluoresc. 2021 Jan; 31(1): 73–83. doi: 10.1007/s10895-020-02637-5.

Беленко А.А., Васильев С.А., Лебедев И.Н. Маркеры индивидуальной радиочувствительности экстраэмбриональных клеток зародышей человека в условиях in vitro. Экологическая генетика. 2015; 13(4): 34–36.

Belenko A.A., Vasilyev S.A., Lebedev I.N. Markers of human extraembryonal cells individual radiosensitivity in vitro. Ecological genetic. 2015; 13(4): 34–36. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.