vestimИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия медицинских наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Medical series1814-60232524-2350The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1814-6023-2026-23-1-19-28vestim-1070Research ArticleКЛИНИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНАCLINICAL AND EXPERIMENTAL MEDICINEУпругие свойства и коллаген-синтетическая активность фибробластов легких после внешнего облучения крыс в дозах 0,1–15 ГрElastic properties and collagen-synthesizing activity of pulmonary fibroblasts after external irradiation of rats at doses of 0.1–15 Gyhttps://orcid.org/0000-0002-6365-3856ШкляроваА. Н.ShkliaravaN. M.

Шклярова Анастасия Николаевна – науч. сотрудник

ул. Федюнинского, 4, 246007, г. Гомель

Nastassia M. Shkliarava ‒ Researcher 

4, Fedyuninski Str., 246007, Gomel

 

anshkliarava@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6956-9014СтародубцеваМ. Н.StarodubtsevaM. N.

Стародубцева Мария Николаевна – д-р биол. наук, доцент, профессор кафедры медицинской и биологической физики

ул. Ланге, 5, 246000, г. Гомель

Maria N. Starodubtseva ‒ D. Sc. (Biol.), Associate Professor, Professor of the Department of Medical and Biological Physics 

5, Lange Str., 246000, Gomel

maria.n.starodubtseva@gmail.comИнститут радиобиологии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Radiobiology of the National Academy of Sciences of BelarusГомельский государственный медицинский университетGomel State Medical University2026030320262311928Copyright © Шклярова А.Н., Стародубцева М.Н., 20262026Шклярова А.Н., Стародубцева М.Н.Shkliarava N.M., Starodubtseva M.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestimed.belnauka.by/jour/article/view/1070

Радиационный фиброз является одним из серьезных осложнений лучевой терапии, которое развивается в течение длительного времени после облучения. Молекулярно-клеточные механизмы, ведущие к развитию этой патологии, имеют место в значительно более ранние сроки. Ионизирующее излучение меняет свойства и функции фибробласта, являющегося основной клеткой соединительной ткани, продуцирующей белки внеклеточного матрикса. Целью исследования стало выявление с помощью методов атомно-силовой и флуоресцентной микроскопии закономерностей радиационно-индуцированных изменений модуля упругости поверхности фибробластов легкого, уровня производства клетками коллагена и их взаимосвязи при облучении рентгеновским излучением области грудной клетки крыс и 3-недельного постлучевого периода. Установлено формирование зависимого от дозы облучения механического фенотипа фибробластов, обусловленного как изменением структуры актинового кортекса, так и формированием стрессовых волокон в зоне ядра клетки. Показано, что формирование радиационно-индуцированного механического фенотипа фибробластов коррелирует с их коллаген-синтетической активностью, что позволяет предположить внутренний механизм влияния механических свойств клетки в ядерной зоне на продукцию коллагена. Полученные данные углубляют понимание молекулярно-клеточных механизмов развития радиационного фиброза.

Radiation fibrosis is one of the serious complications of radiation therapy that develops over a long period after exposure. The molecular and cellular mechanisms leading to the development of this pathology take place at a much earlier time. Ionizing radiation changes the properties and functions of fibroblasts, the primary cells of connective tissue that produce extracellular matrix proteins. The study aimed to identify, using atomic force and fluorescence microscopy methods, patterns of radiation-induced changes in the elastic modulus of the pulmonary fibroblast surface, the level of collagen production by cells and their relationship following localized thoracic X-ray irradiation in rats and a 3-week post-exposure period. The formation of a dose-dependent mechanical phenotype of fibroblasts has been established, due to both changes in the structure of the actin cortex and the formation of stress fibers in the nuclear zones of cells. It has been shown that the formation of a radiation-induced mechanical phenotype of fibroblasts correlates with their collagen-synthetic ability, which suggests an internal mechanism of influence of the mechanical properties of cells in the nuclear zone on collagen production. The data obtained deepen the understanding of the molecular and cellular mechanisms of radiation fibrosis development.

фибробласты легкогокрысарентгеновское излучениемодуль упругостиАСМколлагенстрессовые волокнаpulmonary fibroblastsratX-rayselastic modulusAFMcollagenstress fibersРабота выполнена в рамках задания «Разработать критерии оценки радиационно-индуцированных изменений ткани внутренней среды, основанной на анализе структуры и механических свойств клеточного компонента на моделях in vitro и in vivo» «Природные ресурсы и окружающая среда 3.01» ГПНИ «Природные ресурсы и окружающая среда», подпрограмма 3 «Радиация и биологические системы» на 2021–2025 гг. (№ ГР 20210231).The work was performed within the framework of the assignment “To develop criteria for assessing radiation-induced changes in the tissue of the internal environment based on the analysis of the structure and mechanical properties of the cellular component in in vitro and in vivo models” “Natural Resources and the environment 3.01” of the State Scientific Research Program “Natural Resources and the Environment”, subprogram 3 “Radiation and biological systems” on 2021–2025 (No. GR 20210231).ReferencesReplicative and radiation-induced aging: a comparison of gene expression profiles / A. M. Aliper, M. E. Bozdaganyan, P. S. Orekhov [et al.] // Aging. – 2019. – Vol. 11, N 8. – P. 2378–2387. https://doi.org/10.18632/aging.101921Aliper A. M, Bozdaganyan M. E., Orekhov P. S., Zhavoronkov A., Osipov A. N. Replicative and radiation-induced aging: a comparison of gene expression profiles. Aging, 2019, vol. 11, no. 8, pp. 2378–2387. https://doi: 10.18632/aging.101921Влияние рентгеновского излучения на структурные и механические свойства поверхностного слоя фибробластов крыс / И. А. Челнокова, А. Н. Шклярова, Т. Д. Матвеенкова, М. Н. Стародубцева // Актуальные проблемы медицины: сб. науч. ст. Респ. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Гомель, 10 нояб. 2023 г.: в 3 т. / Гомел. гос. мед. ун-т; редкол.: И. О. Стома [и др.]. – Гомель, 2023. – Т. 2. – С. 118–122.Chelnokova I. A., Shklyarova A. N., Matveenkova T. D., Starodubtseva M. N. The effect of X-ray radiation on the structural and mechanical properties of the surface layer of rat fibroblasts. Aktual’nye problemy meditsiny: sbornik nauchnykh statei Respublikanskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Gomel’, 10 noyabrya 2023 goda). Tom 2 [Current Problems of Medicine: A Collection of Scientific Articles from the Republican Scientific and Practical Conference with International Participation (Gomel, November 10, 2023). Vol. 2]. Gomel, 2023, vol. 2, pp. 118–122 (in Russian).Starodubtseva, M. N. Mechanical properties of cells and ageing / M. N. Starodubtseva // Ageing Research Reviews. – 2011. – Vol. 10, N 1. – P. 16–25. https://doi.org/10.1016/j.arr.2009.10.005Starodubtseva M. N. Mechanical properties of cells and ageing. Ageing Research Reviews. 2011, vol. 10, no. 1, pp. 16–25. https://doi.org/10.1016/j.arr.2009.10.005Extracellular matrix stiffness –The central cue for skin fibrosis / K. Wang, D. Wen, X. Xu [et al.] // Frontiers in Molecular Biosciences. – 2023. – Vol. 10. – Art. 1132353. https://doi.org/10.3389/fmolb.2023.1132353Wang K., Wen D., Xu X., Zhao R., Jiang F., Yuan S., Zhang Y., Gao Y., Li Q. Extracellular matrix stiffness – The central cue for skin fibrosis. Frontiers in Molecular Biosciences, 2023, vol. 10, art. 1132353. https://doi: 10.3389/fmolb.2023.1132353Галченко, Л. И. Лучевые осложнения при лучевой терапии: учеб. пособие для студентов / Л. И. Галченко, В. В. Маточкин. – Иркутск: Иркут. гос. мед. ун-т, 2015. – 30 с.Galchenko L. I., Matochkin V. V. Radiation complications during radiation therapy: a textbook for students. Irkutsk, Irkutsk State Medical University, 2015. 30 p. (in Russian).Radiation-induced fibrosis: mechanisms and implications for therapy / J. F. Straub, L. New, C. D. Hamilton [et al.] // Journal of Cancer Research and Clinical Oncology. – 2015. – Vol. 141, N 11. – P. 1985–1994. https://doi.org/10.1007/s00432015-1974-6Straub J. F., New L., Hamilton C. D., Lominska C., Shnayder Y., Thomas S. M. Radiation-induced fibrosis: mechanisms and implications for therapy. Journal of Cancer Research and Clinical Oncology, 2015, vol. 141, no. 11, pp. 1985–1994. https://doi.org/10.1007/s00432-015-1974-6Fuentes-Mateos, R. Optimized Protocol for Isolation and Culture of Murine Neonatal Primary Lung Fibroblasts / R. Fuentes-Mateos, E. Santos, A. Fernandez-Medarde // Methods and Protocols. – 2023. – Vol. 6, N 1. – Art. 14. https://doi.org/10.3390/mps6010014Fuentes-Mateos R., Santos E., Fernandez-Medarde A. Optimized Protocol for Isolation and Culture of Murine Neonatal Primary Lung Fibroblasts. Methods and Protocols, 2023, vol. 6, no. 1, art. 14. https://doi.org/10.3390/mps6010014Deguchi, S. Biomechanical properties of actin stress fibers of non-motile cells / S. Deguchi, M. Sato // Biorheology. – 2009. – Vol. 46, N 2. – P. 93–105. https://doi.org/10.3233/bir-2009-0528Deguchi S., Sato M. Biomechanical properties of actin stress fibers of non-motile cells. Biorheology, 2009, vol. 46, no. 2, pp. 93–105. https://doi.org/10.3233/bir-2009-0528Unraveling SSc pathophysiology; The myofibroblast / A. van Caam, M. Vonk, F. van den Hoogen [et al.] // Frontiers in Immunology. – 2018. – Vol. 9. – Art. 2452. https://doi.org/10.3389/fimmu.2018.02452Van Caam A., Vonk M., van den Hoogen F., van Lent P., van der Kraan P. Unraveling SSc pathophysiology; The myofibroblast. Frontiers in Immunology, 2018, vol. 9, art. 2452. https://doi: 10.3389/fimmu.2018.02452Mechanical communication in fibrosis progression / Y. Long, Y. Niu, K. Liang, Y. Du // Trends in Cell Biology. – 2022. – Vol. 32, N 1. – P. 70–90. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2021.10.002Long Y., Niu Y., Liang K., Du Y. Mechanical communication in fibrosis progression. Trends in Cell Biology, 2022, vol. 32, no. 1, pp. 70–90. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2021.10.002Fisher, T. Effect of nuclear stiffness on cell mechanics and migration of human breast cancer cells / T. Fisher, A. Hayn, C. T. Mierke // Frontiers in Cell and Developmental Biology. – 2020. – Vol. 8. – Art. 393. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00393Fisher T., Hayn A., Mierke C. T. Effect of nuclear stiffness on cell mechanics and migration of human breast cancer cells. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2020, vol. 8, art. 393. https://doi: 10.3389/fcell.2020.00393Nuclear Lamin-A Scales with Tissue Stiffness and Enhances Matrix-Directed Differentiation / J. Swift, I. L. Ivanovska, A. Buxboim [et al.] // Science. – 2013. – Vol. 341, N 6149. – Art. 1240104. https://doi.org/10.1126/science.1240104Swift J., Ivanovska I. L., Buxboim A., Harada T., Dingal P. C. D. P., Pinter J., Pajerowski J. D., Splinler K. R., Shin J.-W., Tewari M., Rehfeldt F., Speicher D. W., Discher D. E Nuclear Lamin-A Scales with Tissue Stiffness and Enhances MatrixDirected Differentiation. Science, 2013, vol. 341, no. 6149, art. 1240104. https://doi.org/10.1126/science.1240104Nuclear Stiffness Decreases with Disruption of the Extracellular Matrix in Living Tissues / K. P. McCreery, X. Xu, A. K. Scott [et al.] // Small. – 2021. – Vol. 17, N 6. – Art. e2006699. https://doi.org/10.1002/smll.202006699McCreery K. P., Xu X., Scott A. K., Fajrial A. K., Calve S., Ding X., Neu C. P. Nuclear Stiffness Decreases with Disruption of the Extracellular Matrix in Living Tissues. Small, 2021, vol. 17, no. 6, art. e2006699. https://doi.org/10.1002/smll.202006699Dahl, K. N. Nuclear Shape, Mechanics, and Mechanotransduction / K. N. Dahl, A. J. S. Ribeiro, J. Lammerding // Circulation Research. – 2008. – Vol. 102, N 11. – P. 1307–1318. https://doi.org/10.1161/circresaha.108.173989Dahl K. N., Ribeiro A. J. S., Lammerding J. Nuclear Shape, Mechanics, and Mechanotransduction. Circulation Research, 2008, vol. 102, no. 11, pp. 1307–1318. https://doi.org/10.1161/circresaha.108.173989

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