Personalized Assessment of Normal Tissue Radiosensitivity via Transcriptome Response to Photon, Proton and Carbon Irradiation in Patient-Derived Human Intestinal Organoids.

Avaliação Personalizada da Radiossensibilidade do Tecido Normal via Resposta Transcriptômica à Irradiação por Fótons, Prótons e Carbono em Organoides Intestinais Humanos Derivados de Pacientes.

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2020
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Abstract
Radiation-induced normal tissue toxicity often limits the curative treatment of cancer. Moreover, normal tissue relative biological effectiveness data for high-linear energy transfer particles are urgently needed. We propose a strategy based on transcriptome analysis of patient-derived human intestinal organoids (HIO) to determine molecular surrogates for radioresponse of gastrointestinal (GI) organs at risk in a personalized manner. HIO were generated from induced pluripotent stem cells (iPSC), which were derived from skin biopsies of three patients, including two patients with FANCA deficiency as a paradigm for enhanced radiosensitivity. For the two Fanconi anemia (FA) patients (HIO-104 and 106, previously published as FA-A#1 IND-iPS1 and FA-A#2 IND-iPS3), FANCA expression was reconstituted as a prerequisite for generation of HIO via lentiviral expression of a doxycycline inducible construct. For radiosensitivity analysis, FANCA deficient and FANCA rescued as well as wtHIO were sham treated or irradiated with 4Gy photon, proton or carbon ions at HIT, respectively. Immunofluorescence staining of HIO for 53BP1-foci was performed 1 h post IR and gene expression analyses was performed 12 and 48 h post IR. 53BP1-foci numbers and size correlated with the higher RBE of carbon ions. A FANCA dependent differential gene expression in response to radiation was found ( < 0.01, ANOVA; n = 1071 12 h; n = 1100 48 h). Pathways associated with FA and DNA-damage repair i.e., transcriptional coupled nucleotide excision repair, homology-directed repair and translational synthesis were found to be differentially regulated in FANCA deficient HIO. Next, differential regulated genes were investigated as a function of radiation quality (RQ, < 0.05, ANOVA; n = 742 12 h; n = 553 48 h). Interestingly, a gradual increase or decrease of gene expression was found to correlate with the three main qualities, from photon to proton and carbon irradiation. Clustering separated high-linear energy transfer irradiation with carbons from proton and photon irradiation. Genes associated with dual incision steps of TC-NER were differentially regulated in photon vs. proton and carbon irradiation. Consequently, SUMO3, ALC1, POLE4, PCBP4, MUTYH expression correlated with the higher RBE of carbon ions. An interaction between the two studied parameters FA and RQ was identified ( < 0.01, 2-way ANOVA n = 476). A comparison of genes regulated as a function of FA, RQ and RBE suggest a role for p53 interacting genes BRD7, EWSR1, FBXO11, FBXW8, HMGB1, MAGED2, PCBP4, and RPS27 as modulators of FA in response to radiation. This proof of concept study demonstrates that patient tailored evaluation of GI response to radiation is feasible via generation of HIO and comparative transcriptome profiling. This methodology can now be further explored for a personalized assessment of GI radiosensitivity and RBE estimation.
A toxicidade nos tecidos normais induzida por radiação frequentemente limita o tratamento curativo do câncer. Além disso, dados sobre a eficácia biológica relativa (RBE) em tecidos normais para partículas de alta transferência linear de energia (LET) são urgentemente necessários. Propomos uma estratégia baseada na análise transcriptômica de organoides intestinais humanos (HIO) derivados de pacientes para determinar marcadores moleculares substitutos para a radiorresposta de órgãos gastrointestinais (GI) em risco de maneira personalizada. Os HIO foram gerados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSC), derivadas de biópsias de pele de três pacientes, incluindo dois pacientes com deficiência de FANCA como paradigma de radiossensibilidade aumentada. Para os dois pacientes com anemia de Fanconi (AF) (HIO-104 e 106, previamente publicados como FA-A#1 IND-iPS1 e FA-A#2 IND-iPS3), a expressão de FANCA foi reconstituída como pré-requisito para a geração de HIO por meio da expressão lentiviral de um construto induzível por doxiciclina. Para a análise de radiossensibilidade, HIO deficientes em FANCA, com resgate de FANCA, bem como wtHIO, foram submetidos a tratamento simulado (*sham*) ou irradiados com 4 Gy de fótons, prótons ou íons de carbono no HIT, respectivamente. A coloração por imunofluorescência dos HIO para focos de 53BP1 foi realizada 1 h pós-IR, e as análises de expressão gênica foram realizadas 12 e 48 h pós-IR. O número e o tamanho dos focos de 53BP1 correlacionaram-se com a maior RBE dos íons de carbono. Uma expressão gênica diferencial dependente de FANCA em resposta à radiação foi observada (< 0,01, ANOVA; n = 1071 em 12 h; n = 1100 em 48 h). Vias associadas à AF e ao reparo de danos no DNA, como o reparo por excisão de nucleotídeos acoplado à transcrição, o reparo direcionado por homologia e a síntese translacional, apresentaram-se diferencialmente reguladas em HIO deficientes em FANCA. Em seguida, os genes diferencialmente regulados foram investigados em função da qualidade da radiação (RQ, < 0,05, ANOVA; n = 742 em 12 h; n = 553 em 48 h). Curiosamente, observou-se que um aumento ou diminuição gradual da expressão gênica correlacionou-se com as três principais qualidades, da irradiação por fótons para prótons e íons de carbono. O agrupamento hierárquico (*clustering*) separou a irradiação de alta transferência linear de energia com carbono da irradiação por prótons e fótons. Genes associados às etapas de dupla incisão do TC-NER foram diferencialmente regulados na irradiação por fótons versus prótons e carbono. Consequentemente, a expressão de SUMO3, ALC1, POLE4, PCBP4 e MUTYH correlacionou-se com a maior RBE dos íons de carbono. Uma interação entre os dois parâmetros estudados, AF e RQ, foi identificada (< 0,01, ANOVA bidirecional, n = 476). A comparação dos genes regulados em função de AF, RQ e RBE sugere um papel para os genes que interagem com a p53 BRD7, EWSR1, FBXO11, FBXW8, HMGB1, MAGED2, PCBP4 e RPS27 como moduladores da AF em resposta à radiação. Este estudo de prova de conceito demonstra que a avaliação individualizada da resposta gastrointestinal à radiação é viável por meio da geração de HIO e do perfilamento transcriptômico comparativo. Esta metodologia pode agora ser explorada para uma avaliação personalizada da radiossensibilidade gastrointestinal e estimativa da RBE.
Reference Key
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Authors Nowrouzi, Ali;Sertorio, Mathieu G;Akbarpour, Mahdi;Knoll, Maximillian;Krunic, Damir;Kuhar, Matthew;Schwager, Christian;Brons, Stephan;Debus, Jürgen;Wells, Susanne I;Wells, James M;Abdollahi, Amir;
Journal Cancers
Year 2020
DOI
E469
URL
Keywords
radiotherapy personalized medicine particle therapy carbon ions gastrointestinal (gi) toxicity human intestinal organoids (hio)

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