Biological effects of ionizing radiation in medical imaging: A prospective study in children and adults following dental cone-beam computed tomography

Abstract

One of the greatest challenges in radiation protection today is determining the detrimental effects of exposure to low doses of ionizing radiation (IR), i.e. doses lower than 100 mGy. Despite scientific but also public concerns related to IR doses used in medical imaging, which are well below 100 mGy, the number of radiological examinations continues to increase. This concern is even more important in pediatric patients, since it is known that they are more radiosensitive than adults. Currently some epidemiological data, although controversial, links computed tomography examination at a young age to increased cancer risk later in life. However, no such data exists for cone-beam computed tomography (CBCT). The aim of this thesis was to investigate if exposure to low doses of X-rays, more specifically CBCT examinations, induces DNA damage and oxidative damage. Adults and children were studied to investigate age-related differences. DNA damage repair kinetics were studied in vitro in dental stem cells and ex vivo in buccal mucosal cells (BMCs). Oxidative damage was monitored in saliva samples. Both BMCs and saliva samples were collected from patients before and after CBCT examination. After validating the ex vivo set-up (Chapter 3), we conducted a prospective clinical trial in children and adults who were referred for CBCT examination (Chapter 4). In both children and adults, no statistically significant induction of DNA double strand breaks (DSBs) was observed in BMCs gathered 30 minutes and 24 hours after CBCT examination. However, we did observe a significant increase in the amount of salivary 8-oxo-7,8-dihydro-2’-deoxyguanosine (8-oxo-dG) in children 30 minutes after CBCT examination, but not in adults. No statistical difference was observed between children and adults 30 minutes after CBCT examination. Additionally, a significant increase in salivary total antioxidant capacity was observed in children, whereas in adults a significant decrease was seen. This indicates that children and adults might react differently to CBCT examinations. Interestingly, the observed changes were not linked to the radiation dose received by the patient. In vitro exposure to low IR doses of dental stem cells (Chapter 5) causes a significant increase in DNA DSBs 30 minutes after irradiation. These DSBs are repaired 24 hours after irradiation. The amount of DSBs increases linearly with increasing radiation dose in the dose range of 5–100 mGy. This significant induction of DSBs did not seem to affect the stem cells since no significant cell cycle changes were observed. However, a significant dose-dependent decrease in the number of quiescent cells was observed as soon as 1 hour after irradiation. Furthermore, no premature senescence was induced in dental stem cells following low dose irradiation. Finally, preliminary ex vivo data (Chapter 6) indicate that the salivary activity of the antioxidants superoxide dismutase and catalase increases significantly 30 minutes after CBCT examination in children. This indicates that the oxidative damage is countered by endogenous antioxidants. However, when looking at gene expression level in BMCs, a significant decrease was observed for GPx1 gene expression 48 hours after CBCT examination in both children and adults. Furthermore, in children a significant decrease in SOD1 gene expression was observed 30 minutes and 48 hours after CBCT examination. In conclusion, our data indicates that tough low doses of IR induce DNA DSBs in vitro, this does not occur after CBCT examination in BMCs in children and adults. However, a significant increase in oxidative damage and antioxidant response was observed in children, but not in adults, suggesting that age does play a role in the response to low doses of IR. However, no conclusion could be drawn for long-term effects based on these results. Further research will have to show if adverse effects occur on the long term. Therefore, it is recommended to strictly adhere to radiation protection principles and to prevent unnecessary exposure to any form of IR.

Eén van de grootste uitdagingen in stralingsbescherming vandaag de dag is het bepalen van negatieve effecten van blootstelling aan lage doses ioniserende straling, namelijk stralingsdoses lager van 100 mGy. Ondanks bedenkingen van wetenschappers, maar ook van het grote publiek, omtrent stralingsdoses die gebruikt worden bij medische beeldvorming, en die ver onder de 100 mGy liggen, blijft het aantal radiologische onderzoeken toenemen. Deze bezorgdheid is nog belangrijker als het om kinderen gaat, waarvan geweten is dat zij gevoeliger zijn dan volwassenen voor de effecten van straling. Momenteel zijn er (controversiële) epidemiologische data die een verband aantonen tussen computed tomography scans op jonge leeftijd en een verhoogd kankerrisico op latere leeftijd. Dergelijke data zijn echter niet voorhanden als het gaat om cone-beam computed tomography (CBCT). Het doel van deze thesis was te onderzoeken of blootstelling aan lage stralingsdoses, zoals gebruikt bij CBCT-scans, DNA-schade en oxidatieve schade kan veroorzaken. Zowel kinderen als volwassenen werden bestudeerd om leeftijdsafhankelijke verschillen op te sporen. DNA-schade en de herstelsnelheid ervan werden in vitro bestudeerd in dentale stamcellen en ex vivo in wangepitheel cellen (BMCs). Oxidatieve schade werd specifiek onderzocht in speekselstalen. Zowel BMCs als speekselstalen werden verzameld van patiënten voor en na een CBCT-scan. Nadat de ex vivo set-up geoptimaliseerd en gevalideerd werd (Hoofdstuk 3), werd een prospectieve studie uitgevoerd bij kinderen en volwassenen die een CBCT-scan ondergingen (Hoofdstuk 4). Noch bij kinderen, noch bij volwassenen werden DNA dubbelstrengsbreuken (DSBs) geobserveerd in BMCs 30 minuten en 24 uur na een CBCT-scan. Er werd echter een significante toename van 8-oxo7,8-dihydro-2’-deoxyguanosine geobserveerd in de speekselstalen van kinderen 30 minuten na een CBCT-scan. Bij volwassenen werd dit echter niet waargenomen. Tussen kinderen en volwassenen werd voor deze merker geen verschil gevonden 30 minuten na de scan. Wel werd er bij kinderen een significante stijging waargenomen in de totale antioxidant capaciteit van speeksel, terwijl er bij volwassenen een significante daling werd vastgesteld. Deze observatie toont aan dat kinderen en volwassenen verschillend kunnen reageren op een CBCT-scan. De waargenomen veranderingen vertoonden echter geen relatie met de stralingsdosis waaraan de patiënt werd blootgesteld. In vitro blootstelling van dentale stamcellen (Hoofdstuk 5) aan lage stralingsdoses resulteerde in een significante toename van het aantal DNA DSBs 30 minuten na stralingsblootstelling. De DSBs waren volledig hersteld 24 uur na stralingsblootstelling. De hoeveelheid DSBs nam lineair toe met de toegediende stralingsdosis in de range van 5 tot 100 mGy. Deze significante toename van DSBs lijkt de stamcellen verder niet te beïnvloeden aangezien er geen significante veranderingen in de celcyclus waargenomen werden. Er werd echter wel een significante dosisafhankelijke daling van het aantal quiëscente cellen geobserveerd., dit al vanaf 1 uur na stralingsblootstelling. Verder werd er geen vervroegde senescentie waargenomen na blootstelling aan lage stralingsdoses. Ten slotte tonen preliminaire ex vivo data (Hoofdstuk 6) aan dat de activiteit van de antioxidanten superoxide dismutase en catalase in speekselstalen toeneemt 30 minuten na een CBCT-scan bij kinderen. Dit wijst er op dat de oxidatieve schade tegengegaan wordt door endogene antioxidanten. Genexpressie analyse van deze antioxidanten in BMCs toont aan dat de genexpressie GPx1 significant daalt 48 uur na een CBCT-scan zowel bij kinderen als volwassenen. Daarenboven werd bij kinderen ook een significante daling in SOD1 genexpressie vastgesteld 30 minuten en 48 uur na een CBCT-scan. We kunnen concluderen dat hoewel lage stralingsdoses DNA DSBs veroorzaken in dentale stamcellen in vitro, een CBCT-scan geen DSBs veroorzaakt in BMCs, noch in kinderen, noch in volwassenen. Er vond echter een significante stijging plaats van oxidatieve schade en van de antioxidant capaciteit in speekselstalen van kinderen 30 minuten na een CBCT-scan. In volwassenen werd dit niet waargenomen. Dit suggereert dat leeftijd op moment van blootstelling aan straling een invloed heeft op de reactie die deze straling veroorzaakt. Momenteel kan er echter geen conclusie getrokken worden over de lange termijn effecten van stralingsblootstelling ten gevolge van een CBCT-scan. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of er al dan niet nadelige effecten optreden op lange termijn. Daarom wordt er ten zeerste aangeraden om zich te houden aan de principes van stralingsbescherming, en ook om onnodige stralingsblootstelling zo veel mogelijk te vermijden.