Radiation-induced bystander effects: Relevance for radiation protection of human and non-human biota

Medical Physics and Applied Radiation Sciences Unit, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada L8S 4K1.

Received: 18 November 2004
Accepted: 11 April 2005

Abstract

In this paper our current knowledge of the mechanisms underlying the induction of bystander effects by low dose low LET ionizing radiation is reviewed in the context of relevance to radiation protection issues. The question of how bystander effects may be related to observed adaptive responses, systemic genomic instability or other effects of low doses exposures is also considered. Bystander effects appear to be the result of a generalized stress response in tissues or cells. The signals may be produced by all exposed cells, but the response may require additional system parameters to exist in order to be expressed. The major response involving low LET radiation exposure discussed in the existing literature is a death response. This can manifest as apoptotic cell death, terminal differentiation, reproductive cell death or necrosis. While a death response might appear to be adverse, the position is argued in this paper, that it can in fact be protective and remove damaged cells from the reproducing population. Since many cell populations carry damaged cells without being exposed to radiation (so-called “background damage”), it is possible that low dose radiation exposures cause removal of cells damaged by agents other than the test dose of radiation. This mechanism would lead to the production of “u- or n-shaped” dose response curves. In this scenario, the level of harmful or beneficial response will be related to the background damage carried by the cell population and the genetic program determining response to damage. This model may be particularly important when attempting to predict the consequences of mixed exposures involving radiation and other environmental stressors on biota.

Résumé

Effet bystander : conséquences potentielles en radioprotection. Cette publication a pour objectif de mettre en évidence la connaissance actuelle des mécanismes de l’effet bystander (abscopal) à faible dose de rayonnements ionisants et les conséquences potentielles en radioprotection. La relation de l’effet bystander à la réponse adaptative (hormésis), à l’instabilité génomique et à d’autres effets à faible dose sera abordée. L’effet bystander apparaît être le résultat d’une réponse généralisée tissulaire ou cellulaire. Le signal peut être produit par toutes les cellules exposées mais la réponse requiert des paramètres cellulaires spécifiques pour être exprimé. La principale réponse suivant une exposition à faible débit de dose de RI est la mort cellulaire. Elle peut être d’origine apoptotique, une différentiation terminale, une mort mitotique ou une nécrose. Alors que la mort cellulaire peut apparaître comme un effet adverse, les auteurs prennent le parti que cet effet est en fait un effet protecteur et permettent d’éliminer les cellules endommagées des cellules en division. Depuis que l’on a mis en évidence que des cellules porteuses de dommages sans avoir été irradiées (appelé aussi « dommage de bruit de fond »), il est possible d’imaginer que les expositions à faibles doses d’irradiation peuvent également être à l’origine de l’élimination des cellules porteuses de mutation du à d’autre agents génotoxiques que les rayonnements ionisants. Ce mécanisme pourrait mener à des formes de courbe dose réponse très différentes. Dans ce scénario, le niveau de réponse bénéfique ou nuisible serait lié au niveau de dommage des cellules non touchées et le programme génétique détermine la réponse cellulaire au dommage. Cette modélisation serait particulièrement importante pour permettre de prédire les conséquences d’une exposition mixte impliquant rayonnements ionisants et autre stress environnementale.