Обнаружены повреждения ДНК и соматические мутации в клетках млекопитающих после облучения УФ-сушкой лака для ногтей

Аннотация
Ультрафиолетовый свет А обычно излучается УФ-сушками для ногтей, и, по последним данным, его длительное использование может повысить риск развития рака кожи. Тем не менее, не было проведено экспериментальной оценки влияния излучения, испускаемого УФ-сушилками для ногтей, на клетки млекопитающих. Здесь мы показали, что облучение УФ-сушилкой для лака вызывает высокий уровень реактивных форм кислорода, что соответствует повреждению 8-оксо-7,8-дигидрогуанина и дисфункции митохондрий. Анализ соматических мутаций выявил дозозависимое увеличение числа замен C:G>A:T в облученных образцах с мутагенными паттернами, сходными с мутационными сигнатурами, которые ранее приписывались реактивным видам кислорода. В целом, данное исследование демонстрирует, что излучение, испускаемое УФ-сушилками для лака для ногтей, может как повредить ДНК, так и навсегда выгравировать мутации на геномах первичных эмбриональных фибробластов мыши, фибробластов крайней плоти человека и эпидермальных кератиноцитов человека.

Введение
Ультрафиолетовый (УФ) свет — это тип электромагнитного излучения с длиной волны от 10 нм до 400 нм. Поскольку длины волн ниже 280 нм обычно блокируются стратосферным озоном Земли, ультрафиолетовое излучение, достигающее поверхности Земли, находится в диапазоне от 280 нм до 400 нм. Ультрафиолетовый спектр можно далее классифицировать по его воздействию на кожу человека, а также по его способности вызывать повреждение ДНК. Ультрафиолетовый свет B (UVB; 280-315 нм) составляет около 10% ультрафиолетового излучения на Земле, проникает через внешний слой кожи и вызывает множество повреждений ДНК, включая циклобутан-пиримидиновые димеры и фотопродукты 6-4. Напротив, ультрафиолетовый свет А (UVA; 315-400 нм) составляет приблизительно 90% ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, он может проникать в кожу более глубоко и вызывает мало прямых повреждений ДНК, поскольку UVA слабо поглощается ДНК.

Международное агентство по изучению рака классифицировало широкополосное УФ-излучение (315-400 нм) как канцероген группы 1, основываясь на достаточных доказательствах канцерогенности как у людей, так и в экспериментальных моделях в сочетании с серьезными механистическими соображениями. Хотя ультрафиолет содержится в солнечном свете, большая часть токсичности ультрафиолета для окружающей среды была связана с использованием коммерческих продуктов, таких как солярии. Последовательные мета-анализы показали причинно-следственную связь между раком кожи и облучением соляриями, излучающими ультрафиолет. Кроме того, было продемонстрировано, что сквамозно-клеточная карцинома кожи развивается у мышей после длительного воздействия широкополосного ультрафиолета. Предыдущие экспериментальные исследования также показали, что УФ-облучение приводит к непрямому повреждению ДНК, в основном через накопление 8-оксо-7,8-дигидро-2′-дезоксигуанозина (8-оксо-ДГ), полученного из реактивных видов кислорода. Исследования с использованием репортерных одногенных анализов выявили обогащение мутаций C:G>A:T в образцах, облученных ультрафиолетом, что соответствует повреждению, вызванному 8-оксо-dG. Несмотря на предварительные доказательства канцерогенности широкополосного УФ-излучения (315-400 нм), УФ-излучение в подмножествах этого спектра широко используется в большом количестве потребительских товаров без всесторонней оценки потенциальных канцерогенных и мутагенных эффектов этих продуктов. Одним из ярких примеров являются УФ-сушилки для лака для ногтей, которые становятся все более популярными в последнее десятилетие.

УФ-лампы для ногтей используются для полимеризации и сушки лаков для ногтей, известных как гели, которые представляют собой олигомеры, требующие воздействия УФ-излучения для затвердевания в полимеры. Эти устройства для ногтей с УФ-гелем выделяют УФ-А излучение с очень малым количеством или, в большинстве случаев, без УФ-Б излучения. Устройства для ногтей с УФ-гелем содержат несколько ламп, излучающих УФ-волны длиной от 340 до 395 нм, которые могут реагировать и активировать фотоинициаторы в геле. Высказывались опасения по поводу масштабов повреждения ДНК, которое может возникнуть в результате воздействия ультрафиолетовых аппаратов для ногтей, и их потенциальной роли в канцерогенезе кожи. Примечательно, что в большинстве случаев ногти и руки облучаются УФ-сушилкой для ногтей до 10 минут за сеанс. По оценкам, количество клиентов маникюрных салонов достигает 8 клиентов в день на одного маникюрного техника, что составляет приблизительно 3 миллиона ежедневных клиентов в Соединенных Штатах. Как правило, постоянные пользователи меняют свой гелевый маникюр каждые 2 недели. В последнее время небольшое количество случаев меланомы и немеланомы, зарегистрированных на ногтях или на дорсальной поверхности кисти, также предположительно связывают с воздействием ультрафиолетового излучения, испускаемого сушилками для лака для ногтей.

В данной работе мы проводим облучение in vitro человеческих и мышиных клеток с использованием различных протоколов острого и хронического воздействия для оценки повреждения ДНК и мутагенного эффекта ультрафиолетового излучения, испускаемого УФ-сушилкой для ногтей. Облученные и контрольные клетки подвергаются многочисленным анализам для измерения повреждения ДНК, а также секвенированию ДНК либо путем объемного полногеномного секвенирования после расширения клона, либо путем одномолекулярного дуплексного секвенирования без расширения клона. В образцах, облученных УФ-лучами, наблюдается повышенный уровень реактивных форм кислорода (ROS), что свидетельствует о повреждении 8-оксо-ДГ и дисфункции митохондрий. Анализ соматических мутаций выявил дозозависимое увеличение C:G>A:T мутаций в облученных образцах с паттернами, сходными с таковыми в подписях COSMIC SBS18/36, которые ранее связывали с окислительным повреждением. Наконец, повторное изучение ранее созданных образцов рака кожи показало, что SBS18/36 повсеместно присутствуют в меланоме и составляют ~12% от ранее аннотированных драйверных мутаций. Наши результаты представляют собой всеобъемлющий профиль повреждений ДНК и соматических мутаций в клетках млекопитающих после облучения феном для лака для ногтей.

Результаты
Схема эксперимента и исследование цитотоксичности
Для изучения цитотоксического эффекта облучения УФ-сушилкой для ногтей, эмбриональные фибробласты мыши (MEFs), фибробласты крайней плоти человека (HFFs) и эпидермальные кератиноциты взрослого человека (HEKa) были облучены в нескольких различных условиях. Каждая первичная клеточная линия облучалась один, два или три раза, продолжительность каждого облучения составляла от 0 до 20 минут. Жизнеспособность клеток измеряли через 48 часов после последнего облучения, причем каждое условие повторяли не менее трех раз. Анализ жизнеспособности клеток показал, что УФ-излучение индуцировало цитотоксичность, причем большее количество облучений приводило к снижению жизнеспособности клеток. Например, во всех моделях клеточных линий одно 20-минутное облучение приводило к гибели 20-30% клеток, в то время как три последовательных 20-минутных облучения вызывали гибель от 65% до 70% клеток (q-значения <0,05; U-тесты Манна-Уитни).

Оценка повреждения ДНК проводилась на MEFs и HFFs после двух 20-минутных облучений в течение 2 часов в один день (так называемое острое облучение) или после трех 20-минутных облучений, каждое из которых проводилось в течение 3 последовательных дней (так называемое хроническое облучение). Оценка повреждения ДНК также проводилась в те же сроки для необлученных клеток MEF и HFF. Кроме того, для оценки наличия соматических мутаций облученные и контрольные клетки подвергались барьерной клональной экспансии, выращивались для одинакового числа популяций удвоения и подвергались объемному секвенированию всего генома. В частности, облученные и контрольные клетки MEF выращивали в течение ~28 популяций удвоения перед объемным секвенированием всего генома, а облученные и необлученные клетки HFF выращивали в течение ~35 раундов деления клеток.

В случае HEKa, клетки подвергались только хроническому облучению с тремя 20-минутными облучениями, каждое из которых происходило в течение 3 последовательных дней. Оценка повреждения ДНК в HFFs проводилась аналогично оценкам, выполненным для MEFs и HFFs. Тем не менее, соматические мутации в клетках HEKa были обнаружены с помощью ортогонального подхода, который применялся для MEFs и HFFs, избегая барьерной клональной экспансии. В частности, облученные и контрольные клетки HEKa выращивали ровно 14 дней, что соответствует примерно 8 удвоениям популяции, и затем подвергали целевому одномолекулярному дуплексному секвенированию.

Источник: Maria Zhivagui, et al. DNA damage and somatic mutations in mammalian cells after irradiation with a nail polish dryer // Nature Communications 14, 276 (2023), published January 17, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-35876-8