After a large-scale radiological or nuclear event, hundreds of thousands of people may be exposed to ionizing radiation and require subsequent medical management. Acute exposure to moderate doses (2–6 Gy) of radiation can lead to the hematopoietic acute radiation syndrome, in which the bone marrow (BM) is severely compromised, and severe hemorrhage and infection are common. Previously, we have developed a panel of intracellular protein markers (FDXR, ACTN1, DDB2, BAX, p53 and TSPYL2), designed to reconstruct absorbed radiation dose from human peripheral blood (PB) leukocyte samples in humanized mice up to 3 days after exposure. The objective of this work was to continue to use the humanized mouse model to evaluate biomarker dose-/time- kinetics in human PB leukocytes in vivo, at an earlier (day 2) and later (day 7) time point, after exposure to total-body irradiation (TBI) doses of 0 to 2 Gy of X rays. In addition, to assess hematological sensitivity and radiation-induced injury, PB leukocyte cell counts, human BM hematopoietic stem cell (HSC) and progenitor cell [multipotent progenitor (MPP), common myeloid progenitor (CMP), granulocyte myeloid progenitor (GMP), megakaryocyte/erythrocyte progenitor (MEP) and multi-lymphoid progenitor (MLP)] levels were measured, and their correlation was also examined as the BM damages are difficult to assess by routine tests. Peripheral blood B-cells were significantly lower after TBI doses of 0.5 Gy on day 2 and 2 Gy on days 2 and 7; T-cells were significantly reduced only on day 2 after 2 Gy TBI. Bone marrow HSCs and MPP cells showed a dose-dependent depletion after irradiation with 0.5 Gy and 2 Gy on day 2, and after 1 Gy and 2 Gy on day 7. Circulating B cells correlated with HSCs, MPP and MLP cells on day 2, whereas T cells correlated with MPP, and myeloid cells correlated with MLP cells. On day 7, B cells correlated with MPP, CMP, GMP and MEP, while myeloid cells correlated with CMP, GMP and MEP. The intracellular leukocyte biomarkers were able to discriminate unirradiated and irradiated samples at different time points calculated by receiver operating characteristic (ROC) curve. Using machine learning algorithm methods, combining ACTN1, p53, TSPYL2 and PB-T cell and PB-B cell counts served as a strong predictor (area under the ROC >0.8) to distinguish unirradiated and irradiated samples independent of the days after TBI. The results further validated our biomarker-based triage assay and additionally evaluated the radiation sensitivity of the hematopoietic system after TBI exposures.

Biodosimetry-based discrimination between homogeneous total-body photon exposure and complex irradiation scenarios (partial-body shielding and/or neutron + photon mixtures) can improve treatment decisions after mass-casualty radiation-related incidents. Our study objective was to use high-throughput biomarkers to: a) detect partial-body and/or neutron exposure on an individual basis, and b) estimate separately the photon and neutron doses in a mixed exposure. We developed a novel approach, where metrics related to the shapes of micronuclei distributions per binucleated cell in ex-vivo irradiated human lymphocytes (variance/mean, kurtosis, skewness, etc.) served as predictors in machine learning or parametric analyses of the following scenarios: (A) Homogeneous gamma-irradiation, mimicking total-body exposures, vs. mixtures of irradiated blood with unirradiated blood, mimicking partial-body exposures. (B) X rays vs. various neutron + photon mixtures. Classification of samples as homogeneously vs. heterogeneously irradiated (scenario A) achieved a receiver operating characteristic curve area (AUROC) of 0.931 (uncertainty range of 0.903-0.951), and R2 for actual vs. reconstructed mean dose was 0.87. Detection of samples with ≥10% neutron contribution (scenario B) achieved AUROC of 0.916 (0.893-0.943), and R2 for reconstructing photon-equivalent dose was 0.77. These encouraging findings demonstrate a proof-of-principle for the proposed approach of analyzing micronuclei/cell distributions to detect clinically-relevant complex radiation exposure scenarios.

Environmental contamination and ingestion of the radionuclide Cesium-137 (137Cs) is a large concern in fallout from a nuclear reactor accident and improvised nuclear device and highlights the need to develop biological assays for low dose rate, internal emitter radiation. To mimic low dose rates attributable to fallout, we have developed a VAriable Dose-rate External 137Cs irradiatoR (VADER), which can provide arbitrarily varying and progressive low dose rate irradiations in the range of 1.2 to 0.1 Gy/day, while circumventing the complexities of dealing with radioactively-contaminated biomaterials. We investigated the kinetics of mouse peripheral leukocytes DNA damage response in vivo after variable, low-dose rate 137Cs exposure. C57BL/6 mice were placed in the VADER over 7 days with total accumulated dose up to 2.7 Gy. Peripheral blood response including the leukocytes depletion, apoptosis signal protein p53 and DNA repair biomarker γ-H2AX were measured. The results illustrated that blood leukocyte count had significantly dropped by days 7. P53 levels peaked at day 2 (total dose=0.91Gy) and then declined whereas γ-H2AX yields generally increased with accumulated dose and peaked at day 5 (total dose=2.08Gy). ROC curve analysis for γ-H2AX provided a good discrimination of accumulated dose < 2 Gy and ≥ 2 Gy, highlighting the potential of γ-H2AX as a biomarker dosimetry in a protracted, environmental exposure scenario.

Cardiovascular disease (CVD) remains the leading cause of death in the United States for both men and women, despite cholesterol-lowering drugs such as statins. Diets rich in cholesterol are well-known to contribute to disease progression. The absorption of dietary cholesterol is facilitated by liver-synthesized detergents called bile acids. We hypothesized that manipulating bile acid metabolism to reduce cholesterol absorption would result in decreased plasma cholesterol levels and protect from atherosclerosis. To alter the bile acid pool, we used liver-directed AAV-CRISPR to disrupt Cyp7a1, which catalyzes the rate-limiting step of bile acid synthesis. Consequently, we show that loss of CYP7A1 in adult male mice reduces the size of the bile acid pool. To study atherosclerosis, we co-disrupted Cyp7a1 concurrently with Low Density Lipoprotein Receptor ( Ldlr ) to induce hypercholesterolemia on a Western diet for 20 weeks. Loss of hepatic CYP7A1 in males reduced atherosclerosis and reduced cholesterol absorption. In stark contrast to what we observed in male mice, the absence of this rate limiting enzyme in female mice resulted in only a modest reduction in the bile acid pool. This blunted reduction in bile acids in female Cyp7a1 CRISPR mice was not sufficient to decrease cholesterol absorption, resulting in accumulation of cholesterol, and consequently increasing cardiovascular risk. We hypothesize that there is a female-specific mechanism to preserve bile acid production that operates in the absence of CYP7A1. We are currently in the process of testing candidate female-specific enzymes for bile acid production. These studies indicate new avenues by which female bile acid and cholesterol metabolism regulation differs from than that of males. The resulting differences in cardiovascular risk highlight the essential need for male- and female-specific personalized medicine approaches for cardiovascular disease prevention.