X-ray and proton irradiation have been reported to induce distinct modifications in cytokine expression in vitro and in vivo, suggesting a dissimilar inflammatory response between X-rays and protons. We aimed to investigate the differences in cytokine profiles early following fractionated brain irradiation with X-rays or protons and their relationship with leukocyte subpopulations in rodents.

Our study utilized data from 80 tumor-free mice subjected to X-ray or proton brain irradiation in four fractions of 2.5Gy. Sixteen non-irradiated mice were used as the controls. Blood was collected 12h postirradiation to examine the profile of 13 cytokines. Correlation analysis, principal component analysis (PCA), and tree-based modeling were used to investigate the relationship between cytokine levels and leukocyte subpopulation variations following irradiation in the blood.

Regardless of the irradiation type, brain irradiation resulted in a notable elevation in the plasma levels of IFN-γ and MCP-1. The use of either X-ray or proton beam had differential effect on plasma cytokine levels following brain irradiation. Specifically, X-ray irradiation was associated with significantly increased plasma levels of IFN-β, IL-12p70, and IL-23, along with a decreased level of IL-1α, in comparison to proton irradiation. Correlation analysis revealed distinct cytokine regulatory patterns between X-ray and proton brain irradiation. PCA highlighted the association of MCP-1, IL-6, TNF-α, IL-17A, and IFN-γ with neutrophils, monocytes, and naïve T-cells following X-ray irradiation. TNF-α and IL-23 levels correlated with naïve CD4+-cells following proton irradiation. Tree-based models demonstrated that high TNF-α level resulted in an increase in naïve T-cells, neutrophils, and monocytes, whereas low IL-6 level was associated with decreases in these cell counts.

Our findings revealed distinct inflammatory responses induced by X-ray irradiation in contrast to proton brain irradiation, as demonstrated by the differential regulation of cytokines in the bloodstream. Moreover, the study highlighted the association between specific cytokine levels and various leukocyte subpopulations. Further investigation is essential to accurately determine the impact of proton and X-ray brain irradiation on the inflammatory response and the efficacy of radiotherapy treatment.

L’irradiation par protons ou rayons X produit des modifications distinctes de l’expression des cytokines in vitro et in vivo, suggérant que les protons pourraient induire une réponse inflammatoire différente de celle des rayons X. Nous visons à étudier la différence dans les profils de cytokines suite à une irradiation cérébrale par rayons X ou protons et leurs associations avec les sous-populations de leucocytes.

Notre étude a utilisé des données de 80 souris soumises à une irradiation cérébrale par rayons X ou protons, administrée en quatre fractions de 2,5Gy. Du sang a été collecté 12h après l’irradiation pour examiner le profil de 13 cytokines. L’analyse de corrélation, l’analyse en composantes principales (PCA), des apprentissages par arbre de décision et foret aléatoire ont été utilisés pour enquêter sur la relation entre les cytokines/chémokines et les variations des sous-populations de leucocytes après l’irradiation cérébrale.

L’irradiation cérébrale a entraîné une élévation des niveaux plasmatiques d’IFN-γ et de MCP-1 indépendamment du type d’irradiation. L’irradiation par rayons X était associée à des niveaux plasmatiques significativement accrus d’IFN-β, d’IL-12p70 et d’IL-23, et réduit d’IL-1α, par rapport à l’irradiation par protons. L’analyse de corrélation a révélé que des schémas régulateurs distincts des cytokines émergeaient entre le rayon X et le proton. La PCA a mis en évidence l’association de MCP-1, IL-6, TNF-α, IL-17A et IFN-γ avec des variations dans les neutrophiles, monocytes et cellules T naïves sous l’irradiation par rayons X. Les niveaux de TNF-α et IL-23 étaient corrélés avec les cellules CD4+ naïves sous l’irradiation par protons. Des apprentissages par arbre de décision et foret aléatoire ont démontré que le niveau élevé de TNF-α entraînait des augmentations dans les cellules T naïves, les neutrophiles et les monocytes, tandis qu’un niveau faible d’IL-6 était associé à des diminutions dans ces cellules.

Nos résultats ont mis en lumière les réponses inflammatoires distinctes élicitées par l’irradiation cérébrale par rayons X par rapport aux protons, comme en témoigne la régulation différentielle des cytokines. En outre, notre étude a élucidé les corrélations de certains cytokines spécifiques avec les sous-populations de leucocytes.