Assessing the Biological Effects  from Low Dose Exposures Similar to 

Medical and Occupational Doses

Nghi PhanPh.D. Candidate

McMaster University

GreenhouseGases

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap001127.html

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap001127.html

Only, when Hell freezes over…

December 17, 2008

Radiation is Everywhere

Background Radiation

Reproduced without

permission from Radiobiology for the Radiology, 6th

Ed.

<2 mSv

5‐30 mSv

13‐70 mSv

100‐250 mSv

Relevance

• Radiation Worker Limit: 20 mSv/year averaged  over 5 years

• 15 Country Study ‐

407,391 nuclear industry  workers monitored  ‐

• E. Cardis et al

RADIATION RESEARCH 167, 396–416 (2007)

• Avg. Lifetime Dose for Nuclear Power Worker =  19.4 mSv

• Whole Body CT scans average: 20 mSv

What about the Biology?

• Assessed the effects of 20 mSv– Radiation Worker annual dose limit

– Full Body CT Scan Dose

• Biological Effects…– Genetic damage to stem cells?

– DNA damage?

– Cell death?

Oxidative Stress

H2

O2O2

.‐

OH. OH.

H2

O2O2

.‐

Study Outline

• Effects of a single 20 mSv exposure

• Effects of repeat 20 mSv exposures

17‐weeks old

A Single CT ScanCT scan: 27 weeks old

Dose: ~20 mSv

Repeated CT Scans CT Scan: 17 weeks

Duration: 2x/wk/10wks

Dose: ~20 mSv

Total Dose: ~400 mSv

Study Outline

• Investigated– Genetic damage to stem cells

– DNA damage (yH2AX)

– Cell death via apoptosis

Reticulocyte FormationErythroblast(Bone Marrow)

Enucleation

Reticulocyte(Blood)

43 hrs

DSBx Micronucleus

Micronucleated‐Reticulocyte Formation

Erythroblast(Bone Marrow)

x EnucleationMN remains

x

MN‐RET

Marker of genotoxicity

High MN‐Ret = high genotoxicity→ bad thing

Results

n = 5 mice per dose

Results

n = 24, 27 w.o. male C57Bl/6 mice

p = 0.018

Results

n = 24, 27 w.o. male C57Bl/6 mice

p = 0.018

p = 0.093

Gamma H2AX Foci

• correlates to DNA damage• association with cancer risk?

SS LIN

Flow Cytometry

0 1 2

0 Sv

2 Sv

Results

n = 5,  7‐8 w.o. female p53+/+

micen = 8,  27 w.o. male C57Bl/6 mice

Results

n = 26, 27 w.o. male C57Bl/6

mice

Cell Death•

FLICA binds to activated Caspase 3 & 7

•

7AAD enters membrane‐compromised cells and binds to DNA

Results

n = 8,  27 w.o. male C57Bl/6 mice

Results

n = 26,  27 w.o. male C57Bl/6 

mice

Single vs. Repeated CT Scans• “Snapshot”

phenomenon

En

dp

oin

t L

eve

ls

Endpoint vs. Time

Conclusions• Assays capable of detecting < 20 mSv• Differences exist between Single and 

Repeated CT scans• Repeated CT scans (total dose: 400 

mSv) ‐

do not increase spontaneous levels of 

chromosomal damage & cell death‐

can induce an adaptive response

Current & Future Directions

• Currently, studying the lifetime health and  cancer risks of low dose exposures.

Thank you• Boreham Lab

‐

Mary Ellen Bahen‐

Lisa LaFramboise

‐Nicole McFarlane‐ Caitlin Mills‐ Kristina Taylor

• Parise Group• NSERC ‐

CGS

• CIHR ‐

Vanier• DOE ‐

Low Dose Research Program 

(DE‐FG02‐07ER64343)

ReferencesBEIR VII (National Research Council of the National Academies of

USA). Health risk from exposure to low 

levels of ionizing radiation. Pre‐publication version. July 2005.

Cadis, E. et al. (2007) The 15‐Country Collaborative Study of Cancer Risk among Radiation Workers in the 

Nuclear Industry: Estimates of Radiation‐Related Cancer Risks. Radiation Research

167:396–416.

Joint Report no. 2, Acade´

mie

Nationale

de Me´

decine, Institut

de France ‐Academie

des Sciences (March 

30, 2005) Tubiana

M, Aurengo

A, Averbeck

D, Bonnin

A, Le Guen

B, Masse R, Monier

R, Valleron

AJ, de 

Vathaire

F. Dose–effect relationships and the estimation of the carcinogenic effects of low doses of 

ionizing radiation. (http://www.academiemedecine.fr/actualites/ rapports.asp) Edition Nucleon (Paris 

2005) ISBN 2‐84332‐018‐6

Kiefer J. (1999) Radiation risk in manned space flights. Mutation Research

430:307‐313.

Papastefanou, C. (2007) Radiation dose from cigarette tobacco. Radiation Protection Dosimetry

123(1):68–73.

Vrijheid, M. et al. (2007) Mortality from diseases other than cancer following low doses of ionizing 

radiation: results from the 15‐Country Study of nuclear industry workers. International Journal

of 

Epidemiology 2007;36:1126–1135.