Characteristics of the cyclophosphamide-induced immunosuppression model in Balb/c mice

Original article

УДК 616.155.3-007.1-615.076.9
DOI: 10.57034/2618723X-2023-01-01

N.L. Polyuga1*,
Research Fellow, department of specific toxicology and microbiology,
https://orcid.org/0000-0002-8569-0535
K.L. Kryshen1,
PhD, Head of the department of specific toxicology and microbiology,
https://orcid.org/0000-0003-1451-7716
Ya.G. Murazov1,
PhD, Deputy head of the department of specific toxicology and microbiology,
https://orcid.org/0000-0002-6573-3112
E.I. Trofimets1,
Deputy head of the department of specific toxicology and microbiology,
https://orcid.org/0000-0003-3246-6457
Ya.A. Guschin1,
Head of the laboratory diagnostics department,
https://orcid.org/0000-0002-7656-991X
P.P. Beltyukov2,
PhD, Associate professor, Leading researcher, laboratory of molecular toxicology and experimental therapy,
https://orcid.org/0000-0003-4050-6172
N.V. Skovrtsov2,
Research Fellow, laboratory of molecular toxicology and experimental therapy,
https://orcid.org/0000-0002-7953-7630

1 Research and manufacturing company “Home оf Pharmacy”,
188663, Russia, Leningrad oblast, Vsevolozhskiy district, Kuzmolovskiy t.s., Zavodskaya st. 3–245;
2 Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology of the Federal Medical-Biological Agency,
188663, Russia, Leningrad oblast, Vsevolozhsky district, Kuzmolovsky settlement, Kapitolovo station, build. 93.

* Е-mail: [email protected]


Keywords: cyclophosphamide immunodeficiency Balb/c mice B-lymphocytes T-lymphocytes

Acknowledgements

The study was performed without external funding.


For citation:

Polyuga N.L., Kryshen K.L., Murazov Yа.G., Trofimets E.I., Guschin Ya.A., Beltyukov P.P., Skovrtsov N.V. Characteristics of the cyclophosphamide-induced immunosuppression model in Balb/c mice. Laboratory Animals for Science. 2023; 1. https://doi.org/10.57034/2618723X-2023-01-01

Abstract

Chemotherapy (CT) remains one of the main treatment options of malignant neoplasms. However, the use of some chemotherapeutic agents is associated with the development of significant side effects related to the cell toxic effects of drugs on immune cells. For the prevention of life-threatening conditions associated with the immunosuppressive effect of CT, a number of accompanying and maintenance therapies have been proposed. Numerous attempts are being made to search for immunomodulatory agents that can reduce the severity of immunotoxic adverse effects of CT in patients with cancer. For the non-clinical evaluation of the pharmacological activity of these agents, several methods are used to simulate conditions observed in clinical practice. The aim of the present study is to characterize the model of immunosuppression in Balb/c mice induced by a high dose of cyclophosphamide. The study was carried out on Balb/c male mice aged 5–7 weeks. The animals were divided in two groups: 1) control group (n=21) — vehicle, normal saline, single intraperitoneal (ip) injection; 2) experimental group (n=21) — cyclophosphamide, 150 mg/kg, single ip injection. After administration of cyclophosphamide, the animals were sacrificed on day 5, 11 and 18 for 7 animals at each time point. On necropsy, the thymus and spleen were harvested and weighed to assess mass coefficients and histological analysis. During euthanasia, blood samples were taken to count the total number of lymphocytes, analyze their subpopulation by flow cytometry, and determine the IgG level by enzyme immunoassay. The single administration of high-dose cyclophosphamide caused dystrophic changes in the thymus and spleen, as well as temporary changes in the parameters of cellular and humoral immunity of animals, including the dynamics of changes in the total number of lymphocytes, their subpopulation composition (T- and B-lymphocytes, CD4+ and CD8+ T-lymphocytes), the IgG level. The maximum changes in investigated parameters were recorded on day 5 with a gradual recovery by the day 18. The proposed model of cyclophosphamide-mediated immunosuppression can be used in non-clinical studies on the effectiveness of promising drugs in the prevention and treatment of various types of immunodeficiency disorders.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest requiring disclosure in this article.

Authors contribution

N.L. Polyuga — concept and design, data collection and systematization, writing the manuscript.
K.L. Kryshen — critical revision, approval of the final text of the manuscript.
Ya.G. Murazov — statistical analysis, writing the manuscript.
E.I. Trofimets — data collection and systematization, work with literary sources.
Ya.A. Guschin — processing and histopathological examination of necropsy material.
P.P. Beltyukov — analysis by flow cytometry.
N.V. Skovrtsov — analysis by flow cytometry.

References

  1. Каприн А.Д., Старинский В.В., Петрова Г.В. Злокачественные новообразования в России в 2020 году (заболеваемость и смертность). Москва: МНИОИ им. П.А. Герцена — филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России, 2021. [Kaprin A.D., Starinsky V.V., Petrovа G.V. Zlokachestvennye novoobrazovanija v Rossii v 2020 godu (zabolevaemost’ i smertnost’). Moskva: MNIOI im. P.A. Herzen — branch FGBI “NERC” Ministry of health of Russia, 2021. (In Russ.)].
  2. Sung H., Ferlay J., Siegel R.L. et al. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries // CA: A Cancer Journal for Clinicians. 2021. Vol. 71. P. 209–249. DOI: 10.3322/caac.21660.
  3. Anand U., Dey A., Chandel AKS et al. Cancer chemotherapy and beyond: Current status, drug candidates, associa­ted risks and progress in targeted therapeutics. Genes and Disea­ses. DOI: 10.1016/j.gendis.2022.02.007.
  4. Abu Eid R., Razavi GSE, Mkrtichyan M., Janik J., Khleif SN. Old-School Chemotherapy in Immunotherapeutic Combination in Cancer, A Low-cost Drug Repurposed // Cancer Immunol Res. 2016. Vol. 4. P. 377–382. DOI: 10.1158/2326-6066.CIR-16-0048.
  5. Diao B., Wang C., Tan Y. et al. Reduction and Functional Exhaustion of T Cells in Patients With Coronavirus Dise­ase 2019 (COVID-19) // Front Immunol. 2020. Vol. 11. P. 827. DOI: 10.3389/fimmu.2020.00827.
  6. Feng L., Huang Q., Huang Z. et al. Optimized Animal Model of Cyclophosphamide-induced Bone Marrow Suppression // Basic Clin. Pharmacol Toxicol. 2016. Vol. 119. P. 428–435. DOI: 10.1111/bcpt.12600.
  7. Wang S., Huang S., Ye Q. et al. Prevention of Cyclophosphamide-Induced Immunosuppression in Mice with the Antimicrobial Peptide Sublancin // J. Immunol Res. 2018. Vol. 2018. P. 4353580. DOI: 10.1155/2018/4353580.
  8. Yan H., Lu J., Wang J. et al. Prevention of Cyclophosphamide-Induced Immunosuppression in Mice With Traditional Chinese Medicine Xuanfei Baidu Decoction // Front Pharmacol. 2021. Vol. 12. P. 730567. DOI: 10.3389/fphar.2021.730567.
  9. Zhou X., Dong Q., Kan X. et al. Immunomodulatory activity of a novel polysaccharide from Lonicera japonica in immunosuppressed mice induced by cyclophosphamide // PLoS One. 2018. Vol. 13. P. e0204152. DOI: 10.1371/journal.pone.0204152.
  10. Yu J., Cong L., Wang C. et al. Immunomodulatory effect of Schisandra polysaccharides in cyclophosphamide-indu­ced immunocompromised mice // Exp. Ther. Med. 2018. Vol. 15. P. 4755–4762. DOI: 10.3892/etm.2018.6073.
  11. Włodarczyk M., Ograczyk E., Kowalewicz-Kulbat M. et al. Effect of Cyclophosphamide Treatment on Central and Effector Memory T Cells in Mice // Int. J. Toxicol. 2018. Vol. 37. P. 373–382. DOI: 10.1177/1091581818780128.
  12. Jivrajani M., Shaikh MV., Shrivastava N., Nivsarkar M. An improved and versatile immunosuppression protocol for the development of tumor xenograft in mice // Anticancer Res. 2014. Vol. 34. P. 7177–7183.
  13. Боровкова К.Е., Макарова М.Н., Никифорова Л.Р., Салмова Ю.В. Модели грибковых инфекций на животных // Лабораторные животные для научных исследований. 2021. № 3. DOI: 10.29296/2618723X-2021‑03‑05. [Borov­kova К.E., Makarova M.N., Nikiforova L.R., Salmova J.V. Animal models of fungal infections // Laboratory Animals for Science. 2021. N. 3. (In Russ.)].
  14. Гущин Я.А., Мужикян А.А. Влияние фиксирующих жидкостей на микроскопическую структуру органов мелких лабораторных животных // Международный вестник ветеринарии. 2014. № 3. С. 88–95. [Gushchin Ya., Muzhikyan A. Effect of Fixing Liquids on Microscopic Structure of Small Laboratory Animals // Mezhdunarodnyj vestnik vete­rinarii=International Bulletin of Veterinary Medicine. 2014. N. 3. P. 88–95. (In Russ.)].
  15. Мужикян А.А., Макарова М.Н., Гущин Я.А. Особенности гистологической обработки органов и тканей лабораторных животных // Международный вестник ветеринарии. 2014. № 2. С. 103–109. [Muzhikyan A.A., Makarova M.N., Gushhin Ya.A. Osobennosti gistologicheskoy obrabotki organov i tkaney laboratornyh zhivotnyh // Mezhdunarodnyy vestnik veterinarii. 2014. N. 2. P. 103–109. (In Russ.)].
  16. Huyan X-H, Lin Y-P, Gao T, Chen R-Y, Fan Y-M. Immunosuppressive effect of cyclophosphamide on white blood cells and lymphocyte subpopulations from peripheral blood of Balb/c mice // Int. Immunopharmacol. 2011. Vol. 11. P. 1293–1297. DOI: 10.1016/j.intimp.2011.04.011.
  17. Суфияров И.Ф., Латыпов Р.З., Сибиряк С.В., Шафиков Р.М. Влияние иммуносупрессии индуцированной циклофосфамидом на развитие послеоперационных брюшинных спаек // Медицинский вестник Башкортостана. Россия, Уфа: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Башкирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации. 2009. № 4. С. 64–67. [Sufiyarov I.F., Latypov R.Z., Sibiryak S.V., Shafikov R.M. Vliyanie immunosupressii inducirovannoj ciklofosfamidom na razvitie posleoperacionny’x bryushinny’x spaek // Medicinskij vestnik Bashkortostana. Rossiya, Ufa: Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya "Bashkirskij gosudarstvennyj medicinskij universitet" Ministerstva zdravoohraneniya Rossijskoj Federacii. 2009. N. 4. P. 64–67. (In Russ.)].
  18. Miyauchi A., Hiramine C., Tanaka S., Hojo K. Differential effects of a single dose of cyclophosphamide on T cell subsets of the thymus and spleen in mice: flow cytofluorometry analysis // Tohoku J. Exp. Med. 1990. Vol. 162. P. 147–167. DOI: 10.1620/tjem.162.147.
  19. Wang Y., Meng Q., Qiao H., Jiang H., Sun X. Role of the spleen in cyclophosphamide-induced hematosuppression and extramedullary hematopoiesis in mice // Arch. Med. Res. 2009. Vol. 40. P. 249–255. DOI: 10.1016/j.arcmed.2009.04.003.
  20. Zhang Z., Pan T., Liu C. et al. Cyclophosphamide induced physiological and biochemical changes in mice with an emphasis on sensitivity analysis // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 211. P. 111889. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2020.111889.

Received: 2022-12-05
Reviewed: 2023-01-19
Accepted for publication: 2023-01-23

You may be interested