Purpose: To investigate the mechanistic background of the muco-protective effect of systemic heparin treatment on the development of radiation-induced oral mucositis in mice.
Materials and methods: Fractionated irradiation was given to the snouts of male C3H/Neu mice over 2 weeks (10 × 3 Gy), either alone or in combination with daily subcutaneous application of unfractionated or low molecular weight heparin (40 or 200 I.U./mouse, respectively). Over this course of 14 days, groups of mice (n = 3) were sacrificed every second day, their tongues excised and processed for histological analysis. The epithelial radiation response with and without heparin treatment was evaluated in terms of tissue morphology, proliferation and expression of cell contact molecules.
Results: Systemic treatment with heparins significantly reduced the cellular effects of irradiation to the oral epithelium. Heparin treated animals showed significantly higher total epithelial cell numbers and thickness throughout the study course. Bromodeoxyuridine (BrdU) incorporation analyses revealed that markedly more epithelial cells retained their proliferative capacity in the beginning of the first treatment week, but the proliferation of the mucosa was not stimulated during the rest of the study course. The expression of the adherens junction protein β‑catenin was slightly elevated in heparin treated animals, on day 2 the increase was statistically significant. The expression of e‑cadherin and occludin was mostly unaffected by the concomitant heparin treatment.
Conclusion: The findings of this study indicate an interplay of additional heparin treatment with the repopulation processes, leading to an earlier onset of this adaptive radiation response in oral mucosa. Importantly, we could demonstrate that the protective potential of heparin did not rely on stimulation of normal tissue proliferation. Since both heparin preparations are already approved for clinical use, they are considered as promising candidates for future clinical studies.
Zusammenfassung: ZIEL: Untersucht werden sollten die mechanistischen Hintergründe des protektiven Effekts einer systemischen Heparingabe auf die Ausprägung der radiogenen oralen Mukositis in der Maus.
Material und methoden: Fraktionierte Bestrahlung wurde auf die Schnauzen von männlichen C3H/Neu-Mäusen über 2 Wochen (10 × 3 Gy) appliziert, entweder allein oder in Kombination mit täglicher s.c. Gabe von unfraktioniertem bzw. niedermolekularem Heparin (40 bzw. 200 I.E./Maus). Über diese Zeit wurden jeden zweiten Tag Gruppen von Mäusen (n = 3) euthanasiert, ihre Zungen wurden entnommen und für die histologischen Untersuchungen aufbereitet. Die epitheliale Strahlenreaktion mit bzw. ohne Heparinbehandlung wurde hinsichtlich der Gewebemorphologie, der Proliferation und der Expression von Zellkontaktmolekülen untersucht.
Ergebnisse: Eine systemische Heparingabe reduzierte signifikant den zellulären Effekt der Bestrahlung auf das orale Epithel. Über den ganzen Behandlungszeitraum hinweg wiesen mit Heparin behandelte Mäuse signifikant höhere Gesamtzellzahlen und Schichtdicken des Epithels auf. Bromdesoxyuridin(BrdU)-Inkorporationsstudien ergaben, dass deutlich mehr Epithelzellen ihre proliferative Kapazität während der ersten Behandlungswoche beibehalten hatten. Während der restlichen Behandlungszeit wurde keine zusätzliche Stimulation der Proliferation im Epithel beobachtet. Die Expression des Zellkontaktmoleküls β‑Catenin war infolge der Heparinbehandlung leicht erhöht, an Tag 2 konnte ein signifikanter Unterschied beobachtet werden. Die Expression von e‑Cadherin und Occludin wurde durch die begleitende Heparinbehandlung nicht beeinflusst.
Schlussfolgerung: Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf eine Interaktion der Heparingabe mit den Repopulierungsprozessen hin, was ein früheres Einsetzen dieser adaptiven Strahlenreaktion in der oralen Mukosa zur Folge hat. Zudem konnte gezeigt werden, dass der protektive Effekt der Heparingabe nicht auf der Stimulation der Proliferation im Normalgewebe basierte. Da beide Heparine bereits in der Klinik zugelassen sind, stellen sie geeignete Kandidaten für weiterführende klinische Studien dar.
Keywords: Animal model; Normal tissue effects; Oral epithelium; Radiotherapy.