Strahlentherapie und Onkologie

, 174:580 | Cite as

Effects of low dose ionizing radiation on murine chronic granulomatous tissue

  • Guido Hildebrandt
  • Michael Peter Seed
  • Claire Nicole Freemantle
  • Chandan A. S. Alam
  • Paul Richard Colville-Nash
  • Klaus Rüdiger Trott
Originalarbeit
Received:
Accepted:

Abstract

Purpose

Substantial clinical evidence shows the efficacy of low-dose radiotherapy in the treatment of a wide variety of benign conditions. However, experimental investigations into these empirically clinical observations remain scarce. We investigated in vivo low-dose radiation effects on chronic granulomatous tissue by using the air pouch model in mice.

Material and Methods

Chronic granulomatous air pouches were induced in mice and dosed according to 4 protocols: group I: sham control; group II: 2 Gy on day 2; group III: 2 Gy on day 6; group IV: 5 daily doses of 0.5 Gy from day 2 to 6. On day 7 after granuloma induction the granuloma wet and dry weight was estimated, the vascular content was assessed by the formation of vascular casts incorporating carmine, the inducible nitric oxide synthase (iNOS)- and heme oxygenase 1 (HO-1)-expression in tissue homogenates was assessed by Western blot analysis, and the immunohistochemical localization of iNOS was carried out in cryostat sections of the granulomatous tissue.

Results

We did not observe any significant reduction in granulomatous tissue wet weight or dry weight following the different radiation treatments, which indicates that anti-proliferative effects in response to the low radiation doses used, are probably not involved in the effects of anti-inflammatory radiotherapy. A single dose of 2 Gy on day 2, as well as fractionated treatment with 5×0.5 Gy lead to an increase in vascularity. iNOS-expression in the homogenized granulomatous tissue was decreased, being most pronounced after single-dose irradiation with 2 Gy on day 2, early on in the acute phase of inflammation. In contrast, the HO-1-expression was increased in all irradiated groups.

Conclusion

Low doses of radiation interfere with the NO- and the HO-1 pathway. Since NO contributes to several aspects of inflammation such as oedema formation and inflammatory pain, we put forward the hypothesis, that the inhibitory effect of low doses of ionizing radiation on the NO pathway is one radiobiological mechanism underlying the clinically observed efficacy of anti-inflammatory radiotherapy and might result in the reduction of swelling as well as relief of pain. Furthermore, the suppression of iNOS activity could be due to the increase in the stress protein HO-1 by low dose radiotherapy.

Key Words

Inflammation Radiotherapy Mouse granuloma pouch Nitric oxide Inducible nitric oxide synthase Heme oxygenase 

Effekte niedrig dosierter ionisierender Strahlung auf murines chronisch granulomatöses Gewebe

Zusammenfassung

Ziel

Es gibt zahlreiche klinische Beweise dafür, daß die niedrig dosierte Strahlentherapie in der Behandlung verschiedener gutartiger Erkrankungen erfolgreich ist. Experimentelle Untersuchungen dieser klinisch-empirischen Beobachtungen liegen jedoch nahezu nicht vor. Wir untersuchten in vivo die Effekte der niedrig dosierten Bestrahlung auf chronisch granulomatöses Gewebe unter Verwendung des Air-Pouch-Modells in der Maus.

Material und Methoden

Chronisch granulomatöses Gewebe wurde induziert und bestrahlt: Gruppe I: scheinbestrahlte Kontrolle; Gruppe II: 2 Gy am Tag 2; Gruppe III: 2 Gy am Tag 6; Gruppe IV: 5×0,5 Gy an den Tagen 2 bis 6. Am Tag 7 nach Induktion des Granuloms wurden das Feucht- und Trockengewicht des Granuloms bestimmt, dessen Vaskularität wurde mit Hilfe des Carmin-Assays beurteilt, die Expression der induzierbaren Stickoxydsynthase (iNOS) und der Häm-Oxygenase 1 (HO-1) wurden in homogenisiertem granulomatösem Gewebe (Western-Blot-Analyse) sowie die iNOS-Immunlokalisation in Cryostat-Schnitten untersucht.

Ergebnisse

Wir beobachteten unter den verschiedenen Behandlungsregimen keine signifikante Verminderung des Feucht- sowie des Trockengewichts des Granuloms, was darauf schließen läßt, daß antiproliferative Effekte in Reaktion auf die applizierten niedrigen Strahlendosen für die Effektivität der Entzündungsbestrahlung keine Rolle spielen. Einzeitbestrahlung mit 2 Gy am Tag 2 sowie fraktionierte Bestrahlung mit 5×0,5 Gy führten zu einer Erhöhung der Vaskularität. Die Western-Blot-Analyse der iNOS-Expression demonstrierte in allen bestrahlten Gruppen im Durchschnitt eine verminderte iNOS-Konzentration, die am ausgeprägtesten nach Einzeitbestrahlung mit 2 Gy am Tag 2 war, das heißt in der akuten Entzündungsphase. Die immunhistochemisch bestimmte Anzahl an iNOS-positiv markierten Zellen innerhalb der verschiedenen Bestrahlungsgruppen zeigte im wesentlichen ein vergleichbares Muster. Im Gegensatz dazu demonstrierte die Western-Blot-Analyse der HO-1-Expression erhöhte HO-1-Konzentrationen in allen bestrahlten Gruppen.

Schlußfolgerung

Niedrig dosierte ionisierende Strahlung interferiert mit dem NO- sowie dem HO-System. Da NO zu verschiedenen Aspekten der Entzündung wie Ödem und Schmerz beiträgt, postulieren wir, daß der inhibitorische Effekt niedriger Strahlendosen auf das NO-System einer der strahlenbiologischen Mechanismen der klinisch beobachteten Effektivität der Entzündungsbestrahlung ist und zu einem Rückgang des Entzündungsödems sowie einer Verminderung des Entzündungsschmerzes führen könnte. Des weiteren könnte die Suppression der iNOS-Aktivität auf eine strahleninduzierte Expression des Streßproteins HO-1 zurückzuführen sein.

Schlüsselwörter

Entzündung Strahlentherapie Air Pouch-Modell Stickoxyd Induzierbare Stickoxydsynthase Häm-Oxygenase 
This is a preview of subscription content, log in to check access.

References

  1. 1.
    Änggard E. Nitric oxide: mediator, murderer, and medicine. Lancet 1994;343:1199–206.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Appleton I, Tomlinson A, Colville-Nash PR, et al. Temporal and spatial immunolocalization of cytokines in murine chronic granulomatous tissue. Lab Invest 1993;69:405–14.PubMedGoogle Scholar
  3. 3.
    Appleton I, Tomlinson A, Mitchell JA, et al. Distribution of cyclooxygenase isoforms in murine chronic granulomatous inflammation. Implications for future anti-inflammatory therapy. J Pathol 1995;176:413–20.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Appleton I, Tomlinson A, Willoughby DA. Induction of cyclo-oxygenase and nitric oxide synthase in inflammation. Adv Pharmacol 1996;35:27–78.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Colville-Nash PR, Alam CA, Appleton I, et al. The pharmacological modulation of angiogenesis in chronic granulomatous inflammation. J Pharmacol Exp Ther 1995;274:1463–72.PubMedGoogle Scholar
  6. 6.
    Dinerman JL, Lowenstein CJ, Snyder SH. Molecular mechanisms of nitric oxide regulation. Circ Res 1993;73:217–22.PubMedGoogle Scholar
  7. 7.
    Ding AH, Nathan CF, Stuehr DJ. Release of reactive nitrogen intermediates and reactive oxygen intermediates from mouse peritoneal macrophages. Comparison of activating cytokines and evidence for independent production. J Immunol 1988;141:2407–12.PubMedGoogle Scholar
  8. 8.
    Drapier JC, Wietzerbin J, Hibbs JB Jr. Interferon-gamma and tumor necrosis factor induce the L-arginine-dependent cytotoxic effector mechanism in murine macrophages. Eur J Immunol 1988;18:1587–92.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Farrell AJ, Blake DR, Palmer RMJ, et al. Increased concentrations of nitrite in synovial fluid and serum samples suggest increased nitric oxide synthesis in rheumatic diseases. Ann Rheum Dis 1992;51:1219–22.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Forster C, Keilholz L, Kern P, et al. Modulation endothelabhängiger Adhäsion durch antiinflammatorische Bestrahlung mit niedriger Dosis. Strahlenther Onkol 1997;173:623.Google Scholar
  11. 11.
    Hatjikondi O, Ravazoula P, Kardamakis D, et al. In vivo experimental evidence that the nitric oxide pathway is involved in the X-ray-induced antiangiogenicity. Br J Cancer 1996;74:1916–23.PubMedGoogle Scholar
  12. 12.
    Hildebrandt G, Seed MP, Freemantle CN, et al. Mechanisms of anti-inflammatory activity of low dose radiation therapy. Int J Radiat Biol 1998; 74:367–78.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    Holthusen H. Involvement of the NO/cyclic GMP pathway in bradykinin evoked pain from veins in humans. Pain 1997;69:87–92.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    Holthusen H, Arndt JO. Nitric oxide evokes pain at nociceptors of the paravascular tissue and veins in humans. J Physiol 1995;487:253–8.PubMedGoogle Scholar
  15. 15.
    Holthusen H, Arndt JO. The role of pain from veins for the formation of perivenous edema in humans. Pain 1996;68:395–400.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Jenkins DC, Charles IG, Thomsen LL, et al. Roles of nitric oxide in tumor growth. Proc Natl Acad Sci USA 1995;92:4392–96.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    Kimura M, Amemiy K, Yamada T, et al. Quantitative method for measuring adjuvant-induced angiogenesis in insulin-treated diabetic mice. J Pharmacol Biodyn 1986;9:442–6.Google Scholar
  18. 18.
    McCartney-Francis N, Allen JB, Mizel DE, et al. Suppression of arthritis by an inhibitor of nitric oxide synthase. J Exp Med 1993;178:749–54.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    Mulligan MS, Hevel JM, Marletta MA, et al. Tissue injury caused by deposition of immune complexes is L-arginine dependent. Proc Natl Acad Sci USA 1991;88:6338–42.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    Palmer RMJ, Ferigie AG, Moncada S. Nitric oxide release accounts for the biological activity of endothelium-derived relaxing factor. Nature 1987;327:524–7.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Pipili-Synetos E, Sakkoula E, Haralabopoulos G, et al. Evidence that nitric oxide is an endogenous antiangiogenic mediator. Br J Pharmacol 1994;111:894–902.PubMedGoogle Scholar
  22. 22.
    Reinhold HS, Buisman GH. Radiosensitivity of capillary endothelium. Br J Radiol 1973;46:54–7.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    Stefanovic-Racic M, Stadler J, Evans CH. Nitric oxide and arthritis. Arthritis Rheum 1993;36:1036–44.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Tomlinson A, Appleton I, Moore AR, et al. Localisation of isoforms of cyclooxygenase (COX) and nitric oxide synthase (NOS) in models of acute and chronic inflammation. Proc. 9th Int Conf Prostaglandins & Related Compounds, Florence 1994:37.Google Scholar
  25. 25.
    Trott KR. Therapeutic effects of low radiation doses. Strahlenther Onkol 1994;170:1–12.PubMedGoogle Scholar
  26. 26.
    Trott KR, Parker R, Seed MP. The effect of X-rays on experimental arthritis in the rat. Strahlenther Onkol 1995, 171:534–8.PubMedGoogle Scholar
  27. 27.
    Van den Brenk HAS, Sharpington C, Orton C, et al. Effects of X-irradiation on growth and function of the repair blastema (granulation tissue). II. Measurements of angiogenesis in the Selye pouch in the rat. Int J Radiat Biol 1974;25:277–89.CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    Vane JR, Mitchell JA, Appleton I, et al. Inducible isoforms of cyclooxygenase and nitric-oxide synthase in inflammation. Proc Natl Acad Sci USA 1993;91:2046–50.CrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    Willis D, Moore AR, Frederick R, et al. Heme oxygenase: a novel target for the modulation of the inflammatory response. Nature Med 1996;2:87–90.PubMedCrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    Ziche M, Morbidelli L, Masini E, et al. Nitric oxide mediates angiogenesis in vivo and endothelial cell growth in vitro promoted by substance P. J Clin Invest 1994;94:2036–44.PubMedCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Urban & Vogel 1998

Authors and Affiliations

  • Guido Hildebrandt
    • 1
  • Michael Peter Seed
    • 2
    • 4
  • Claire Nicole Freemantle
    • 2
    • 4
  • Chandan A. S. Alam
    • 2
    • 4
  • Paul Richard Colville-Nash
    • 2
    • 4
  • Klaus Rüdiger Trott
    • 3
    • 4
  1. 1.Klinik für Strahlentherapie und RadioonkologieUniversität LeipzigLeipzigGermany
  2. 2.Department of Experimental PathologySaint Bartholomew’s HospitalLondonUK
  3. 3.Department of Radiation BiologySaint Bartholomew’s HospitalLondonUK
  4. 4.Royal London School of Medicine and DentistryLondonUK

Personalised recommendations