Exogenous Modulation of TGF-β₁ Influences TGF-βR-III-Associated Vascularization during Wound Healing in Irradiated Tissue

Background and Purpose:

Following preoperative radiotherapy prior to ablative surgery of squamous epithelial cell carcinomas of the head and neck region, wound-healing disorders occur. Previous experimental studies showed altered expression of transforming growth factor-(TGF-)β isoforms following surgery in irradiated graft beds. Altered levels of TGF-β₁ are reported to promote fibrosis and to suppress vascularization during wound healing, whereas expression of TGF-β receptor-III (TGF-βR-III) is associated with vascularization. The aim of the study was to analyze the influence of anti-TGF-β₁ treatment on TGF-βR-III-associated vascularization in the transition area between irradiated graft bed and graft.

Material and Methods:

Wistar rats (male, weight 300–500 g) underwent preoperative irradiation of the head and neck region with 40 Gy (four fractions of 10 Gy each; n = 16 animals). A free myocutaneous gracilis flap taken from the groin was then transplanted to the neck in all rats. The time interval between operation and transplantation was 4 weeks. Eight animals received 1 µg anti-TGF-β₁ into the graft bed by intradermal injection on days 1–7 after surgery. On days 3, 7, 14, 28, 56, and 120, skin samples were taken from the transition area between transplant and graft bed and from the graft bed itself. Immunohistochemistry was performed using the ABC-POX method to analyze the TGF-βR-III and E-selectin expression. Histomorphometry was performed to analyze the percentage and the area of positively stained vessels.

Results:

A significantly higher expression of TGF-βR-III was seen in the irradiated and anti-TGF-β₁-treated graft bed in comparison to the group receiving preoperative irradiation followed by transplantation alone. The percentage of TGF-βR-III positively staining capillaries from the total amount of capillaries in the anti-TGF-β₁-treated graft bed was higher than in the group irradiated only. The total area of capillaries was also higher in the TGF-β₁-treated group.

Conclusion:

Neutralizing of TGF-β₁ activity in irradiated tissue undergoing surgery leads to a higher expression of TGF-βR-III and increased vascularization. TGF-βR-III seems to be associated with newly formed blood vessels during neovascularization in wound healing.

Hintergrund und Ziel:

Nach präoperativer Strahlentherapie und Chirurgie zur Behandlung von Plattenepithelkarzinomen im Kopf-Hals-Bereich treten Wundheilungsstörungen auf. Entzündliche Veränderungen und Änderungen der Zytokinexpression führen zu verzögerter Heilung und Fibrosierung. Experimentelle Voruntersuchungen zeigten eine erhöhte Expression der „transforming growth factor“-(TGF-)β-Isoformen TGF-β_{1, 2} nach Chirurgie im vorbestrahlten Transplantatlager. Die erhöhte TGF-β₁-Expression fördert die Fibrosierung und vermindert die Vaskularisation; der Rezeptor TGF-βR-III ist hingegen mit einer Neovaskularisation assoziiert. Ziel der Untersuchung war die Analyse des Einflusses einer Anti-TGF-β₁-Antikörper-Behandlung auf die Ausprägung der TGF-βR-III-assoziierten Kapillarneubildung im Übergangsbereich zwischen bestrahltem Transplantatlager und Transplantat.

Material und Methodik:

Wistar-Ratten (männlich, 300–500 g) wurden mit einer Dosis von 4 × 10 Gy im Halsbereich präoperativ bestrahlt (16 Tiere). Ein freier myokutaner Grazilislappen wurde bei allen Tieren in der Leistengegend gehoben und in den Halsbereich transplantiert. Das Zeitintervall zwischen Bestrahlung und Operation betrug 4 Wochen. Acht Tiere erhielten an den postoperativen Tagen 1–7 eine intradermale Injektion von 1 µg Anti-TGF-β₁ in das Transplantatlager. An den Tagen 3, 7, 14, 28, 56 und 120 nach Operation wurden Hautbiopsien aus dem Übergangsbereich zwischen Transplantat und Transplantatlager gewonnen und immunhistochemisch gefärbt (ABC-POX-Methode). Die Expression von TGF-βR-III und E-Selectin wurde evaluiert. Zur Analyse der relativen Kapillaranzahl und der relativen Kapillarfläche wurde eine Histomorphometrie durchgeführt.

Ergebnisse:

Eine signifikant erhöhte Expression von TGF-βR-III wurde in der präoperativ bestrahlten und Anti-TGF-β₁-behandelten Gruppe im Vergleich zur ausschließlich vorbestrahlten Gruppe nachgewiesen. Der Anteil TGF-βR-III-positiver Kapillaren an der Gesamtkapillarfläche war in der Anti-TGF-β₁-behandelten Gruppe größer. Die Vaskularisation (Gefäßanzahl je Fläche) war in der Anti-TGF-β₁-behandelten Gruppe ebenfalls größer.

Schlussfolgerung:

Die postoperative Applikation von neutralisierenden Antikörpern gegen TGF-β₁ im vorbestrahlten Gewebe führt zu einer erhöhten TGF-βR-III-Expression und zu einer vermehrten Vaskularisation. TGF-βR-III ist offenbar mit Gefäßneubildung im Verlauf der Wundheilung assoziiert.