Proof of Direct Radiogenic Destruction of Collagen in Vitro

Background:

Fibroses of vessels and soft tissue are side effects of radiotherapy. The authors assumed that there was an immediate direct radiogenic damage of collagen of bone, periosteum and skin.

Material and Methods:

15 porcine jaws samples (group 1) were exposed to a total dose of 60 Gy (cobalt-60, 2 Gy/day, five fractions/week). 15 jaws samples were stored accordingly (group 2, no irradiation, control). Collagen fragments of bone, periosteum and skin samples of groups 1 and 2 were isolated by ultrafiltration. Collagen types were characterized by SDS-PAGE measurement of the mature collagen cross-links hydroxylysylpyridinoline (HP) and lysylpyridinoline (LP) by high-performance liquid chromatography (HPLC) and analysis of hydroxyproline (Hyp) was used to determine the ratio of the amount of collagen fragments from irradiated as opposed to nonirradiated samples.

Results:

The concentrations of HP, LP and Hyp in ultrafiltrates of probes of irradiated bone, periosteum and skin were markedly increased (average factors for bone: 3.69, 1.84, and 3.40, respectively; average factors for periosteum: 1.55, 1.41, and 1.77, respectively; average factors for skin: 1.55, 1.60, and 2.23, respectively) as compared to nonirradiated probes. SDS-PAGE did show collagen types I and V in nonirradiated bone, I and III in nonirradiated skin, and I in nonirradiated periosteum samples. In irradiated samples, smeared bands illustrated fragmentation of the collagen molecule.

Conclusion:

The increased concentrations of HP, LP and Hyp in ultrafiltrates indicated increased concentrations of split collagen. Direct and instant radiogenic damage of (extracellular matrix of) bone, periosteum and skin tissue collagen could be demonstrated.

Hintergrund:

Fibrosierungen von Haut und Gefäßen sind Begleiterscheinungen einer Strahlentherapie. Die Autoren nehmen an, dass es eine direkte radiogene Kollagenschädigung an Knochen, Periost und Haut gibt.

Material und Methodik:

15 Schweinekieferproben (Gruppe 1) wurden mit einer Gesamtdosis von 60 Gy (2 Gy ED, fünf Fraktionen/Woche) an einem Telekobaltgerät bestrahlt. Als unbestrahlte Kontrollgruppe wurden 15 Schweinekieferproben unter gleichen Bedingungen aufbewahrt (Gruppe 2). Kollagenfragmente aus dem Knochen, dem Periost und der Haut beider Gruppen wurden mittels Ultrafiltration isoliert. Die verschiedenen Kollagentypen wurden mittels SDS-PAGE analysiert. Die gefundenen Mengen reifer Kollagenfragmente Hydroxylysylpyridinolin (HP) und Lysylpyridinolin (LP) der bestrahlten und unbestrahlten Proben wurden in Verhältnis zueinander gesetzt.

Ergebnisse:

Die Konzentrationen von HP, LP und Hyp (Hydroxyprolin) im Ultrafiltrat der bestrahlten Proben (Knochen, Periost und Haut) waren im Vergleich zur unbestrahlten Gruppe deutlich erhöht. Die jeweiligen durchschnittlichen Faktoren waren für Knochen um den Faktor 3,69, 1,84 bzw. 3,40, für das Periost um den Faktor 1,55, 1,41 bzw. 1,77 und für die Haut um den Faktor 1,55, 1,60 bzw. 2,23 erhöht. In der SDS-PAGE fanden sich in der unbestrahlten Gruppe Kollagen Typ I und V im Knochen, Typ I und III in der Haut und Typ I im Periost. Bei den bestrahlten Proben stellten sich nur verschmierte Bänder als Zeichen der Fragmentierung der Kollagenmoleküle dar.

Schlussfolgerung:

Die erhöhten Konzentrationen von HP, LP und Hyp im Ultrafiltrat deuten auf eine erhöhte Konzentration von gespaltetem Kollagen hin. Ein direkter radiogener Schaden der Extrazellulärmatrix sowie an Knochen-, Periost- und Hautgewebe konnte so in vitro nachgewiesen werden.