Hypofractionated Stereotactic Radiotherapy to the Rat Hippocampus

Purpose:

To determine the effect of hypofractionated stereotactic radiotherapy (hfSRT) on adult rat brain tissue (necrosis, impact on blood-brain barrier, signal changes on high-field magnetic resonance imaging [MRI]).

Material and Methods:

Adult male Wistar rats underwent MRI and CT scanning of the brain and respective images were introduced into the Novalis™ radiosurgery device (BrainLab, Feldkirchen, Germany). All animals (body weight 350 g) were irradiated weekly with doses of 2 × 10 Gy (n = 3 animals), 3 × 10 Gy (n = 3 animals) and 4 × 10 Gy (n = 3 animals), targeted to the left hippocampus after image-guided positioning. 4.7-T T2-weighted MRI scanning was performed in each animal. Animals were sacrificed 8, 12, and 16 weeks after hfSRT and brains were immersion-fixed in 4% paraformaldehyde for subsequent histopathologic analysis.

Results:

In concordance with isodose distributions, pathologic signal hyperintensities in MRI were recorded from 4 × 10 Gy after 8 weeks, 3 × 10 Gy after 12 weeks, while 2 × 10 Gy induced slight detectable alterations only after 16 weeks. Subsequent histopathologic analysis revealed hippocampal cell necrosis with significantly earlier and stronger occurrence for higher doses (40 Gy > 30 Gy > 20 Gy). Pial microvessel permeability also increased after 40 Gy, whereas 30 Gy induced moderate changes.

Conclusion:

Conclusion: Partial-brain irradiation with hfSRT (Novalis™ System) was successfully adopted for small animals and histopathologic analysis confirmed its repositioning accuracy. The neuropathologic effects correlated with dose and observation time. The approach will be further developed for quality assurance in hfSRT of normal brain tissue, as well as novel treatment modalities in epileptic rats and orthotopic tumor models.

Ziel:

Untersuchung der Effekte einer hypofraktionierten stereotaktischen Bestrahlung (hfSRT) auf das Gehirn der erwachsenen Ratte bezüglich Nekroseentstehung, Veränderungen der Blut-Hirn-Schranke und Veränderungen in der Kernspintomographie (MRT).

Material und Methodik:

Männliche Wistar-Ratten wurden mittels MRT und Computertomographie gescannt, und die Bildgebung wurde zur Planung im Novalis™-System (BrainLAB, Feldkirchen) verwendet. Alle Tiere wurden wöchentlich mit 2 × 10 Gy (n = 3), 3 × 10 Gy (n = 3) und 4 × 10 Gy (n = 3) am linken Hippocampus nach bildgestützter Isozentrumseinstellung bestrahlt. Alle erhielten T2-gewichtete 4,7-T-Verlaufs-MRTs. Die Tiere wurden nach 8, 12 und 16 Wochen getötet.

Ergebnisse:

In Übereinstimmung mit der Dosisverteilung zeigten sich pathologische Signalverstärkungen nach 4 × 10 Gy nach 8 Wochen, nach 3 × 10 Gy nach 12 Wochen. 2 × 10 Gy resultierten nur in geringfügiger Veränderung nach 16 Wochen. Die histopathologischen Untersuchungen ergaben hippokampale Nekrosen mit signifikant früherer und stärkerer Ausprägung bei höheren Dosen (40 Gy > 30 Gy > 20 Gy). Die piale Gefäßdurchlässigkeit stieg ebenso nach 40 Gy an, während 30 Gy moderate Veränderungen verursachten.

Schlussfolgerung:

Die kleinvolumige hypofraktionierte Teilhirnbestrahlung konnte erfolgreich an der Ratte durchgeführt werden. Die histopathologische Aufarbeitung bestätigte die hohe Präzision der Repositionierung. Dabei korrelierten die neuropathologischen Effekte mit der Dosis und der Nachbeobachtungszeit. Der hier etablierte experimentelle Ansatz wird weiterentwickelt werden, sowohl für Untersuchungen zur Auswirkung der hfSRT am normalen Hirngewebe als auch an epileptischen Ratten und orthotopen Tumormodellen.