Effekten af hyperbar ilt på spytkirtlernes funktion før og efter strålebehandling

Effekten af hyperbar ilt på spytkirtlernes funktion før og efter strålebehandling

Af:

J. Knudsen

Under forsknings vejledning af:

O. Hyldegaard (projektvejleder), SA. Engelholm (projektvejleder)

og B. Nauntofte (hovedvejleder).

Indledning.

Kræft i hoved og hals regionen behandles ofte med radioterapi. Ved bestråling af hoved og hals region inkluderes spytkirtlerne ofte i strålingsfeltet. Denne stråling resultere ofte i alvorlige komplikationer i mundhulen, som eksempelvis osteoradionekrose, typisk i mandiblen, mucosal nekrose samt nedsat spytproduktion. Hyposalivation og xerostomi er komplikationer som medføre en reduceret helbredstilstand i mundhulen og deraf en forringet livskvalitet [1].

Stråleskader inkludere nedbrydning af vævet. Dette er karakteriseret ved en reduktion i densiteten af de små blodåre (reduceret vaskularitet) og en erstatning af det normale væv med fibrøst væv (fibrose), hvilket medføre nedsat ilt tilførsel, hvorved der ikke er ilt nok til at opretholde normal vævs funktion [2].

Hyperbar oxygen (HBO) stimulere angiogenese, proliferation af fibroblaster og osteoblaster samt dannelsen af collagen i det bestrålet væv, desuden øges det cellulære ilt niveau [3, 4]. HBO kunne derfor tænkes at hjælpe patienter der lider af komplikationer i mundhulen som følge af bestråling af hoved og hals regionen. Det er tidligere vist en gavnlig effekt af HBO på patienter som lider af osteoradionecrose [5]. Grundet den primære iskæmiske funktion af osteoradionekrose er der i teorien mange gode grunde til at gøre brug af  HBO til behandling. Derudover har HBO vist sig at have en antibakteriel virkning på enkelte anarobe bakterier, det virker hæmmende på væksten for nogle arter af escherischia, og det øger mængden af bakterie som dør ved phagocytose [6, 7]. Disse egenskaber vil yderligere kunne bidrage i behandlingen af patienter med vævs nekrose da de ofte er plaget af kroniske infektioner.

HBO’ effekt på spyt kirtel funktionen er aldrig blevet undersøgt, men et klinisk pilot studie har givet indicer på at HBO kan have en gavnlig effekt på spytproduktionen (Hyldegaard og Andersen, ikke offentligt gjort observation). Spytkirtlerne tilhøre gruppen af væv som hurtigt påvirkes af stråling, dette til trods for at de sekretoriske celler har en langsom celledelings cyklus [8] sammenlignet med andre væv i den gruppe. Virkningen af strålerne er lidt af en gåde idet der i bestrålet væv med nedsat spytproduktion ikke har kunne påvises et tab af sekretoriske celler.

Vand sekretionen er påvist reduceret allerede de første par dage efter en enkelt dose stråling [9]. Den mest plausible forklaring på denne akutte effekt af strålerne er at der opstår skader i plasmamembranen i de sekretoriske celler, hvilket vil kunne forstyrre den muscariniske receptor genererede sekretion. Skaderne på plasmamembranen menes at opstå ved at en hydroxyl radikal, dannet ved bestrålingen, tiltrækker en hydrogen radikal fra den umættede akylkæde. Den derved dannede alkyl radikal er i stand til at reagere med oxygen og danner en peroxy radikal som er er i stand til at binde en hydroxyl radikal fra ny alkylkæde hvorved der opstår hydro peroxid og en ny alkyl radikal som igen er i stand til at reagere med oxygen hvorved der er startet en kædereaktion [10, 11].

Nyligt publiceret arbejde har foreslået at HBO forøger aktiviteten af de antioxidative forsvars proteiner, superoxid dismutase (SOD) og catalase (CAT), både i mennesker og rotter [12, 13]. Det er derfor nærliggende at tror at HBO, ved at øge aktiviteten af SOD og CAT, kan reducere de stråle inducerede akutte oxidative skader opstået i plasma membranen på de sekretoriske celler.

På længere sigt skyldes manifestere stråle skaderne sig hovedsageligt fordi stamcellerne undergår mitotisk celle død. Tabet af stamceller medføre at de sekretoriske celler i kirtlen får nedsat regenereringsevne. Men de skyldes også de skader der er påført det extracellulære miljø hvilket har medført en forringet celle funktion.

Det er blevet foreslået at visse fibroblast vækst faktor accelerere spytkirtel vævs regenerering i rotter [14, 15]. Og HBO har vist sig at kunne stimulere fibroblast proliferation og frigivelsen af vaskulære endotheliel vækst faktor (VEGF) [16]. Stimulationen af VEGF har vist sig at være afhængig af nitrogen oxid (NO) [17]. Og flere arbejder har fundet at HBO har indvirkning på produktionen af NO, samt på ekspressionen af både endothelial NO synthase (eNOS) og inducerbar NOS (iNOS) [18-21]. Den øgede NO produktion kunne også være grunden til den øget blod gennemstrømning i iskæmisk væv observeret under HBO behandling. Desuden har NO vist sig og være vasodilaterende. Desuden spiller NO en central rolle i angiogenesen.

Det er vist at stamceller søger mod iskæmisk væv, hvor de hjælper til dannelsen af ny blodkar, ved at omdanne sig til endotheial celler (vasculogenesis) [22, 23]. Det er fornyeligt bevist at HBO er i stand til at kunne mobilisere stamceller fra benmarven ,ved en NO afhængig mekanisme i mennesker og mus, og at NO koncentrationen i ben marven øges ved HBO behandling [24]. NO bliver frigivet fra både endothelial- og acinar celler. I spytkirtlerne er frigivelsen af NO forslået at kunne sikre blodtilførslen ved sekretion over længere tid samt at kunne mediere signalering mellem nabo celler [25]. Vi foreslår derfor at NO spiller en central rolle i ved sekretion fra spytkirtelen samt deltagelse i rekrutteringen  af stamceller til stråleskadede spytkirtler og vi mener at HBO vil gavne denne proces.


Målsætning for projektet.

At belyse effekten af HBO på dannelsen af nye blodkar i spytkirtlerne, samt funktion og struktur af spytkirtlerne under normale fysiologiske forhold og efter strålebehandling.

Specifikke mål

1. HBO’ effekt på spytsekretionen og sammensætning

  1. Først vil effekten af HBO blive belyst i ubehandlede rotter. Resultatet vil blive sammenlignet med rotter som ikke har været behandlet med HBO. Vores hypotese er at HBO ved at øge cellernes iltindhold [26] øger indholdet af NO, resulterende i en øget spytsekretion og som følge deraf en ændret spytsammensætning.
  2. Det er vist at stråling medføre en ændring i sammensætningen og sekretionen af spyt fra spytkirtlerne i rotter [8, 9, 26]. Sekretions raten samt lag fasen af spyt fra strålede rotter som er blevet behandlet med HBO vil blive sammenlignet med rotter som ikke har modtaget HBO behandling. Vores hypotese er at lag fasen og sekretions raten er nedsat i rotter som ikke er blevet behandlet med HBO og øget i rotter der er blevet behandlet med HBO. Da vi mener at HBO inducere angiogenese, fibroblast prolifration samt collagen dannelsen i det bestrålede væv hvilket resultere i en hurtigere vævs regeneration efter bestråling.

2. HBO’ effekt på ilt indholdet i spytkirtlerne og det omgivende væv.

Vi mener at en effekt af HBO på sammensætningen og sekretionen af spyt fra spytkirtlerne til dels skyldes en stigning i cellernes ilt indhold  hvilket medføre et øget antioxidaktivt forsvar og en øget NO produktion. Vi forventer derfor at finde en øget ilt tension i kirtlen fra behandlede rotter sammenlignet med ikke HBO behandlede rotter udsat for bestråling.

3. HBO’ effekt på dannelsen af fibroblaster.

Da dannelsen af fibroblaster kan accelerere regenerationen af vævet i spytkirtlen [14] og HBO er i stand til at stimulere dannelsen af fibroblaster og angiogenesen (16), er vores hypotese at rotter behandlet med HBO vil have mindre fibrose sammenlignet med ubehandlede rotter.

4. HBO’ effekt på vaskulariteten og blod gennemstrømningen.

Vores hypotese er at der vil være øget blod gennemstrømning i spytkirtlerne hos rotter behandlet med HBO, grundet HBO´ evne til at stimulere angiogenesen og øge den vasculere frigivelse af NO  sammen med den endogene produktion af NO i spytkirtlerne (3,19). HBO’s effekt på vasculariteten og blod tilførslen vil blive målt i både bestrålede og ikke bestrålede rotte ved hjælp af laser-Doppler flowcytometri (LDF).

5. Er HBO i stand til at ændre mængden af NO i spytkirtlerne?

NO forsager vasodilation, hvilket er essentielt for at sikre en tilstrækkelig blod tilførsel ved længer varende sekretion, samt at kunne mediere signal transduktion mellem celler (25). Da HBO har vist sig at kunne påvirke produktionen af NO (18, 19) forventer vi en øget mængde NO i spytkirtlerne på rotter som er behandlet med HBO. 

6. Frigivelsen af stamceller fra knoglemarven.

Et nyligt publiceret arbejde har vist at HBO er i stand til at stimulere frigivelsen af stamceller fra knoglemarven ved at stimulere NO (24). Vores hypotese er at vi ved at behandle med HBO er i stand til at øge mængden af NO og vi forventer derfor at finde en øget mængde stamceller i blodet. Da det er vist at stamceller søger mod hypoxisk væv hvor de bidrager til dannelsen af nye blodkar forventer vi at der vil være en øget mængde stamceller i det stråleskadede spytkirtel væv.

7. Interaktioner mellem spytkirtlerne og det omgivende væv.

Det er påstået at spytkirtlerne frigiver proteiner. Der er i litteraturen ingen klar konsensus omkring den konkrete vej(e) hvorigennem spytkirtlerne frigiver proteiner til blodbanen.(27). Ved brug af mikrodialyse er vi i stand til at opsamle den interstinal væske som omgiver kirtlerne. Ved at analysere den opsamlede væske for dens protein profil er vi i stand til at detektere hvordan strålingen påvirker protein transporten fra kirtlerne til det omgivende væv samt hvordan strålingen påvirker protein sammensætningen interstitinal væsken.

 

Referencer

1.         Jensen, S.B., et al., Xerostomia and hypofunction of the salivary glands in cancer therapy. Support Care Cancer, 2003. 11(4): p. 207-25.

2.         Stone, H.B., et al., Effects of radiation on normal tissue: consequences and mechanisms. Lancet Oncol, 2003. 4(9): p. 529-36.

3.         Mayer, R., et al., Hyperbaric oxygen and radiotherapy. Strahlenther Onkol, 2005. 181(2): p. 113-23.

4.         Gill, A.L. and C.N. Bell, Hyperbaric oxygen: its uses, mechanisms of action and outcomes. Qjm, 2004. 97(7): p. 385-95.

5.         Granstrom, G., Radiotherapy, osseointegration and hyperbaric oxygen therapy. Periodontol 2000, 2003. 33: p. 145-62.

6.         Knighton, D.R., B. Halliday, and T.K. Hunt, Oxygen as an antibiotic. The effect of inspired oxygen on infection. Arch Surg, 1984. 119(2): p. 199-204.

7.         Mader, J.T., et al., Hyperbaric oxygen as adjunctive therapy for osteomyelitis. Infect Dis Clin North Am, 1990. 4(3): p. 433-40.

8.         Konings, A.W., R.P. Coppes, and A. Vissink, On the mechanism of salivary gland radiosensitivity. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2005. 62(4): p. 1187-94.

9.         Vissink, A., et al., Irradiation-induced changes in secretion and composition of rat saliva. J Biol Buccale, 1990. 18(1): p. 3-8.

10.        Bergamini, C.M., et al., Oxygen, reactive oxygen species and tissue damage. Curr Pharm Des, 2004. 10(14): p. 1611-26.

11.        Azzam, E.I., S.M. de Toledo, and J.B. Little, Stress signaling from irradiated to non-irradiated cells. Curr Cancer Drug Targets, 2004. 4(1): p. 53-64.

12.        Edremitlioglu, M., et al., The effect of hyperbaric oxygen treatment on the renal functions in septic rats: relation to oxidative damage. Surg Today, 2005. 35(8): p. 653-61.

13.        Oter, S., et al., Correlation between hyperbaric oxygen exposure pressures and oxidative parameters in rat lung, brain, and erythrocytes. Clin Biochem, 2005. 38(8): p. 706-11.

14.        Okazaki, Y., et al., Acceleration of rat salivary gland tissue repair by basic fibroblast growth factor. Arch Oral Biol, 2000. 45(10): p. 911-9.

15.        Hiramatsu, Y., et al., Effects of basic fibroblast growth factor on cultured rat and human submandibular salivary gland cells. Arch Oral Biol, 2000. 45(7): p. 593-9.

16.        Kang, T.S., et al., Effect of hyperbaric oxygen on the growth factor profile of fibroblasts. Arch Facial Plast Surg, 2004. 6(1): p. 31-5.

17.        Dulak, J. and A. Jozkowicz, Regulation of vascular endothelial growth factor synthesis by nitric oxide: facts and controversies. Antioxid Redox Signal, 2003. 5(1): p. 123-32.

18.        Thom, S.R. and D.G. Buerk, Nitric oxide synthesis in brain is stimulated by oxygen. Adv Exp Med Biol, 2003. 510: p. 133-7.

19.        Thom, S.R., et al., Stimulation of perivascular nitric oxide synthesis by oxygen. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2003. 284(4): p. H1230-9.

20.        Lee, C.C., et al., Hyperbaric oxygen induces VEGF expression through ERK, JNK and c-Jun/AP-1 activation in human umbilical vein endothelial cells. J Biomed Sci, 2005: p. 1-14.

21.        Knighton, D.R., I.A. Silver, and T.K. Hunt, Regulation of wound-healing angiogenesis-effect of oxygen gradients and inspired oxygen concentration. Surgery, 1981. 90(2): p. 262-70.

22.        Aicher, A., C. Heeschen, and S. Dimmeler, The role of NOS3 in stem cell mobilization. Trends Mol Med, 2004. 10(9): p. 421-5.

23.        Carmeliet, P., Mechanisms of angiogenesis and arteriogenesis. Nat Med, 2000. 6(4): p. 389-95.

24.        Thom, S.R., et al., Stem cell mobilization by hyperbaric oxygen. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2005.

25.        Looms, D., et al., Nitric oxide signalling in salivary glands. J Oral Pathol Med, 2002. 31(10): p. 569-84.

26.        Vissink, A., et al., A functional and chemical study of radiation effects on rat parotid and submandibular/sublingual glands. Radiat Res, 1990. 124(3): p. 259-65.

27.        Isenman, L., C. Liebow, and S. Rothman, The endocrine secretion of mammalian digestive enzymes by exocrine glands. Am J Physiol, 1999. 276(2 Pt 1): p. E223-32.

28.        Cotteleer, F., et al., Three-dimensional dose distribution for partial irradiation of rat parotid glands with 200kV X-rays. Int J Radiat Biol, 2003. 79(9): p. 689-700.

29.        Vissink, A., et al., An adaptation of the Lashley cup for use in rat saliva collection. Arch Oral Biol, 1989. 34(7): p. 577-8.

30.        Coppes, R.P., A. Vissink, and A.W. Konings, Comparison of radiosensitivity of rat parotid and submandibular glands after different radiation schedules. Radiother Oncol, 2002. 63(3): p. 321-8.

31.        Paulsen, K.D., K.S. Osterman, and P.J. Hoopes, In vivo electrical impedance spectroscopic monitoring of the progression of radiation-induced tissue injury. Radiat Res, 1999. 152(1): p. 41-50.

32.        Berggreen, E., H. Wiig, and K.J. Heyeraas, Blood flow and interstitial fluid pressure in the rat submandibular gland during changes in perfusion. J Dent Res, 2003. 82(11): p. 899-902.

33.        Leahy, M.J., et al., Principles and practice of the laser-Doppler perfusion technique. Technol Health Care, 1999. 7(2-3): p. 143-62.

34.        Sasano, T., et al., Calibration of laser Doppler flowmetry for measurement of gingival blood flow. J Periodontal Res, 1995. 30(4): p. 298-301.

35.        Johnson, J.M., et al., Laser-Doppler measurement of skin blood flow: comparison with plethysmography. J Appl Physiol, 1984. 56(3): p. 798-803.