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The Böllstein Odenwald is forming a large anticline of mainly pre-Devonian rock in the Mid-German Crystalline Zone (MCGZ). The contact between core and schist envelope of the anticline is well exposed at Weichberg quarry. Metasedimentary rocks of the schist envelope are intruded by granodioritic sills of a Silurian magmatic arc, showing at least two folding phases: Recumbent tight isoclinal folds are overprinted by upright gentle folds. A pegmatite dike, intruding at 411 ±2 Ma (U-Pb analyses on zircon) into the schist envelope rocks, crosscuts perpendicular to the main foliation. It shows only a weak schistosity related to the isoclinal folding, which therefore must have been active in Lower Devonian (>411 ±2 Ma; Lochkovian/Pragian) after the Silurian intrusion of the granodiorite sills (U-Pb on zircon ca. 423 Ma, Dörr et al. in press). The Lower Devonian deformation of the East Odenwald probably results from the collision of the MGCZ with the NW boundary of the Saxothuringian Zone. The core is represented by a (meta)granite intruding into the schist envelope at 404 ±2 Ma (U-Pb method on zircon). A deformed fold directly at the contact between metagranite and metasediments and dikes terminated at the contact point to eastward directed tectonic movements between core and schist envelope after 404 ±2 Ma, probably at 375 Ma (U-Pb on zircon, Todt et al. 1995). These results are compared to other units occupying a similar position in the European Variscides and help to clarify the position of the East Odenwald during Variscan orogeny.

International audience

Purpose The aim of this work was to characterise actuarial incidence and prevalence of early and late side effects of local versus pelvic three-dimensional conformal postoperative radiotherapy for prostate cancer. Materials and methods Based on a risk-adapted protocol, 575 patients received either local (n = 447) or local-plus-pelvic (n = 128) radiotherapy. Gastrointestinal (GI) and genitourinary (GU) side effects (≥grade 2 RTOG/EORTC criteria) were prospectively assessed. Maximum morbidity, actuarial incidence rate, and prevalence rates were compared between the two groups. Results For local radiotherapy, median follow-up was 68 months, and the mean dose was 66.7 Gy. In pelvic radiotherapy, the median follow-up was 49 months, and the mean local and pelvic doses were 66.9 and 48.3 Gy respectively. Early GI side effects ≥ G2 were detected in 26% and 42% of patients respectively (p < 0.001). Late GI adverse events were detected in 14% in both groups (p = 0.77). The 5‑year actuarial incidence rates were 14% and 14%, while the prevalence rates were 2% and 0% respectively. Early GU ≥ G2 side effects were detected in 15% and 16% (p = 0.96), while late GU morbidity was detected in 18% and 24% (p = 0.001). The 5‑year actuarial incidence rates were 16% and 35% (p = 0.001), while the respective prevalence rates were 6% and 8%. Conclusions Despite the low prevalence of side effects, postoperative pelvic radiotherapy results in significant increases in the actuarial incidence of early GI and late GU morbidity using a conventional 4‑field box radiotherapy technique. Advanced treatment techniques like intensity-modulated radiotherapy (IMRT) or volumetric modulated arc radiotherapy (VMAT) should therefore be considered in pelvic radiotherapy to potentially reduce these side effects.

International audience

The risk of radiation effects to normal tissues is an important factor, both in the process of considering radiotherapy and in the optimization of personalized radiotherapy for individual patients. Severe toxicity may cause a lifelong reduction in quality of life and sometimes the risk of morbidity even limits dose and efficacy of the treatment. Developments in treatment technology have increased the possibilities to reduce dose to normal tissues. Moreover, the same developments have also increased the number of ways to influence numerous characteristics of the three-dimensional dose distribution. For example, multi-leaf collimators offer increased control of beam shapes. Increasing computation power improves the ability of treatment planning systems to handle an increasing number of beams, or even rotational techniques. Finally the availability of particle therapy offers beams with entirely new dose-depth curves and for heavier ions even variations in the biological effects of dose.

The public perception of ionising radiation focuses on its exploitation for energy production and medicine (diagnostics, therapy). In contrast, natural sources of ionising radiation are rarely considered, which contribute to more than half of the total radiation exposure. With regard to biological consequences, stochastic radiation effects (e. g. mortality of radiation-induced cancer, genetic effects), where the probability increases with dose, and deterministic radiation effects (pathological changes, e. g. changes of gonads, embryo and fetus) for which severity increases with dose, must be distinguished. Ionizing radiation is frequently linked to various risks (cancer, genetic damage, acute radiation syndrome). Usually, these risks are over-estimated. Bei der öffentlichen Auseinandersetzung mit ionisierender Strahlung steht deren Nutzung im Rahmen der Energieerzeugung und der Medizin (Diagnostik, Strahlentherapie) im Vordergrund. Selten wird bedacht, dass ionisierende Strahlung auch natürlich vorkommt und damit mehr als die Hälfte der Gesamt-Strahlenbelastung bedingt. Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung wird eingeteilt in stochastische Effekte, bei denen die Wahrscheinlichkeit eines Effektes mit der Dosis zunimmt (z. B. Tod durch strahleninduzierten Krebs, genetische Effekte), sowie deterministische Effekte (pathologische Veränderungen, z. B. an Fortpflanzungsorganen oder der Leibesfrucht), bei denen der Schweregrad dosisabhängig ist. Ionisierende Strahlung wird häufig mit verschiedenen Risiken (Krebs, Erbschäden, Strahlenkrankheit) in Verbindung gebracht, wobei diese in der Regel überschätzt werden.

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Purpose Early inflammation is a major factor of mucosal reactions to radiotherapy. Pentoxifylline administration resulted in a significant amelioration of radiation-induced oral mucositis in the mouse tongue model. The underlying mechanisms may be related to the immunomodulatory properties of the drug. The present study hence focuses on the manifestation of early inflammatory changes in mouse tongue during daily fractionated irradiation and their potential modulation by pentoxifylline. Materials and methods Daily fractionated irradiation with 5 fractions of 3 Gy/week (days 0–4, 7–11) was given to the snouts of mice. Groups of 3 animals per day were euthanized every second day between day 0 and 14. Pentoxifylline (15 mg/kg, s. c.) was administered daily from day 5 to the day before sacrifice. The expression of the inflammatory proteins TNFα, NF-κB, and IL-1β were analysed. Results Fractionated irradiation increased the expression of all inflammatory markers. Pentoxifylline significantly reduced the expression of TNFα and IL-1β, but not NF-κB. Conclusion Early inflammation, as indicated by the expression of the inflammatory markers TNFα, NF-κB, and IL-1β, is an essential component of early radiogenic oral mucositis. Pentoxifylline differentially modulated the expression of different inflammatory markers. The mucoprotective effect of pentoxifylline does not appear to be based on modulation of NF-κB-associated inflammation.

Dissertation - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021, Radiotherapy is an important treatment method of malignancies. Despite of enormous technical improvements, a certain dose is applied to surrounding normal tissue, associated with side effects. Radiation-induced cystitis is a severe complication, that may occur after irradiation of malignancies in the pelvic region. These side effects are based on early occurring molecular mechanisms like the formation of radicals and oxidative stress, leading to the activation of several signaling pathways. Detailed knowledge of these processes is crucial for the developing of new interventional or therapeutic strategies.In our first study, we demonstrated the assessment of the NF-κB signaling pathway and the ameliorating effect on radiation-induced cystitis by early inhibition of this pathway by thalidomide.The impairment of the urothelial barrier function in the early phase of radiation-induced cystitis and an incomplete compensation of that, are a driving factor for the severity of the late effects. In a second study, we demonstrated that compensatory mechanisms, during the inflammatory response phases of radiation-induced cystitis, lead to an increase of the adherens junction proteins E-cadherin and β-catenin, trying to maintain or re-establish barrier integrity. The early administration of thalidomide improves these compensatory mechanisms by inhibition of the interfering NF-κB signaling pathway., Dissertation - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021, Die Strahlentherapie ist eine der wichtigsten Behandlungsmethoden von Malignomen. Trotz des enormen technischen Fortschritts in diesem Bereich kommt es zu einer gewissen Strahlenbelastung des umliegenden gesunden Gewebes, und damit zu Nebenwirkungen. Die strahleninduzierte Zystitis ist eine schwerwiegende Komplikation, die bei der Bestrahlung von Malignomen im Beckenbereich vorkommen kann. Dieser Nebenwirkung liegen frühe molekular Mechanismen zu Grunde, wie die Radikalbildung und oxidativer Stress, die zur Aktivierung einer Vielzahl an Signalwegen führt. Ein besseres Verständnis dieser Vorgänge kann die Grundlage für neue interventionelle oder therapeutische Ansätze bieten.I n einer ersten Studie konnten wir nicht nur die Beteiligung des NF-κB Signalwegs nachweisen, sondern auch eine Linderung der strahleninduzierten Zystitis, über die frühe Hemmung dieses Signalweges durch Thalidomid, zeigen.Der Verlust der urothelialen Barrierefunktion in der frühen Phase der strahleninduzierten Zystitis und eine unzureichende Kompensation dessen, spielen eine zentrale Rolle für die Stärke der Spätfolgen. In einer zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass es über kompensatorische Mechanismen während den entzündlichen Phasen der strahleninduzierten Zystitis zu einem Anstieg der Adherens Junction Proteine E-Cadherin und β-Catenin kommt, um die Barrierefunktion zu erhalten oder zu verbessern. Die frühe Anwendung von Thalidomid verstärkt diese Kompensationsmechanismen über die Hemmung der Wechselwirkungen mit der NF-κB Signalkaskade.

Die frühe Strahlenreaktion der Mundschleimhaut ist eine regelmäßige und dosislimitierende Nebenwirkung der Strahlenbehandlung fortgeschrittener Kopf-Hals-Tumoren. Trotz einer Vielzahl von experimentellen und klinischen Ansätzen gibt es bis jetzt keine allgemein gültige Prophylaxe oder ein Behandlungskonzept. Die molekularen Mechanismen, die der Entstehung der radiogenen Mucositis enoralis zugrunde liegen, sind allerdings noch nicht geklärt. Die Beteiligung apoptotischer Prozesse an der Entstehung der radiogenen Mucositis enoralis wird derzeit kontrovers diskutiert. Das Signalmolekül Ceramid, welches bei Bestrahlung durch das Enzym neutrale Sphingomyelinase (nSMase) aus dem Membranbaustein Sphingomyelin freigesetzt wird, gilt als ein Initiator der Apoptose. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zu prüfen, welchen Einfluss die Inhibition der Ceramidsynthese durch Glutathion auf die Ausprägung der radiogenen Mucositis enoralis hat. Ergänzt wurden die experimentellen Arbeiten durch die Auswertung histologischer Präparate, welche bei einer fraktionierten Bestrahlung ohne bzw. mit verschiedenen Inhibitoren der Ceramidsynthese (Glutathion, Fumonisin B1, Desipramin) behandelt wurden. Alle Untersuchungen wurden am etablierten Tiermodell der Zungenunterseite der Maus (Stamm C3H/Neu) durchgeführt. Die Bestrahlung erfolgte als lokale Einzeitapplikation (Tag 0) oder als perkutane fraktionierte Bestrahlung mit 5 x 3 Gy/ Woche über eine Woche (Tag 0-4) oder zwei Wochen (Tag 0-4, 7-11), gefolgt von einer lokalen Testbestrahlung an Tag 7 bzw. Tag 14. Als klinisch relevanter Endpunkt diente die Ausbildung ulzerativer Läsionen der Schleimhaut. Zur Inhibition der nSMase1 wurde Glutathion (1 µmol/Tag, subkutan) nach verschiedenen Protokollen verabreicht. In Verbindung mit einer Einzeitbestrahlung wurde Glutathion von Tag -3 bis zur ersten Diagnose der Ulzera (-3/D) bzw. deren kompletten Heilung (-3/H) appliziert. Bei einwöchiger fraktionierter Bestrahlung erfolgte die Applikation von Tag -3 bis zum Tag der Testbestrahlung (-3/7) oder bis zur Diagnose (-3/D) bzw. bis zur Heilung (-3/H) der ulzerativen Läsionen. Die Protokolle für die fraktionierte Bestrahlung über zwei Wochen umfassten die Applikation während der ersten Bestrahlungswoche (-3/7), der zweiten Bestrahlungswoche (7/14), des gesamten Bestrahlungszeitraumes (-3/14) sowie bis zur Diagnose (-3/D) und bis zur Heilung (-3/H). In begleitenden histologischen Untersuchungen wurden die Zellzahlen im Zungenepithel bestimmt, sowie verschiedene Marker der Proliferation (Ki-67), der Apoptose (cleaved Caspase-3, Bcl-2, Bax) und des Sphingolipidmetabolismus (nSMase1, Ceramid) immunhistochemisch erfasst. Es wurden dafür sowohl histologische Präparate der eigenen experimentellen Arbeit (Glutathion), als auch Präparate aus der Arbeitsgruppe (Kontrollen, Fumonisin B1, Desipramin) ausgewertet. Die Behandlung mit Glutathion führte bei Einzeitbestrahlung in keinem der Protokolle zu einer signifikanten Veränderung der ED50 im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung (Kontrolle: 13,0 ± 0,7 Gy; -3/D: 12,8 ± 0,7 Gy; -3/H: 12,3 ± 0,6 Gy). Bei der fraktionierten Bestrahlung über eine Woche mit Glutathiongabe von Tag -3 bis zur Erstdiagnose (-3/D) bzw. Heilung (-3/H) der ulzerativen Läsionen wurde eine signifikante Verringerung der Ulkushäufigkeiten beobachtet; die Applikation bis Tag 7 (-3/7) führte dagegen zu keiner signifikanten Veränderung der Ulkushäufigkeit (Kontrolle: 11,1 ± 0,1 Gy; -3/D: 14,6 ± 1,8 Gy; -3/H: 13,1 ± 0,6 Gy; -3/7: 12,0 ± 0,0 Gy). Auch die Protokolle der zweiwöchigen fraktionierten Bestrahlungen zeigten keine signifikanten Unterschiede der Strahlentoleranz bei Behandlung mit Glutathion (Kontrolle 12,1 ± 0,1 Gy; -3/14: 12,4 ± 0,7 Gy; -3/7: 13,2 ± 1,0 Gy; -3/D: 14,1 ± 0,7 Gy; -3/H: 13,5 ± 0,8 Gy; 7/14: 13,7 ± 0,6 Gy). Die histologischen Untersuchungen zeigten, dass die Applikation von Inhibitoren der Ceramidsynthese zu keiner systematischen Veränderung der epithelialen Zelldichte im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung führt. Das Minimum der Zellzahl der nur bestrahlten Proben betrug 68,6 % an Tag 5, vergleichbar mit dem Zellverlust der mit Glutathion, Desipramin und Fumonisin B1 behandelten Proben. Auf die Epitheldicke konnte ebenfalls kein systematischer Einfluss der getesteten Inhibitoren nachgewiesen werden. Die immunhistochemische Detektion des Proliferationsmarkers Ki-67 zeigte, dass sowohl Glutathion als auch die anderen verwendeten Inhibitoren im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung keinen Einfluss auf die Zellproliferation haben. Der Anteil apoptotischer Zellen (Nachweis des Spaltprodukts der Caspase-3) blieb bei Inhibitor-Applikation in der ersten Woche der fraktionierten Bestrahlung relativ konstant auf dem Niveau der alleinigen Bestrahlung, in der zweiten Woche stieg er um den Faktor 10 an. In guter Übereinstimmung zu dem geringen Apoptoseindex der Mundschleimhaut nach Bestrahlung wurde das proapoptotischen Protein Bax nicht nachgewiesen. Das Enzym nSMase1 wurde in den Zellen im unteren Teil des Stratum spinosum des Schleimhautepithels nachgewiesen; eine Zunahme von Ceramid während der alleinigen Bestrahlung konnte immunhistochemisch nicht beobachtet werden. Die Behandlung mit den Inhibitoren hatte keinen nachweisbaren Einfluss auf das Vorkommen von Ceramiden im Zungenepithel. Die Ergebnisse der histologischen und immunhistochemischen Untersuchungen erbrachten keine Hinweise auf die Beteiligung von Ceramiden bzw. apoptotischer Prozesse an der Strahlenreaktion der Mundschleimhaut. Wäre dies die Ursache, so müsste auch in allen Protokollen – insbesondere der Einzeitbestrahlung – eine Erhöhung der Strahlentoleranz durch die Applikation von Glutathion beobachtbar gewesen sein. Der mukoprotektive Effekt von Glutathion in den Versuchsarmen der fraktionierten Bestrahlung über eine Woche ist deshalb möglicherweise auf eine Stimulation der Repopulierung zurückzuführen. Für eine vollständige Klärung der zugrunde liegenden Mechanismen bedarf es weiterer präklinischer Studien.

Die Mucositis enoralis ist eine häufige und dosislimitierende Nebenwirkung der Strahlentherapie von Kopf-Hals-Tumoren. Die zugrunde liegenden Pathomechanismen sind komplex und beinhalten die Reaktionen und Interaktionen von Epithelzellen, Fibroblasten, Makrophagen und Gef¨aßendothelzellen. Dies schließt die vermehrte Bildung von Stickstoff-Monoxid (NO) in Folge einer Stimulation der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) ein. Ziele der Untersuchungen: Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirkung von L-NAME (nitro-L-Arginin-Methyl-Ester), einem unselektiven Inhibitor der NOS, auf die Strahlenreaktion der oralen Mukosa im etablierten Tiermodell der Schleimhaut der Zungenunterseite der Maus zu untersuchen. Materialien und Methoden: Die Untersuchungen erfolgen mit Mäusen des InzuchtWildtypstammes C3H/Neu. Als Bestrahlungstechniken kommen die perkutane Schnauzenbestrahlung (200 kV Röntgenstrahlung) und/oder die lokale Bestrahlung (25 kV Röntgenstrahlung) eines 3·3 mm2 großen Testfeldes der Zungenunterseite der Maus zum Einsatz. In Fraktionierungsprotokollen werden 5x3 Gy/Woche über 1 (Tage 04) sowie 2 Wochen (Tage 0-4, 7-11) auf die gesamte Schnauze der Tiere appliziert. Anschließend erfolgt eine lokale Aufsättigungsbestrahlung mit gestaffelten Dosen (5 Dosisgruppen, je 10 Tiere) zur Generierung kompletter Dosis-Effekt-Kurven (Tag 7 bzw. 14). Einzeitbestrahlungen des lokalen Testfeldes finden ebenfalls mit gestaffelten Dosen statt. L-NAME (täglich 0,2 mg/kg i.p.) wird an den Bestrahlungstagen 30 Minuten vor der Bestrahlung appliziert. Bei Einzeitbestrahlung werden 2 verschiedene Behandlungszeiträume getestet: 3 Tage vor der Bestrahlung bis zur Erstdiagnose (-3/D) oder Ausheilung der Ulzerationen (-3/H). In Kombination mit fraktionierter Bestrahlung über 1 Woche werden 3 Zeiträume untersucht (-3/7, -3/D oder -3/H). Bei 2 Wochen fraktionierter Bestrahlung erfolgt die L-NAME-Gabe in folgenden Intervallen: -3/7, -3/D, -3/H, -3/14 oder 7/14. Als quantaler Endpunkt für Dosis-EffektAnalysen dient die Ulzeration der Schleimhaut im Testfeld. Mittels Logit-Analyse werden Dosis-Effekt-Beziehungen ermittelt. Der ED50-Wert und dessen Standardabweichung σ dienen der Charakterisierung der Dosis-Effekt-Kurven. In histologischen Untersuchungen werden maximal 10 Fraktionen zu 3 Gy über 2 Wochen appliziert, mit/ohne Gabe von L-NAME von Tag -3 bis zur Tötung. Die Zungenentnahme erfolgt bei je 5 Tieren in zweitägigen Abständen (Tag 1 bis 25). Ergebnisse: Für die alleinige Einzeitbestrahlung ergibt sich eine signifikante Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz mit einer ED50 von 13,6±1,0 Gy. Die mittlere Latenzzeit beträgt 10,6±1,1 Tage, die durchschnittliche Ulkusdauer 3,5±1,0 Tage. Nach alleiniger einwöchig fraktionierter Bestrahlung beträgt die ED50 der Testbestrahlung 12,3±0,8 Gy. L-NAME von Tag -3 bis Tag 6 bzw. -3/D hat keinen signifikanten Einfluss (ED50 13,3±1,2 Gy bzw. 12,8±1,0 Gy). Lediglich für den Applikationszeitraum Tag -3/H kann eine signifikante Erhöhung der ED50 auf 14,7±1,7 Gy (p=0,0298) nachgewiesen werden. Die Testbestrahlung nach 2-wöchiger Fraktionierung ohne L-NAME ergibt eine ED50 von 13,0±0,1 Gy. L-NAME hat wiederum keinen signifikanten Einfluss auf die Strahlenempfindlichkeit der Mundschleimhaut (ED50-Werte: -3/6 - 12,9±0,1 Gy, -3/14 - 13,0±0,1 Gy, -3/H - 13,8±1,4 Gy und 7/14 - 13,1±0,8 Gy). Während alleiniger fraktionierter Bestrahlung nimmt die Zellzahl zunächst ab (Tag 11: 70 %). Im Anschluss steigt sie über das Ausgangsniveau (Tag 19: 126 %). F¨ur die L-NAME-behandelte Schleimhaut findet sich ein qualitativ vergleichbarer Verlauf; es zeigt sich lediglich eine geringfügige Erhöhung der Zellzahl in der funktionellen Schicht (150 % statt 140 %). Die Epitheldicke nimmt unter L-NAME-Behandlung in den ersten Tagen der Nachbeobachtungszeit deutlich zu. Schlußfolgerungen: Zusammenfassend erweist sich in der vorliegenden Arbeit nur die L-NAME-Applikation -3/H bei einwöchig fraktionierter Bestrahlung als wirksam, wobei der Grund f¨ur diese selektive Wirkung unklar bleibt. Offensichtlich sind NOvermittelte Prozesse ohne substanzielle Relevanz f¨ur die epitheliale Strahlenreaktion der Mundschleimhaut. Auf der Basis dieser Ergebnisse ist die Hemmung von iNOS durch L-NAME keine aussichtsreiche Strategie zur Reduktion der radiogenen Mucositis enoralis, und sollte deshalb auch nicht in klinischen Studien verfolgt werden. Die Frage, ob andere (i)NOS-Hemmstoffe ein mukoprotektives Potential besitzen, sollte in weiteren, translationalen strahlenbiologischen Studien geklärt werden.

Modification of the radiation response of oral mucosa (mouse) by inhibition of nitric oxide synthase via nitro-L-arginin-methyl-ester (L-NAME)

Die Strahlenreaktion der Mundschleimhaut ist die häufigste und Dosis limitierende frühe Nebenwirkung der Radio(chemo)therapie von Kopf-Hals-Tumoren. Sie führt zu einer starken Beeinträchtigung des Allgemeinzustandes sowie der Lebensqualität der Patienten. Nicht selten muss die Strahlentherapie unterbrochen werden, wodurch sich die Tumorheilungschance deutlich reduziert. Trotz zahlreicher experimenteller und klinischer Ansätze konnte bisher kein allgemein gültiges Konzept zur Prophylaxe und Therapie der radiogenen Mucositis enoralis in der Klinik etabliert werden. Die Pathogenese der oralen Mukositis ist komplex. Sie wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, darunter verschiedene Signalkaskaden, wie die Rho- und Ras-vermittelte Signaltransduktion. Die vorliegende tierexperimentelle Arbeit untersuchte deshalb den Ein-fluss des 3-Hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoenzymA-Reduktase-Hemmers Lovastatin, welcher unter anderem die genannten Signalkaskaden modifiziert, auf die Reaktion der Mundschleimhaut auf fraktionierte Bestrahlung. Ergänzende histologische Untersuchungen sollen weitere Anhaltspunkte auf den Wirkmechanismus von Lovastatin geben. Alle Untersuchungen erfolgten am etablierten Tiermodell der Schleimhaut der Zungenunter-seite der Maus (Inzucht-Stamm C3H/Neu). Die Bestrahlung wurde als fraktionierte, perkutane Schnauzenbestrahlung (200 kV Röntgenstrahlung) mit wöchentlich 5x3 Gy über eine (Tag 0-4) bzw. zwei Wochen (Tag 0-4 und 7-11) durchgeführt. Das Bestrahlungsfeld war dabei so definiert, dass die gesamte Schnauze bis zu einer Ebene von den Augen bis zur Kehle, und damit die gesamte Zunge, eingeschlossen wurden. Daraus resultierte zunächst nur ein subklinischer Effekt an der Mundschleimhaut. Durch die lokale Testbestrahlung (25 kV Röntgen-strahlung) eines 3x3 mm² großen Feldes auf der Zungenunterseite wurde eine klinische Reaktion indiziert. Die lokale Bestrahlung erfolgte mit jeweils 5 gestaffelten Dosisgruppen (je-weils 10 Tiere zur Generierung vollständiger Dosis-Effekt-Kurven (Logit-Analyse). Als quantaler Endpunkt diente das Auftreten einer Ulzeration, entsprechend einer konfluenten Mukositis Grad 3 nach RTOG/EORTC-Klasifikation. Die Latenzzeit zwischen lokaler Bestrahlung und Diagnosestellung und die Dauer der Ulzeration bis zur Reepithelialisierung beschreiben den zeitlichen Verlauf der Veränderungen. Der Beschreibung des Dosiseffektes dienten die ED50-Werte (Dosis, bei der bei 50 % der Tiere eine Ulzeration innerhalb des Testfeldes zu erwarten ist) und deren Standardabweichung σ bzw. deren 95 %-Vertrauensbereiche. Für histologische Untersuchungen wurden an 16 aufeinander folgenden Tagen jeweils 3 Tiere einer Versuchsgruppe getötet. Als Kontrolle dienten 3 unbehandelte Tiere. Die Zungen wurden entnommen und mit Hämatoxylin und Eosin gefärbte Schnitte angefertigt. Anschließend erfolgte die lichtmikroskopische Auswertung von mindestens 2 mm Epithellänge pro Präparat, wobei die Zahl der kernhaltigen Zellen in der Funktions- und Germinativschicht sowie die Dicken der Germinativ-, Funktions- und Keratinschicht bestimmt wurden. Lovastatin (1A Pharma, Oberhaching) wurde in einer Dosierung von 16 mg/kg, entsprechend der empfohlenen Dosis beim Menschen, appliziert. Die Gabe des in destillierten Wasser suspendierten Medikamentes, erfolgte täglich per os über eine Schlundsonde. Bei fraktionierter Bestrahlung über 1 Woche erhielten die Versuchstiere Lovastatin von Tag -3 (bezogen auf den Tag der ersten Fraktion) bis Tag +7 oder bis zur Ausheilung der Ulzerationen. Bei fraktionierter Bestrahlung über 2 Wochen wurden 4 Behandlungszeiträume von Lovastatin getestet: Tag -3 bis +4, Tag +7 bis +14, Tag 0 bis +14 oder Tag 0 bis zur Heilung der Ulzeration. Für die histologischen Untersuchungen erfolgte eine fraktionierte Bestrahlung mit 10x3 Gy über 2 Wochen. An den Tagen 0-14 bzw. 7-14 wurde Lovastatin verabreicht. Als Kontrolle dienten die Versuchsgruppen, welche eine alleinige Bestrahlung bzw. Lovastatingabe erhielten. Zur Testung der Verträglichkeit des Medikamentes erhielten zunächst 5 Versuchstiere einmal täglich 16 mg/kg Lovastatin über einen Zeitraum von 25 Tagen. Dabei konnten keine wesentlichen unerwünschten Arzneimittelwirkungen beobachtet werden. Die alleinige Einzeitbestrahlung ergab einen ED50-Wert von 11,5±1,0 Gy mit einer signifikan-ten Dosisabhängigkeit der Ulkusfrequenz (p=0,0007). Die Latenzzeit war 12,2±0,5 Tage, die Ulkusdauer 3,1±0,6 Tage. Der ED50-Wert für die alleinige fraktionierte Bestrahlung über 1 Woche war 8,6±1,4 Gy (p=0,0002). Es wurden für die Latenzzeit 9,7±0,8 Tage und für die Ulkusdauer 5,4±1,1 Tage bestimmt. In beiden Versuchsprotokollen mit Lovastatingabe und fraktionierter Bestrahlung über eine Woche konnte eine signifikante Erhöhung der ED50-Werte gegenüber der alleinigen Fraktionierung festgestellt werden. Bei Medikamentengabe von Tag -3 bis +7 war die ED50 10,1±0,1 Gy, von Tag -3 bis zur Ausheilung 11,6±0,7 Gy. Die mittleren Latenzzeiten waren gegenüber der Kontrolle nicht signifikant verändert, es konnte jedoch in beiden Versuchsarmen eine Verkürzung der mittleren Ulkusdauer um ca. 2 Tage festgestellt werden. Für die Testbestrahlung nach alleiniger fraktionierter Bestrahlung über 2 Wochen ergab sich ein ED50-Wert von 7,9±1,3 Gy (p=0,0002). Für die Latenzzeit wurden 11,8±0,8 Tage und für die Ulkusdauer 4,5±1,0 Tage ermittelt. Die Gabe von Lovastatin führte in allen Behandlungs-protokollen zu einer signifikanten Erhöhung der ED50-Werte: Tag -3 bis +4: 12,7±0,9 Gy; Tag +7 bis +14: 11,6±0,9 Gy; Tag 0 bis 14: 14,3±1,2 Gy, Tag 0 bis Ausheilung der Ulzeration: 12,9±1,3 Gy. Ebenso wie bei fraktionierter Bestrahlung über eine Woche, konnte eine Verkürzung der Ulkusdauer um ca. 2 Tage festgestellt werden. Außerdem wurde eine Verkürzung der mittleren Latenzzeit von 2,4 Tagen (Medikamentengabe von Tag -3 bis +4) bis 4,1 Tagen (Tag 0 bis zur Ausheilung) gefunden. Bei fraktionierter Bestrahlung über 2 Wochen konnte für den gesamten Behandlungszeitraum eine gegenüber der unbehandelten Kontrolle reduzierte Gesamtzellzahl (Minimalwert Tag 4: 51%) festgestellt werden. Erst am Tag 16 wurde der Ausgangswert wieder erreicht. Demgegenüber ergab die alleinige Applikation von Lovastatin von Tag 0 bis 14 im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle signifikant höhere Gesamtzellzahlen (Maximalwert Tag 9: 144% des Ausgangswertes). Bei fraktionierter Bestrahlung und Lovastatingabe konnten gegenüber der Kontrolle reduzierte, jedoch höhere Gesamtzellzahlen als bei alleiniger Fraktionierung festgestellt werden. Die Gesamtschichtdicken aller 4 Behandlungsprotokolle ergaben ähnliche Verläufe ohne signifikante Unterschiede. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Applikation von Lovastatin während fraktionierter Bestrahlung einen mukoprotektiven Effekt aufweist. In allen Behandlungsprotokollen war eine signifikante Erhöhung der isoeffektiven Dosen festgestellt werden. Dabei scheint der mukoprotektive Effekt umso größer zu sein, je länger die Behandlung mit Lovastatin andauerte. Lovastatin führte zu einer eindeutigen Akumulation der epithelialen Zellproliferation. Die exakten Wirkmechanismen der Mukoprotektion durch Statine sind jedoch bisher nicht geklärt und bedürfen weitergehender Untersuchungen.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 4 1 EINLEITUNG 6 2 LITERATURÜBERSICHT 9 2.1 Tumorerkrankungen im Kopf-Hals-Breich 9 2.2 Behandlung von Kopf-Hals-Tumoren 11 2.2.1 Chirurgische Therapie 11 2.2.2 Strahlentherapie 11 2.2.3 Zytostatische Therapie 14 2.2.4 Kombinierte Radiochemotherapie 14 2.3 Nebenwirkungen der Strahlentherapie 14 2.3.1 Frühe Strahlenfolgen 15 2.3.2 Späte (chronische) Strahlenfolgen 16 2.3.3 Konsekutive Späteffekte 17 2.4 Radiogene Nebenwirkungen im Kopf-Hals-Bereich 17 2.4.1 Frühreaktionen 17 2.4.2 Spätfolgen 19 2.5 Radiogene Mucositis enoralis 20 2.5.1 Pathogenese und zeitlicher Verlauf 20 2.5.2 Klassifizierungssysteme 22 2.5.3 Inzidenz und klinische Bedeutung 25 2.5.4 Prophylaxe und Therapie 26 2.6 Aufbau und Proliferationskinetik der Mundschleimhaut 30 2.6.1 Humane Mundschleimhaut 30 2.6.1.1 Aufbau der Mundschleimhaut des Menschen 30 2.6.1.2 Proliferationskinetik 31 2.6.2 Murine Mundschleimhaut 31 2.6.2.1 Besonderheiten im Aufbau der Zungenschleimhaut der Maus 31 2.6.2.2 Proliferationskinetik 32 2.7 Tiermodelle zur Untersuchung der radiogenen Mucositis enoralis 33 2.7.1 Maus 33 2.7.2 Hamster 34 2.7.3 Ratte 34 2.8 Einflussfaktoren der Strahlenempfindlichkeit 35 2.8.1 Intrinsische Strahlenempfindlichkeit und Stammzellkonzept 35 2.8.2 Recovery (Erholung) 36 2.8.3 Repopulierung 37 2.8.4 Redistribution 38 2.8.5 Reoxygenierung 39 2.8.6 Volumeneffekt 39 2.9 Lovastatin 40 2.9.1 Lipidsenkende Wirkung von Lovastatin 41 2.9.2 Pharmakodynamik und Pharmakokinetik 42 2.9.3 Nebenwirkungen 42 2.9.4 Weitere Wirkungen von Lovastatin (pleiotrope Effekte) 44 2.10 Zielstellung der vorliegenden Arbeit 45 3 MATERIAL UND METHODEN 46 3.1 Versuchstiere 46 3.2 Bestrahlung 47 3.2.1 Bestrahlungsanlagen 47 3.2.1.1 Perkutane Bestrahlung 47 3.2.1.2 Lokale Zungenbestrahlung 48 3.2.2 Dosimetrie 48 3.2.2.1 Perkutane Bestrahlung 48 3.2.2.2 Lokale Zungenbestrahlung 49 3.3 Durchführung der Bestrahlung 49 3.3.1 Perkutane Schnauzenbestrahlung 49 3.3.2 Lokale Zungenbestrahlung 50 3.4 Beurteilung der Strahlenreaktion 51 3.5 Beschreibung der durchgeführten Experimente 52 3.5.1 Alleinige Lovastatingabe (Versuch L) 53 3.5.2 Lokale Einzeitbestrahlung (Versuch E) 53 3.5.3 Versuche mit fraktionierter Bestrahlung (Versuch F) 54 3.6 Statistische Auswertung 54 3.6.1 Analyse von Dosis-Wirkungs-Beziehungen 54 3.6.2 Analyse des zeitlichen Verlaufs der oralen Mukositis 55 3.6.3 Analyse der histologischen Parameter 55 3.7 Histologische Untersuchungen 55 4 ERGEBNISSE 57 4.1 Verträglichkeit von Lovastatin (Versuch L) 57 4.2 Lokale Einzeitbestrahlung (Versuch E) 58 4.2.1 Dosisabhängigkeit der Strahlenreaktion (Ulkus) 58 4.2.2 Klinisches Erscheinungsbild und Verlauf der Strahlenreaktion 58 4.3 Strahlenreaktion nach einwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F1/0) 60 4.3.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 60 4.3.2 Zeitlicher Verlauf der Schleimhautreaktion 61 4.4 Strahlenreaktion nach zweiwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F2/0) 62 4.4.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 62 4.4.2 Zeitlicher Verlauf der Schleimhautreaktion 62 4.5 Lovastatingabe bei einwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F1/X) 63 4.5.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 64 4.5.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 65 4.6 Lovastatingabe bei zweiwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F2/X) 66 4.6.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 66 4.6.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 67 4.7 Histologische Untersuchungen 68 4.7.1 Unbehandeltes beziehungsweise ausschließlich bestrahltes Epithel der Zungenunterseite (H0 und H1) 69 4.7.1.1 Zellzahlen 69 4.7.1.2 Schicht- und Epitheldicke 71 4.7.2 Alleinige Lovastatingabe über 14 Tage (H2) 71 4.7.2.1 Zellzahlen 71 4.7.2.2 Schicht- und Epitheldicke 71 4.7.3 Fraktionierte Bestrahlung mit 10x3 Gy und Lovastatingabe 75 4.7.3.1 Lovastatingabe von Tag 0 bis 14 (Versuch H3) 75 4.7.3.2 Lovastatingabe von Tag 7 bis 14 (Versuch H4) 76 5 DISKUSSION 79 5.1 Klinischer Hintergrund der radiogenen Mucositis enoralis 79 5.2 Zungenepithel der Maus als Tiermodell 80 5.2.1 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen 80 5.2.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse 81 5.2.3 Strahlenreaktion der Mundschleimhaut nach fraktionierter Bestrahlung 82 5.3 Applikation von Lovastatin 82 5.3.1 Dosierung 82 5.3.2 Verträglichkeit 83 5.4 Beeinflussung der Ausprägung der radiogenen Mucositis enoralis durch Lovastatin 83 5.4.1 Lovastatinwirkung bei Einzeitbestrahlung 83 5.4.2 Lovastatinwirkung bei fraktionierter Bestrahlung 84 5.5 Histologische Untersuchungen 85 5.5.1 Veränderungen im Epithel bei alleiniger Bestrahlung 86 5.5.2 Veränderungen im Epithel bei alleiniger Lovastatingabe 87 5.5.3 Veränderungen bei fraktionierter Bestrahlung und Lovastatingabe 88 5.6 Weitere Untersuchungen zur Modifikation der Strahlenreaktion von Normalgeweben durch Statine 88 5.7 Mögliche Wirkmechanismen von Statinen 90 5.7.1 Hemmung der Rho- und Ras-vermittelten Signaltransduktion 90 5.7.2 Beeinflussung der Entzündungsreaktion 92 5.7.3 Beeinflussung der Gefäßreaktion 93 5.8 Mögliche Wirkung von Lovastatin auf Tumorgewebe 94 6 AUSBLICK 95 7 ZUSAMMENFASSUNG 96 8 SUMMARY 99 9 THESEN 102 10 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 104 11 TABELLENVERZEICHNIS 106 12 LITERATURVERZEICHNIS 107 13 ANHANG 127 DANKSAGUNG 131 ERKLÄRUNG ZUR ERÖFFNUNG DES PROMOTIONSVERFAHRENS 132 ERKLÄRUNG ZUR EINHALTUNG RECHTLICHER VORSCHRIFTEN 133 The radiation response of oral mucosa is a frequent and dose-limiting side effect of radio(chemo)therapy of tumours in the head-and-neck region. Oral mucositis substantially im-pacts on the general condition and the quality of life of the patients. It necessitates treatment interruptions in a number of patients, with the consequence of a marked reduction of the tumour cure probability. Despite various experimental and clinical approaches, no general strategy for the prophylaxis or management of radiation-induced oral mucositis has so far been established in clinical routine. The pathogenesis of oral mucositis is complex and is influenced by a variety of factors, including miscellaneous signalling cascades, such as rho- and ras-dependent signal transduction. The present preclinical study in experimental animals was hence initiated to characterize the effect of the 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoenzymeA-reductase inhibitor Lovastatin, which modulates the latter signalling chains, on the response of oral mucosa to fractionated irradiation. Accompanying histological studies were performed to illuminate the mechanism of action of Lovastatin. All investigations were performed in the mucosa of the lower surface of mouse tongue (C3H/Neu inbred strain) as an established animal model. Irradiation was administered as fractionated, percutaneous treatment of the entire snout of the animals (200 kV X-rays). The protocols comprised the application of 5x3 Gy/week over 1 week (days 0-4) or 2 weeks (days 0-4, 7-11). The treatment volume encompassed the snout of the animals to a plane from the eyes to the throat, thus including the entire tongue. With snout irradiation, only a subclinical mucosal effect was induced. Subsequent local test irradiation (25 kV X-rays) yielded a clinically manifest reaction within a 3x3 mm2 test area at the lower tongue surface. Local irradiation was performed in 5 graded dose groups with 10 animals each, in order to generate complete doseeffect curves (logit analyses). For this, mucosal ulceration, corresponding to confluent mucositis grade 3 according to the RTOG/EORTC classification, was analyzed as the quantal endpoint. The latent time between test irradiation and first ulcer diagnosis and the ulcer duration until reepithelialisation served as parameters of the time course of the radiation response. The dose effect was described by ED50 values (dose at which an ulceration within the test area is expected in 50 % of the animals) and their standard deviation  or their 95 % confidence intervals. For histological studies, 3 mice of each experimental group (see below) were sacrificed per day over a period of 16 days. Three untreated mice served as controls. The tongues were excised and the sections stained with haematoxylin and eosin. At least 2 mm epithelial length were examined by standard light microscopy, and the number of nucleated cells in the functional and germinal layers as well as the thickness of the individual epithelial layers was quantified. Lovastatin (1A Pharma, Oberhaching, Germany) was administered at a dose of 16 mg/kg, according to the recommended dose in patients. The drug was suspended in A. dest. and applied daily per os via gavage. With fractionated irradiation over 1 week, Lovastatin was administered from day -3 (before the first fraction) until day 7 or until clinical healing of all reactions. Fractionated irradiation over 2 weeks was combined with Lovastatin in 4 admini-stration intervals: day -3 to +4, day +7 to +11, day 0 to +14 or day 0 until clinical healing of all ulcerations. For the histological investigations, irradiation was applied with 10x3 Gy over 2 weeks. Lovastatin was administered on days 0-14 or 7-14, respectively. Groups that received either radiation alone or Lovastatin alone in similar protocols served as controls. To test for tolerability of the drug, 5 animals were treated daily with 16 mg/kg Lovastatin over 25 days. No adverse events were observed. Single dose irradiation alone resulted in an ED50 value of 11.5±1.0 Gy, with a significant dose dependence of ulcer frequency (p=0.0007). The latent time was 12.2±0.5 d, ulcer duration 3.1±0.6 d. The ED50 value for test irradiation after fractionated irradiation over 1 week was 8.6±1.4 Gy (p=0.0002). Latent time was 9.7±0.8 d, ulcer duration 5.4±1.1d. In both protocols with Lovas-tatin, a significant increase of the ED50 values was observed, with 10.1±0.1 Gy and 11.6±0.7 Gy for drug administration from day -3 to +7 and day -3 to ulcer healing, respectively. The mean latencies were not significantly different from the control. However, mean ulcer duration was shortened by ca. 2 d. For test irradiation after 2 weeks of fractionation alone, the ED50 was 7.9±1.3 Gy (p=0.0002). Mean latency was 11.8±0.8 d, mean ulcer duration 4.5±1.0 d. Lovastatin administration yielded a significant increase in ED50 values in all experimental protocols, with 12.7±0.9 Gy for day -3 to +4, 11.6±0.9 Gy for day +7 to +14, 14.3±1.2 Gy for day 0 to +14 and 12.9±1.3 Gy for day 0 until healing. Similar to one week of fractionation, a shortening of ulcer duration by ca. 2 d was found. Mean latencies were reduced by 2.4 days (drug administration day -3 to +4) to 4.1 days (day 0 to healing). Epithelial cell numbers were clearly reduced by fractionated irradiation (minimum day 4: 51 % of the control). Original values were not observed before day 16. In contrast, administration of Lovastatin alone significantly increased the total cell numbers in the epithelium (maximum day 9: 144 % of control). The combination of irradiation and Lovastatin resulted in total cell numbers that were reduced compared to the control, but markedly higher than with irradiation alone. No differences were found for epithelial thickness in comparison to irradiation alone. In conclusion, the administration of Lovastatin during fractionated irradiation showed a substantial mucoprotective effect. Isoeffective doses were significantly increased in all Lovastatin treatment arms. The longer the interval of drug administration was, the more pronounced was the effect. Lovastatin yielded a clear stimulation of epithelial cell proliferation. The detailed mechanisms of action of Lovastatin, however, remain unclear and require further investigation.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 4 1 EINLEITUNG 6 2 LITERATURÜBERSICHT 9 2.1 Tumorerkrankungen im Kopf-Hals-Breich 9 2.2 Behandlung von Kopf-Hals-Tumoren 11 2.2.1 Chirurgische Therapie 11 2.2.2 Strahlentherapie 11 2.2.3 Zytostatische Therapie 14 2.2.4 Kombinierte Radiochemotherapie 14 2.3 Nebenwirkungen der Strahlentherapie 14 2.3.1 Frühe Strahlenfolgen 15 2.3.2 Späte (chronische) Strahlenfolgen 16 2.3.3 Konsekutive Späteffekte 17 2.4 Radiogene Nebenwirkungen im Kopf-Hals-Bereich 17 2.4.1 Frühreaktionen 17 2.4.2 Spätfolgen 19 2.5 Radiogene Mucositis enoralis 20 2.5.1 Pathogenese und zeitlicher Verlauf 20 2.5.2 Klassifizierungssysteme 22 2.5.3 Inzidenz und klinische Bedeutung 25 2.5.4 Prophylaxe und Therapie 26 2.6 Aufbau und Proliferationskinetik der Mundschleimhaut 30 2.6.1 Humane Mundschleimhaut 30 2.6.1.1 Aufbau der Mundschleimhaut des Menschen 30 2.6.1.2 Proliferationskinetik 31 2.6.2 Murine Mundschleimhaut 31 2.6.2.1 Besonderheiten im Aufbau der Zungenschleimhaut der Maus 31 2.6.2.2 Proliferationskinetik 32 2.7 Tiermodelle zur Untersuchung der radiogenen Mucositis enoralis 33 2.7.1 Maus 33 2.7.2 Hamster 34 2.7.3 Ratte 34 2.8 Einflussfaktoren der Strahlenempfindlichkeit 35 2.8.1 Intrinsische Strahlenempfindlichkeit und Stammzellkonzept 35 2.8.2 Recovery (Erholung) 36 2.8.3 Repopulierung 37 2.8.4 Redistribution 38 2.8.5 Reoxygenierung 39 2.8.6 Volumeneffekt 39 2.9 Lovastatin 40 2.9.1 Lipidsenkende Wirkung von Lovastatin 41 2.9.2 Pharmakodynamik und Pharmakokinetik 42 2.9.3 Nebenwirkungen 42 2.9.4 Weitere Wirkungen von Lovastatin (pleiotrope Effekte) 44 2.10 Zielstellung der vorliegenden Arbeit 45 3 MATERIAL UND METHODEN 46 3.1 Versuchstiere 46 3.2 Bestrahlung 47 3.2.1 Bestrahlungsanlagen 47 3.2.1.1 Perkutane Bestrahlung 47 3.2.1.2 Lokale Zungenbestrahlung 48 3.2.2 Dosimetrie 48 3.2.2.1 Perkutane Bestrahlung 48 3.2.2.2 Lokale Zungenbestrahlung 49 3.3 Durchführung der Bestrahlung 49 3.3.1 Perkutane Schnauzenbestrahlung 49 3.3.2 Lokale Zungenbestrahlung 50 3.4 Beurteilung der Strahlenreaktion 51 3.5 Beschreibung der durchgeführten Experimente 52 3.5.1 Alleinige Lovastatingabe (Versuch L) 53 3.5.2 Lokale Einzeitbestrahlung (Versuch E) 53 3.5.3 Versuche mit fraktionierter Bestrahlung (Versuch F) 54 3.6 Statistische Auswertung 54 3.6.1 Analyse von Dosis-Wirkungs-Beziehungen 54 3.6.2 Analyse des zeitlichen Verlaufs der oralen Mukositis 55 3.6.3 Analyse der histologischen Parameter 55 3.7 Histologische Untersuchungen 55 4 ERGEBNISSE 57 4.1 Verträglichkeit von Lovastatin (Versuch L) 57 4.2 Lokale Einzeitbestrahlung (Versuch E) 58 4.2.1 Dosisabhängigkeit der Strahlenreaktion (Ulkus) 58 4.2.2 Klinisches Erscheinungsbild und Verlauf der Strahlenreaktion 58 4.3 Strahlenreaktion nach einwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F1/0) 60 4.3.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 60 4.3.2 Zeitlicher Verlauf der Schleimhautreaktion 61 4.4 Strahlenreaktion nach zweiwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F2/0) 62 4.4.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 62 4.4.2 Zeitlicher Verlauf der Schleimhautreaktion 62 4.5 Lovastatingabe bei einwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F1/X) 63 4.5.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 64 4.5.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 65 4.6 Lovastatingabe bei zweiwöchiger fraktionierter Bestrahlung (F2/X) 66 4.6.1 Dosisabhängigkeit der Ulkusinzidenz 66 4.6.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 67 4.7 Histologische Untersuchungen 68 4.7.1 Unbehandeltes beziehungsweise ausschließlich bestrahltes Epithel der Zungenunterseite (H0 und H1) 69 4.7.1.1 Zellzahlen 69 4.7.1.2 Schicht- und Epitheldicke 71 4.7.2 Alleinige Lovastatingabe über 14 Tage (H2) 71 4.7.2.1 Zellzahlen 71 4.7.2.2 Schicht- und Epitheldicke 71 4.7.3 Fraktionierte Bestrahlung mit 10x3 Gy und Lovastatingabe 75 4.7.3.1 Lovastatingabe von Tag 0 bis 14 (Versuch H3) 75 4.7.3.2 Lovastatingabe von Tag 7 bis 14 (Versuch H4) 76 5 DISKUSSION 79 5.1 Klinischer Hintergrund der radiogenen Mucositis enoralis 79 5.2 Zungenepithel der Maus als Tiermodell 80 5.2.1 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen 80 5.2.2 Reproduzierbarkeit der Ergebnisse 81 5.2.3 Strahlenreaktion der Mundschleimhaut nach fraktionierter Bestrahlung 82 5.3 Applikation von Lovastatin 82 5.3.1 Dosierung 82 5.3.2 Verträglichkeit 83 5.4 Beeinflussung der Ausprägung der radiogenen Mucositis enoralis durch Lovastatin 83 5.4.1 Lovastatinwirkung bei Einzeitbestrahlung 83 5.4.2 Lovastatinwirkung bei fraktionierter Bestrahlung 84 5.5 Histologische Untersuchungen 85 5.5.1 Veränderungen im Epithel bei alleiniger Bestrahlung 86 5.5.2 Veränderungen im Epithel bei alleiniger Lovastatingabe 87 5.5.3 Veränderungen bei fraktionierter Bestrahlung und Lovastatingabe 88 5.6 Weitere Untersuchungen zur Modifikation der Strahlenreaktion von Normalgeweben durch Statine 88 5.7 Mögliche Wirkmechanismen von Statinen 90 5.7.1 Hemmung der Rho- und Ras-vermittelten Signaltransduktion 90 5.7.2 Beeinflussung der Entzündungsreaktion 92 5.7.3 Beeinflussung der Gefäßreaktion 93 5.8 Mögliche Wirkung von Lovastatin auf Tumorgewebe 94 6 AUSBLICK 95 7 ZUSAMMENFASSUNG 96 8 SUMMARY 99 9 THESEN 102 10 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 104 11 TABELLENVERZEICHNIS 106 12 LITERATURVERZEICHNIS 107 13 ANHANG 127 DANKSAGUNG 131 ERKLÄRUNG ZUR ERÖFFNUNG DES PROMOTIONSVERFAHRENS 132 ERKLÄRUNG ZUR EINHALTUNG RECHTLICHER VORSCHRIFTEN 133

Die orale Mukositis ist eine der häufigsten und schwerwiegendsten frühen Nebenwirkungen nach einer Ganzkörperbestrahlung im Rahmen der Therapie hämatologischer Tumoren sowie nach einer Strahlenexposition im Kopf-Hals-Bereich. Es existieren zahlreiche experimentelle und klinische Ansätze zur Prophylaxe und Therapie dieser Strahlenfolge, aus denen jedoch bisher kein allgemein anwendbares Behandlungsschema ableitbar ist. Für Keratinozyten-Wachstumsfaktor (KGF) werden in präklinischen und klinischen Untersuchungen mukoprotektive Effekte nachgewiesen. Er ist als rekombinante humane Form (∆23-rHuKGF) mit der Wirkstoffbezeichnung Palifermin unter dem Markennamen Kepivance® für die Anwendung beim Menschen zur Prophylaxe der oralen Mukositis im Rahmen der Konditionierungsbehandlung bei Knochenmarktransplantationen zugelassen. Die Applikation von Palifermin erfolgt dabei intravenös in einer Dosierung von 60 g/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Konditionierungstherapie. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu prüfen, ob eine Reduktion der Anzahl der Palifermin-Applikationen vor und/oder nach der Konditionierungstherapie möglich ist. Zusätzlich sollen histologische Untersuchungen Hinweise zum Mechanismus der Paliferminwirkung geben. Die Untersuchungen erfolgen am etablierten Modell des Epithels der Zungenunterseite von C3H/Neu-Mäusen. Eine Einzeitbestrahlung der Zunge simuliert die Konditionierungsbehandlung. Gestaffelte Strahlendosen werden zur Auslösung einer Ulzeration verwendet, um komplette Dosis-Effekt-Kurven zu generieren. Primärer Endpunkt ist die Induktion einer ulzerativen Mukositis in Abhängigkeit von der Strahlendosis. Latenzzeit und Ulkusdauer beschreiben den zeitlichen Verlauf der Veränderungen. Die beim Menschen zugelassene Anwendung von Palifermin wird auf das Mausmodell übertragen (Standardanwendung), wobei Palifermin in einer Dosierung von 5 mg/kg an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Tag -3,-2,-1,+1,+2,+3) subkutan appliziert wird. Die Palifermin-Applikation wird vor der Bestrahlung auf zwei Gaben (Tag -3,-2,+1,+2+3, Tag -2,-1,+1,+2,+3) bzw. eine Gabe (Tag -3,+1,+2,+3, Tag -2,+1,+2,+3, Tag -1,+1,+2,+3) oder nach der Bestrahlung auf zwei (Tag – 3,-2,-1,+1,+2, Tag -3,-2,-1,+2,+3) bzw. eine Applikation (Tag -3,-2,-1,+1, Tag -3,-2,-1,+2, Tag -3,-2,-1,+3) reduziert. Die Palifermin-Dosierung beträgt bei mehr als einer Applikation 5 mg/kg s.c. täglich, bei einer einmaligen Anwendung 15 mg/kg s.c.. Histologische Untersuchungen der Mukosa erfolgen bei Standardanwendung von Palifermin sowie bei Applikation nur an drei Tagen vor oder nach der Einzeitbestrahlung. Nach alleiniger Einzeitbestrahlung treten ulzerative Läsionen mit einer ED50 von 11,0  1,3 Gy (Dosis, bei der bei 50 % der Tiere eine ulzerative Läsion im Zungenepithel erwartet wird) nach durchschnittlich 10,0  0,7 Tagen (Latenzzeit) für 3,4  1,0 Tage (Ulkusdauer) auf. Erhalten die Mäuse Palifermin im Standardprotokoll, so ist die Strahlentoleranz des Zungenepithels im Vergleich zur alleinigen Bestrahlung erhöht (ED50=21,9  2,2 Gy, DMF=2,0). Eine signifikant stärkere Wirkung wird erzielt, wenn Palifermin nach der Einzeitbestrahlung nur ein- oder zweimal appliziert (ED50=31,5  5,1 Gy und 28,9  3,8 Gy) oder wenn vor und nach der Einzeitbestrahlung der Wirkstoff nur einmal verabreicht wird (ED50=31,1  3,8 Gy). Die ulzerativen Reaktionen treten dabei später auf und sind von kürzerer Dauer, insbesondere wenn die Palifermin-Gabe unmittelbar nach der Einzeitbestrahlung erfolgt. Die Reduktion der Palifermin-Anwendung vor der Einzeitbestrahlung auf eine oder zwei Applikationen ist in ihrer Wirkung mit der Standardanwendung vergleichbar. Nach einer alleinigen Einzeitbestrahlung mit 13 Gy verringern sich Zellzahl (Minimalwert Tag 6 - 8, 73-74 %) und Dicke (Minimalwert Tag 4, 72 %) des Epithels, das Zellvolumen nimmt zu (Maximalwert Tag 8, 239 %). Palifermin erhöht nach dreitägiger Applikation vor der Bestrahlung die Zellzahl (184 %), die Epitheldicke (215 %) und vergrößert das Zellvolumen (152 %). Wird Palifermin zusätzlich an drei Tagen nach der Bestrahlung appliziert (Standardanwendung), erfolgt die Abnahme der epithelialen Zelldichte verzögert (Minimalwert Tag 7, 36 %). Die Epitheldicke nimmt bis Tag 3 weiter zu (286 %). Die vorliegenden Untersuchungen am Modell der Zungenseite der Maus zeigen, dass die mukoprotektive Wirkung von Palifermin im Vergleich zu klinisch üblichen Standardanwendung erhöht werden kann, wenn der Wirkstoff vor und nach der Bestrahlung nur einmal gegeben wird oder die Applikationen nach der Bestrahlung reduziert werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 5 2.1 Bedeutung von Tumorerkrankungen 5 2.2 Strahlentherapie in der Humanmedizin 5 2.3 Einzeitbestrahlung/kurzfristige Bestrahlung in der Human- medizin 6 2.3.1 Ganzkörperbestrahlung 6 2.3.2 Stereotaktische Strahlentherapie (Radiochirurgie) 7 2.3.3 Intraoperative Strahlentherapie 8 2.3.4 Brachytherapie 8 2.4 Strahlentherapie bei Hunden und Katzen 8 2.5 Akutes Strahlensyndrom nach Strahlenunfällen (Akzidentielle Strahlenexposition) 15 2.6 Nebenwirkungen einer Strahlentherapie bzw. -exposition 17 2.6.1 Frühe Strahlenfolgen 18 2.6.2 Späte Strahlenfolgen 18 2.6.3 Konsekutive Strahlenfolgen 18 2.7 Aufbau und proliferative Organisation der Mundschleimhaut 19 2.7.1 Anatomischer Aufbau der Mäusezunge 19 2.7.2 Histologischer Aufbau des Epithels der Zungenunterseite der Maus 19 2.7.3 Proliferationskinetik des Epithels der Zungenunterseite der Maus 20 2.7.4 Besonderheiten der Mundschleimhaut des Menschen 21 .2.8 Strahlenreaktion des Epithels der Mundschleimhaut 22 2.8.1 Pathogenese der radiogenen oralen Mukositis 22 2.8.2 Bedeutung der radiogenen oralen Mukositis 22 2.8.3 Klassifizierung der radiogenen oralen Mukositis 23 2.8.4 Prophylaxe und Therapie der oralen Mukositis 25 2.8.4.1 Allgemeine Maßnahmen 26 2.8.4.2 Zahnsanierung 26 2.8.4.3 Mundspülungen 27 2.8.4.4 Kälteapplikation 27 2.8.4.5 Stimulation von Proliferationsvorgängen 28 2.8.4.6 Reduktion freier Sauerstoffradikale 28 2.9 Tiermodelle zur Untersuchung der radiogenen oralen Mukositis 29 2.9.1 Maus 29 2.9.2 Ratte 30 2.9.3 Hamster 30 2.10 Einflussfaktoren der Strahlenempfindlichkeit 30 2.10.1 Intrinsische Radiosensibilität 31 2.10.2 Recovery (Erholung) 32 2.10.3 Repopulierung 33 2.10.4 Redistribution 33 2.10.5 Reoxygenierung 34 2.10.6 Volumeneffekt 34 2.11 Palifermin 35 2.11.1 Einfluss von Palifermin auf unbehandeltes Epithel 35 2.11.2 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei Einzeitbestrahlung 36 2.11.2.1 In vitro Untersuchungen 36 2.11.2.2 In vivo Untersuchungen 37 2.11.3 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei fraktionierter Bestrahlung 38 2.11.4 Einfluss von Palifermin auf das Zungenepithel bei Radiochemotherapie 38 2.11.5 Klinische Studien zur Wirkung von Palifermin 39 2.11.5.1 Gesunde Probanden 39 2.11.5.2 Palifermin in der Therapie hämatologischer Tumoren 39 2.11.5.3 Palifermin in der Therapie kolorektaler Karzinome 41 2.11.5.4 Palifermin in der Therapie von Kopf-Hals-Tumoren 41 2.11.6 Nebenwirkungen einer Palifermin-Behandlung 42 3 Material und Methoden 43 3.1 Versuchstiere 43 3.2 Lokale Bestrahlung der Zungenunterseite 43 3.2.1 Bestrahlungsanlage 43 3.2.2 Dosimetrie 44 3.2.3 Versuchsdurchführung 44 3.3 Palifermin 45 3.4 Beschreibung der durchgeführten Versuche 46 3.4.1 Alleinige Einzeitbestrahlung (Versuch K) 47 3.4.2 Einzeitbestrahlung und Palifermin-Applikation (Versuchsreihe P) 47 3.4.2.1 Palifermin-Applikation an drei aufeinander folgenden Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Stanardan- wendung,Versuch P1) 47 3.4.2.2 Modifikation der Palifermin-Applikation vor der Einzeit- bestrahlung (Versuche P 2.x, P 3.x) 47 3.4.2.3 Modifikation der Palifermin-Applikation nach der Einzeit- bestrahlung (Versuche P 4.x, P 5.x) 47 3.4.2.4 Palifermin-Applikation an einem Tag vor und nach der Einzeitbestrahlung (Versuch P 6) 48 3.5 Klinische Beurteilung der Strahlenreaktion 48 3.6 Statistische Auswertung 48 3.6.1 Dosis-Effekt-Beziehungen 49 3.6.2 Zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 49 3.7 Histologische Untersuchungen 49 3.7.1 Versuchsprotokoll 49 3.7.2 Präparation der Zunge und Herstellung histologischer Schnitte 50 3.8 Histologische Auswertung 51 4 Ergebnisse 53 4.1 Strahlenreaktion des Epithels der Zungenunterseite 53 4.1.1 Klinische Veränderungen und zeitlicher Verlauf der Strahlenreaktion 53 4.1.2 Dosisabhängigkeit der Strahlenreaktion 55 4.1.3 Sonstige Effekte der Einzeitbestrahlung 55 4.2 Einfluss von Palifermin auf die Strahlenreaktion des Zungenepithels nach Einzeitbestrahlung 56 4.2.1 Palifermin-Applikation an drei Tagen unmittelbar vor und nach der Einzeitbestrahlung (Standardanwendung, Versuch P1) 57 4.2.1.1 Dosis-Effekt-Beziehung 57 4.2.1.2 Zeitlicher Verlauf 58 4.2.2 Reduktion der Palifermin-Gabe vor der Einzeitbestrahlung auf zwei Applikationen (Versuch 2.1, P 2.2) 58 4.2.2.1 Dosis-Effekt-Beziehung 58 4.2.2.2 Zeitlicher Verlauf 59 4.2.3 Reduktion der Palifermin-Gabe vor der Einzeitbestrahlung auf eine einmalige Applikation (P 3.1, P 3.2, P 3.3) 60 4.2.3.1 Dosis-Effekt-Beziehung 60 4.2.3.2 Zeitlicher Verlauf 61 4.2.4 Reduktion der Palifermin-Gabe nach der Einzeitbestrahlung auf zwei Applikationen (Versuch P 4.1, P 4.2) 61 4.2.4.1 Dosis-Effekt-Beziehung 61 4.2.4.2 Zeitlicher Verlauf 61 4.2.5 Reduktion der Palifermin-Gabe nach der Einzeitbestrahlung auf eine einmalige Applikation (Versuch P 5.1, P 5.2, P 5.3) 62 4.2.5.1 Dosis-Effekt-Beziehung 62 4.2.5.2 Zeitlicher Verlauf 63 4.2.6 Einmalige Palifermin-Applikation vor und nach der Einzeitbestrahlung (Versuch P 6) 64 4.2.6.1 Dosis-Effekt-Beziehung 64 4.2.6.2 Zeitlicher Verlauf 65 4.2.7 Zusammenfassung der Untersuchungen zur Ulkus- induktion 65 4.3 Histologische Untersuchungen 65 4.3.1 Histologie des unbehandelten Epithels 65 4.3.2 Qualitative histologische Veränderungen im Epithel durch die Behandlung 66 4.3.2.1 Alleinige Einzeitbestrahlung 66 4.3.2.2 Palifermin-Applikation 67 4.3.3 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach alleiniger Einzeitbestrahlung 68 4.3.3.1 Zellzahl 68 4.3.3.2 Epitheldicke 69 4.3.3.3 Zellvolumen 70 4.3.4 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen vor und nach der Einzeitbestrahlung (Standard-anwendung) 71 4.3.4.1 Zellzahl 71 4.3.4.2. Epitheldicke 72 4.3.4.3 Zellvolumen 74 4.3.5 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen vor der Einzeit- bestrahlung 75 4.3.5.1 Zellzahl 75 4.3.5.2. Epitheldicke 76 4.3.5.3 Zellvolumen 77 4.3.6 Quantitative Analyse histologischer Veränderungen nach Palifermin-Applikation an drei Tagen nach der Einzeit- bestrahlung 78 4.3.6.1 Zellzahl 78 4.3.6.2. Epitheldicke 80 4.3.6.3 Zellvolumen 82 4.3.7 Zusammenfassung der Untersuchungen zu histologischen Veränderungen des Zungenepithels nach Einzeitbe- strahlung und Palifermin-Applikation 83 5 Diskussion 85 5.1 Radiogene orale Mukositis und Keratinozyten- Wachstumsfaktor 85 5.2 Zungenepithel der Maus als Tiermodell 86 5.3 Strahlenreaktion des Epithels der Zungenunterseite nach Einzeitbestrahlung 87 5.4 Einfluss von Palifermin auf die Strahlenreaktion der Mundschleimhaut 87 5.5 Histologische Untersuchungen 88 5.5.1 Zellzahl 89 5.5.2 Epitheldicke 91 5.6 Wirkmechanismen von Palifermin 91 5.7 Einfluss von Palifermin auf das Tumorwachstum 92 5.8 Ausblick 94 6 Zusammenfassung 95 7 Summary 97 8 Literaturverzeichnis 99 9 Anhang 125 9.1 SPF-Bedingungen im Tierstall des Experimentellen Zentrums 125 9.2 Reagenzien zur HE-Färbung 125 9.3 Ergebnisse der histologischen Untersuchungen 126 Danksagung 132

Ionisierende Strahlung verursacht in Abhängigkeit von den strahlenphysikalischen Eigenschaften der Radionuklide Zellschäden unterschiedlicher Komplexität. An humanen Lymphozyten wurde untersucht, ob die biologische Wirksamkeit von Alpha- und Betastrahlung sowie der Einfluss von Doxorubicin der Qualität des Strahlenschadens zugewiesen werden kann. Die DNA-Schäden und deren Reparatur wurden mit zellbiologischen Methoden quantifiziert.

Low-energy X-rays in the range 10 - 50 keV have a wide application. One important application in radiological diagnostics is mammography, whereas, in radiotherapy, they are used for irradiation of superficial tumours, in brachytherapy and photon activation therapy. The importance of soft X-rays for fundamental radiobiological research is based on the fact, that all species of ionizing radiation produce a wide spectrum of secondary electrons, mainly responsible for the primary damage to be transformed into an observable radiobiological effect. By variation of the primary soft X-ray energy, a variation in the secondary electron spectra and therefore in the local energy deposition is provided. However, up to now no definitive conclusions about the relative biological effectiveness (RBE) of soft X-rays can be made due to its dependence on the photon energy, biological endpoint and dose range and the consequent large spread of the published data. The superconducting electron linear accelerator of high brilliance and low emittance (ELBE) at the Forschungszentrum Rossendorf with an electron energy up to about 40 MeV is used, among all, to generate X-rays in a wide energy range. One method for production of intensive, quasi-monochromatic X-rays in the energy range 10 - 100 keV tunable in energy, is by channeling of electrons in a perfect crystal. This X-ray source has many advantages over the most widespread X-ray source, which is the X-ray tube. Although the physical basis of the channeling effect has been previously investigated, the feasibility of an X-ray source based on channeling radiation (CR) for radiobiological studies has been for the first time theoretically and experimentally studied and a dedicated CR source built and optimised in the frame of this thesis. CR has been theoretically characterised in order to estimate its applicability for radiobiological studies. A good agreement between the theoretical predictions and the measured data has been found. The intrinsic properties of the CR source have led to the conclusion that monochromatisation is necessary. A monochromator based on HOPG mosaic crystals, was designed and manufactured. The dosimetrical methods have been investigated at the CR source as well as at an X-ray tube. Absolute dose measurements using an ionisation chamber and spectral dose distribution determination using semiconductor detectors have been performed. In addition, an unconventional system based on thermally stimulated exoelectron emission (TSEE) detectors, allowing to measure dose in a small volume and in the real cell environment has been tested and has proven itself appropriate in a variable dose range and in a liquid environment, in cases where reproducible laboratory conditions are provided. The biological endpoints clonogenic cell survival and micronucleus induction have been optimised for two established cell lines. The human mammary epithelial cells MCF-12A have been chosen due to the importance of RBE of soft X-rays for determination of risk from mammography. On the other hand, the use of the widespread mouse fibroblast cell line NIH/3T3 allows to compare the results with previously published data. The influence of the specific irradiation procedure at ELBE on the control level of cell survival and micronucleus induction has been tested and an irradiation system was developed and constructed. In addition, the RBE for soft X-rays was determined by X-ray tube irradiation at the Medical Department of Technische Universität Dresden. The RBE of 10 kV and 25 kV X-rays relative to 200 kV X-rays was determined. The RBE was found to be in the range from 1.0 to 1.4, depending on the used radiation quality, cell line and the biological endpoint, in agreement with previously published data for the same radiation qualities. These results confirm that systematical studies of RBE dependence on photon energy at the ELBE CR source are necessary and feasible.